“計算智能”課程教學理論與實踐探索

畢曉君 喬偉征 （中央民族大學信息工程學院）

一、引言

人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，既為促進經(jīng)濟建設注入了新的動能，又為服務社會發(fā)展帶來了新的機遇。高校作為發(fā)展人工智能的重要陣地，肩負著人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的職責。因此很多高校響應國家及教育部的要求，紛紛設立人工智能學院或人工智能專業(yè)。由于設立時間較短，到目前為止人工智能的學科建設和課程設計仍處于發(fā)展階段，而且人工智能的本科生課程建設相對薄弱，目前已成為教育部多次強調(diào)的亟須優(yōu)先建設的新工科范疇。

隨著社會信息化程度越來越高，日?？色@取的數(shù)據(jù)規(guī)模也越來越大。如何利用計算機技術對大規(guī)模的數(shù)據(jù)進行有效的研究和分析成為信息科學領域的研究熱點。計算智能作為解決大數(shù)據(jù)問題的重要理論基礎，是人工智能領域一個重要的研究方向，它是受大自然智慧和人類智慧啟發(fā)而設計的一類算法的統(tǒng)稱，具有全局搜索、高效并行等優(yōu)點，為解決復雜優(yōu)化問題提供了新思路和新手段，受到研究者們的廣泛關注，目前已成功應用于信息處理、調(diào)度優(yōu)化、工程控制、經(jīng)濟管理等眾多領域。

作為計算智能方法衍生出的教學課程——“計算智能”課程是人工智能專業(yè)的骨干課程，是計算機科學與技術等信息類各專業(yè)的必修課或選修課，是實踐性和研究性均較強的一門課程。該課程內(nèi)容相對簡單，易于理解，非常適合本科生教學，可以較好地訓練學生分析和解決復雜問題的綜合思維，培養(yǎng)學生深度動手編程的實踐能力和敢于突破的創(chuàng)新能力。此外，“計算智能”課程將人工智能專業(yè)先進的核心理論和成果引入本科生教學，可以讓學生在近距離接觸科學研究的同時，增強投身科研事業(yè)的興趣和信心。

二、國內(nèi)高?！坝嬎阒悄堋奔捌湎嚓P課程開設現(xiàn)狀

在國內(nèi)各高校中，自從北京大學2004年首次開設智能計算及信息處理相關課程，國內(nèi)許多高校都陸續(xù)將該課程及相關課程開設為專業(yè)必修課或限選課，截至目前全國已有50多所高校開設了與此相關的課程。但是各大高校開設該課程的相關專業(yè)并不相同，在計算機科學與技術、信息通信工程以及自動化專業(yè)均有開設，這也導致該門課程的具體授課方式必然會受到相應高校專業(yè)特色的影響。

本文選取具有代表性的幾所高校所開設的“計算智能”及其相關課程的教學情況進行探究。研究結(jié)果表明，首先，各個學校開設的課程名稱并不完全一致，北京郵電大學、重慶大學和上海理工大學開設的課程名稱為“計算智能”；北京大學、大連海事大學以及華南理工大學開設的課程名稱為“智能信息處理”；重慶郵電大學和西安電子科技大學開設的課程名稱為“智能計算導論”；北京科技大學開設的課程名稱為“智能算法及應用”。其次，部分學校將此課程進一步分為兩門或多門課程分別開設，比如北京郵電大學同時開設“計算智能”和“群體智能”兩門課程；北京科技大學同時開設“智能算法及應用”和“模糊系統(tǒng)理論”兩門課程。再次，不同高校所開設的此課程的學分也并不一致，分別為2～4學分不等，相應的理論課學時和實踐環(huán)節(jié)學時所占比重也有所區(qū)別。最后，不同高校在本門課程的理論授課和實踐教學任務中的內(nèi)容也有所不同，部分高校采用傳統(tǒng)的授課方式，以課堂教學為主，欠缺實踐教學環(huán)節(jié)，使學生對理論知識并不能充分掌握，導致理論教學和實踐活動脫節(jié)，并不能形成系統(tǒng)的課程體系。

綜上，目前國內(nèi)開設該課程的學校整體上較少，且各高校在本課程的具體開設情況方面有所區(qū)別。此外，在本門課程教學任務中，大部分高校都面臨講解內(nèi)容不規(guī)范，沒有專門的教材、課件，缺乏成熟的實驗支撐等問題，課程處于亟須但又缺乏建設的狀態(tài)。在授課內(nèi)容上存在知識涵蓋范圍雜亂、理論內(nèi)容較為前沿導致學生理解難度大、實踐教學對學生動手能力要求高等特點。

