基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的應(yīng)用型本科人工智能課程教學(xué)探究

張鵬鵬

（上海電機(jī)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程系，上海）

一 引言

翻轉(zhuǎn)課程的理念最早是由強(qiáng)納森·柏格曼和艾倫·山姆所提出[1]。翻轉(zhuǎn)課堂通過線上學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)的線上線下混合教學(xué)方式，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化需求激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的參與度。翻轉(zhuǎn)課堂轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式，重新調(diào)整了課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)時(shí)間，將傳統(tǒng)教學(xué)模式中的課上知識學(xué)習(xí)與課下知識內(nèi)化進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。在線上學(xué)習(xí)中，教師通過教學(xué)平臺建設(shè)線上課程，提供線上學(xué)習(xí)資源；學(xué)生根據(jù)教學(xué)安排和自身能力，在課前完成新知識的自主學(xué)習(xí)，并記錄自學(xué)中的問題等。在課堂學(xué)習(xí)中，不再以知識講授為主，而采用知識脈絡(luò)總結(jié)、作業(yè)輔導(dǎo)答疑、討論話題互動(dòng)等教學(xué)形式，以達(dá)到知識內(nèi)化的目的。翻轉(zhuǎn)課堂變“以教為主”為“以學(xué)為主”，使教育活動(dòng)回歸其本質(zhì)。因此，在當(dāng)前亟需培養(yǎng)個(gè)性化創(chuàng)新人才的大學(xué)教育中，基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式不失為一個(gè)合適的選擇。

1956年，人工智能的概念在達(dá)特茅斯會(huì)議上第一次正式提出。65年來，人工智能理論和技術(shù)研究從未停歇。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)的提出，人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛擴(kuò)展。因此，面向應(yīng)用型本科學(xué)生的人工智能課程不應(yīng)只停留在傳統(tǒng)理論技術(shù)的講授上，而應(yīng)考慮其獨(dú)具的工程實(shí)踐性，幫助學(xué)生掌握人工智能技術(shù)在領(lǐng)域應(yīng)用中的作用，為其今后發(fā)展提供更多的可能性。人工智能所涉內(nèi)容豐富，跨越學(xué)科眾多，是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域[2]。《人工智能原理》作為眾多專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課程，旨在通過該課程普及人工智能知識，建立人工智能思想，拓展人工智能應(yīng)用，為該專業(yè)的智能化發(fā)展提供解決思路。因此，需要梳理人工智能所涉全部知識點(diǎn)，重構(gòu)知識結(jié)構(gòu)，并予以全面、系統(tǒng)性地講授。

鑒于人工智能課程內(nèi)容繁多，但實(shí)際教學(xué)課時(shí)有限，翻轉(zhuǎn)課堂已成為解決這一矛盾的有效方法。羅定生等以北京大學(xué)開展的教學(xué)為例，梳理總結(jié)多年教學(xué)探索和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具體闡述了大學(xué)本科人工智能課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，提出了將人工智能課程開設(shè)在大學(xué)一年級的培養(yǎng)方案[2]。黨建寧探討了采用移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，構(gòu)建了三階段的S-ICM翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并將其用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)課程[3]。李丹將翻轉(zhuǎn)課堂引入人工智能課堂教學(xué)，精化了教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到優(yōu)化人工智能教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的目的[4]。李云亮提出了基于創(chuàng)新型教學(xué)觀的人工智能課程教學(xué)改革，通過創(chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境，采用案例和任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，改革人工智能課程教學(xué)改革[5]。戴玉從問題解決相關(guān)理論解讀信息技術(shù)問題解決型教學(xué)模式，剖析了信息技術(shù)教學(xué)問題類型維度，給出了信息技術(shù)問題解決型教學(xué)模式，并應(yīng)用于中學(xué)的“人工智能及應(yīng)用”課程[6]。張敏等以新工科為導(dǎo)向，提出了基于開源課程的教學(xué)方式和“做中學(xué)”的理念，運(yùn)用項(xiàng)目沉浸式教學(xué)和校企合作方式，實(shí)現(xiàn)了人工智能課程體系、課程內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)測評等方面的改革與實(shí)踐[7]。貴向泉等將新工科的建設(shè)理念與人工智能教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，摒棄單一的教學(xué)方式和模式，根據(jù)教學(xué)情況，實(shí)時(shí)修改和更新課程內(nèi)容[8]。王亮亮等提出了基于工作過程的高職院?！度斯ぶ悄堋吠ㄗR課程教學(xué)體系，采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式和線上與線下互補(bǔ)的授課模式提升課程內(nèi)容的趣味性及學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性[9]。

以上皆為翻轉(zhuǎn)課堂在人工智能課程中的有益嘗試，但大多集中在中學(xué)、職業(yè)院?；蛞涣鞅究聘咝?，鮮少探討翻轉(zhuǎn)課堂在應(yīng)用型本科高校人工智能課程中的教學(xué)改革與應(yīng)用。本文將根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂在上海電機(jī)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《人工智能原理》課程中的教學(xué)實(shí)踐，探討基于翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用型本科人工智能課程教學(xué)改革。

二 教學(xué)中存在的問題

為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問題的專業(yè)技術(shù)人才，應(yīng)用型本科院校的多個(gè)工科專業(yè)都開設(shè)有人工智能普及性基礎(chǔ)課程，但在課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核評測中普遍會(huì)出現(xiàn)以下問題。

（一） 課程內(nèi)容配置落后，缺乏高階性

教學(xué)內(nèi)容的選擇是一門課程的基礎(chǔ)，也是課程教學(xué)首要考慮的問題，適宜的教學(xué)內(nèi)容可以取得事半功倍的教學(xué)效果[8]。但目前的人工智能基礎(chǔ)課程主要以傳統(tǒng)理論知識教學(xué)為主，缺乏前沿知識，無法體現(xiàn)人工智能的先進(jìn)性和高階性。此外，由于人工智能課程涉及的內(nèi)容眾多、概念抽象、公式復(fù)雜、算法較難理解，對學(xué)生的課程基礎(chǔ)要求較高，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)困難度加大，學(xué)習(xí)效果大打折扣。

（二） 教學(xué)方法使用單調(diào)，缺乏多樣性

“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)方法常常陷入“滿堂灌”的困境，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。傳統(tǒng)課堂中，習(xí)慣性沉默的學(xué)生很難給予教師及時(shí)有效反饋，導(dǎo)致教師無法判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和掌握程度。功利化的教育思想促使學(xué)生只注重卷面成績，嚴(yán)重忽視了語言組織、語言表達(dá)和歸納總結(jié)能力的培養(yǎng)和鍛煉。單調(diào)且沉默的課堂教學(xué)無法達(dá)到培養(yǎng)滿足社會(huì)需求人才的目標(biāo)。

（三） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置單一，缺乏挑戰(zhàn)度

一般課程通常針對單一知識點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但人工智能是多學(xué)科交叉性課程，如果仍然依照一般課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)，則實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法體現(xiàn)人工智能的綜合性和復(fù)雜性，不具有挑戰(zhàn)度。脫離實(shí)際工程項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無法滿足培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的應(yīng)用型技術(shù)人才的需要。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)在滿足課程知識點(diǎn)需求的同時(shí)，與實(shí)際工程問題相聯(lián)系，優(yōu)先選取綜合性強(qiáng)且具有挑戰(zhàn)度的課題項(xiàng)目。

（四） 考核評測重結(jié)果輕過程，缺乏連續(xù)性

課程考核通常包括考勤、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末成績等方面。雖然這種考核方式已經(jīng)較“唯結(jié)果論”的期末成績考核有所改進(jìn)，但還是無法避免重結(jié)果輕過程的最終成績評定方式，且考核缺乏連續(xù)性和可靠性。此種考核方式中主要用考勤、課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為過程考核的部分，但其缺乏合理性。其一，作為學(xué)生，按時(shí)上課是基本要求，所以考勤作為考核的一部分不太合理。其二，沉默的課堂使得大部分學(xué)生不主動(dòng)參與課堂活動(dòng)，課堂表現(xiàn)難以界定和量化，很難覆蓋全體學(xué)生。其三，單一傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，甚至?xí)霈F(xiàn)“蹭實(shí)驗(yàn)”現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告不能準(zhǔn)確反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

三 基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的人工智能課程改革

針對目前人工智能課程教學(xué)中存在的問題，我們主要從優(yōu)化課程內(nèi)容、轉(zhuǎn)變教學(xué)方式、重設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)考核方式等四個(gè)方面對人工智能課程的教學(xué)進(jìn)行改革，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，激勵(lì)師生共同參與課程教學(xué)，從而提高人工智能課程的“兩性一度”，使學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力。

（一） 融合人工智能特點(diǎn)，優(yōu)化課程內(nèi)容

融合人工智能課程理論性強(qiáng)、知識面廣、實(shí)踐要求高等特點(diǎn)，并注重課程的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、啟發(fā)性和前沿性，以培養(yǎng)學(xué)生具有應(yīng)用型復(fù)合人才能力為目標(biāo)，我們梳理了課程設(shè)置，優(yōu)化了課程內(nèi)容。