針對以上問題，本文結(jié)合相關教學經(jīng)驗，對本課程的教學大綱優(yōu)化、課堂教學改革、教學資源建設及教學團隊建設等問題進行探究和實踐，以創(chuàng)造更好的教學效果和學習效果，進一步培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力。

三、“計算智能”課程教學目標

本文以中央民族大學為例，該校信息工程學院順應人工智能發(fā)展需求，為本科生大數(shù)據(jù)實驗班設立了全新的“計算智能”課程，針對該課程的相關建設在國內(nèi)處于領先水平。該課程作為人工智能教學的核心部分，其授課內(nèi)容非常廣泛，應用前景遼闊，具有學科的交叉性和教學體系的綜合性，是模式識別、機器學習及數(shù)據(jù)挖掘等學科的重要基礎。

該課程的教學目標分為兩個方面：在學生教學方面，要求學生掌握較為扎實的數(shù)學基礎知識，對待科學問題能夠訓練出“數(shù)學方式”理性思維，并對學生分析和解決問題的能力提出了更高的要求。該課程通過理論教學環(huán)節(jié)使學生理解計算智能的基本概念和未來的發(fā)展方向，掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、蟻群算法、人工免疫算法、人工蜂群算法以及粒子群算法等理論的基本原理，掌握科學的研究方法。通過實踐教學環(huán)節(jié)熟練計算機編程和算法操作流程，提升動手實踐能力，最終使學生能夠?qū)嶋H問題通過具體分析從而建立相關的數(shù)學模型，有效運用數(shù)學語言表達自己的思想。在課程建設方面，通過結(jié)合課程的教學經(jīng)驗，力爭將本課程建設成一流課程，充分展現(xiàn)教學示范價值，給相關學者提供更權(quán)威的教學參考。

綜上，如何改進本課程的教學方案，對本課程的教學和實踐環(huán)節(jié)進行更科學的規(guī)劃和設計，這對于培養(yǎng)信息化新時代的創(chuàng)新型及應用型復合人才、建設示范性一流課程具有極大的現(xiàn)實意義。

四、“計算智能”課程建設方案

為了有效解決國內(nèi)各高校進行“計算智能”課程教學工作所面臨的一系列問題，本文通過查閱大量國內(nèi)相關課程的教學資料和發(fā)表的文獻，并借鑒其他院校成熟的優(yōu)秀精品課程經(jīng)驗，形成了本課程建設工作的總體思路，在“計算智能”的課程建設過程中提出了全新的方案，著重致力于四個方面的計劃實施：優(yōu)化教學大綱、深化課堂改革、豐富教學資源以及培養(yǎng)教師隊伍。

（一）優(yōu)化教學大綱：教學內(nèi)容建設

為規(guī)范教學內(nèi)容，在前期的“計算智能”課程建設基礎上，不斷補充和更新教學內(nèi)容，使教學內(nèi)容更加具有先進性和科學性。設計新穎的實驗內(nèi)容，加大學生動手能力的培訓力度，提高學生解決復雜實際問題的能力。通過課內(nèi)學習、課外的實驗鍛煉，把學生培養(yǎng)成具有科研創(chuàng)新意識、熟悉一般科研方法的應用型人才。通過針對兩屆學生的教學實踐，健全和完善教學大綱，使之有力支撐教學內(nèi)容的內(nèi)涵建設和外延建設。

（二）深化課堂改革：教學方法和手段建設

為了讓學生能更好地理解并掌握本課程的前沿知識和內(nèi)容，深入研究了“計算智能”課程的特點，在課堂改革方面提出了理論、實驗、翻轉(zhuǎn)三個方面的循環(huán)教學法。

進一步改革課堂教學形式，采取以學生為主的課堂教學模式，通過思維導圖系統(tǒng)地將每章知識科學合理地分解成多個邏輯相連的小問題，采用由淺至深的漸進式提問引導學生思考，并通過詳細分析實際案例將學生代入計算智能的實際應用場景，激發(fā)學生的學習興致，增強課程教學的科學及工程應用實踐特色。

提出了切實可行的翻轉(zhuǎn)課堂形式，課堂授課后將分別針對重要的人工神經(jīng)網(wǎng)絡和智能優(yōu)化算法進行課堂翻轉(zhuǎn)。課前一周由老師給出有代表性的講解題目，每道題將有多組同學講解，基本涵蓋課堂理論知識。由學生自由選擇題目，兩人一組進行資料查閱并在課堂上以PPT的形式進行呈現(xiàn)和分享。通過這樣的形式擴大了學生的視野，夯實了學生對知識的理解，同時還能鍛煉學生查閱資料的能力和語言表達能力，增強學生科學研究的興趣。

在課程建設中還錄制了本課程每一章的實驗視頻，詳細講解了每個算法的實驗設計思路與步驟，學生可根據(jù)自身的時間安排，隨時隨地反復學習實驗視頻，保證了最佳的實驗授課效果。實驗內(nèi)容設置分不同層次、不同級別、不同難度系數(shù)，學生可根據(jù)自身的實際情況進行定制式學習。每名學生通過實驗視頻自主學習，自由選擇不同的實驗內(nèi)容，對學有余力的同學可進一步選擇難度更大的實驗內(nèi)容。通過這種個性化培養(yǎng)方式，較好鍛煉和提高了學生的實驗動手能力。

通過以上對“理論與實驗教學一體化途徑和方法”的研究，所提出的理論、實驗、翻轉(zhuǎn)三個方面的教學模塊環(huán)環(huán)相扣，形成一個完整的循環(huán)教學體系，幫助學生全方位理解并掌握知識，鍛煉了學生的實際動手能力，切實有效地提高了教學質(zhì)量和水平。教學實踐表明，學生們一致認可這種新穎的課程教學方式，在實際教學環(huán)節(jié)中學習效果顯著。

（三）豐富教學資源：教材及配套資源建設

教材建設是課程建設的重中之重，筆者在前期已經(jīng)完成新一代“計算智能”教材的編寫工作，全書共約45萬字。該書作為“高等學校信息技術類新方向新動能新形態(tài)系列規(guī)劃教材”“教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會Arm產(chǎn)學合作項目成果”之一，已由人民郵電出版社于2021年6月正式出版。

該書的編寫為教材建設打下了堅實的前期基礎，更新和充實了教學內(nèi)容，使其更加具有先進性和科學性，更加符合學生的基礎條件和需求。同時，采用建構(gòu)主義理論分析教學要求和學生特點，利用可視化技術、現(xiàn)代教育技術手段，通過優(yōu)化組合，組織編寫適合學生使用的“計算智能”多媒體教學課件、教學輔導教材和實驗教材，完成教材的系統(tǒng)性升級。結(jié)合教案、習題、線上實驗視頻等配套資源的后期建設，實現(xiàn)全方位和立體化的教材體系，進一步健全和豐富了教學資源。

（四）培養(yǎng)教師隊伍：教學團隊建設

積極培養(yǎng)年輕教師，鼓勵教師參加校內(nèi)外教育教學培訓交流。校內(nèi)參加教務處教師教學發(fā)展中心組織的培訓、調(diào)研活動，積極將所學內(nèi)容實踐于教學活動。校外參加線上教學設計及開發(fā)、一流課程建設交流等，提升教師隊伍的教學理念，提高教學方法、教學實施水平。逐步形成一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、教學水平高、教學效果好的教師隊伍，有效保證教學所需資源建設高質(zhì)量高效率地完成，為課程建設的順利實施提供軟實力。

五、結(jié)語

“計算智能”課程將人工智能專業(yè)先進的核心理論和成果引入本科生教學，可以讓學生在近距離接觸科學研究的同時，增強投身科研事業(yè)的興趣和信心。本文針對目前國內(nèi)開展“計算智能”課程教學工作所面臨的一系列問題，創(chuàng)新性地提出了相應的課程建設方案，在教學大綱優(yōu)化、課堂改革深化、教學資源豐富以及教師隊伍培養(yǎng)等四個方面進行了切實可行的方案設計與實踐。在針對兩屆學生的教學實踐活動中取得了顯著的教學效果：有效提高了學生在課堂教學環(huán)節(jié)的主動性和積極性；提高了學生對算法理論的理解程度，增強了學生的實踐動手能力；極大培養(yǎng)了學生對計算智能相關領域的科研興趣和探索熱情。