在理論課程方面，主要按照人工智能技術(shù)的關(guān)系，將其劃分為四個(gè)板塊，即概念與應(yīng)用、搜索技術(shù)、知識表示與處理和機(jī)器學(xué)習(xí)。概念與應(yīng)用包括第一章和最后一章，主要介紹人工智能概念的提出、發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域等，鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂，以小組為單位介紹人工智能的最新應(yīng)用?？紤]學(xué)生前期課程和學(xué)習(xí)儲(chǔ)備，將搜索技術(shù)作為第二板塊進(jìn)行介紹。這一板塊中的內(nèi)容與學(xué)生前期學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程聯(lián)系相對緊密，可以減輕學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能課程畏難情緒，同時(shí)，該板塊的學(xué)習(xí)中不免要涉及知識表示的問題，又能為后續(xù)板塊的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在知識表示與處理板塊學(xué)習(xí)中，考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用，盡量避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和證明，以“能懂會(huì)用”為目標(biāo)，將各知識點(diǎn)案例化，通過頭腦風(fēng)暴方式啟發(fā)學(xué)生根據(jù)應(yīng)用選擇技術(shù)的能力。機(jī)器學(xué)習(xí)是學(xué)生最感興趣也是與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系最緊密的板塊，以代表性常用技術(shù)作為該板塊主要課程內(nèi)容，將機(jī)器學(xué)習(xí)的理論思想和應(yīng)用流程講清講細(xì)，并輔以深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識和最新技術(shù)發(fā)展，為學(xué)生后續(xù)自學(xué)、深造、應(yīng)用等提供知識鋪墊。在實(shí)驗(yàn)課程方面，采用遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谌齻€(gè)技術(shù)板塊中各選一個(gè)代表性實(shí)驗(yàn)作為獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，再提供3~5個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)作為合作實(shí)驗(yàn)。這種模式既能階段性檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，又能培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識的能力。

（二） 以學(xué)生為中心，轉(zhuǎn)變教學(xué)方式

教育應(yīng)以學(xué)生為中心，學(xué)生是教育活動(dòng)的主體和中心，教師在其中應(yīng)起到主導(dǎo)作用。以學(xué)生為中心的教育理念的轉(zhuǎn)變要落實(shí)的教育活動(dòng)中，就需要轉(zhuǎn)變教學(xué)方式。人工智能的課程性質(zhì)決定了其非常適宜“翻轉(zhuǎn)課堂”，新穎而豐富的教學(xué)手段更能吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

人工智能課程的翻轉(zhuǎn)課堂主要采用自主式學(xué)習(xí)、討論式教學(xué)和項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式。鼓勵(lì)學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)，拓寬師生溝通的渠道，便于教師及時(shí)掌握教學(xué)中的問題和學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而提高學(xué)習(xí)效果和教學(xué)效率。課程網(wǎng)站為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)的平臺，學(xué)生可根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)清單，自主完成視頻學(xué)習(xí)和課前作業(yè)，在此過程中記錄問題，并以小組為單位準(zhǔn)備討論話題所需材料。線下理論課堂采用討論式教學(xué)方式，將教學(xué)班劃分為若干學(xué)習(xí)小組，通過總結(jié)、答題和討論環(huán)節(jié)對自學(xué)知識進(jìn)行檢測、鞏固、釋疑、應(yīng)用和拓展。討論式教學(xué)與合作式教學(xué)的結(jié)合，小組成員間的互動(dòng)促進(jìn)了個(gè)體學(xué)習(xí)的積極性，為學(xué)生想發(fā)言、能發(fā)言且言之有物提供了機(jī)會(huì)，變“沉默課堂”為“活躍課堂”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和動(dòng)力。項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)將實(shí)際工程項(xiàng)目引入課堂，以具體項(xiàng)目的解決為目標(biāo)，將人工智能的知識點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（三） 從獨(dú)立到合作，設(shè)置遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)

為了避免“蹭實(shí)驗(yàn)”現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力，人工智能課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置了從個(gè)人基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到小組項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。個(gè)人基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要以理論課程的三大技術(shù)模塊為核心，設(shè)置3個(gè)單知識點(diǎn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生在理解理論知識的同時(shí)，學(xué)以致用。每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對應(yīng)一個(gè)核心技術(shù)模塊，解決方法不唯一，可在該技術(shù)模塊中的多個(gè)方法中選用其一實(shí)現(xiàn)，既有利于學(xué)生掌握技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，又有利于學(xué)生了解各技術(shù)的適用范圍和局限性，培養(yǎng)學(xué)生針對具體問題選擇合適技術(shù)的能力。在個(gè)人基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生獨(dú)立完成，體現(xiàn)個(gè)人解決問題和動(dòng)手編程的能力。由于可選技術(shù)的多樣性和個(gè)人編程能力的不同，每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)報(bào)告都不可能完全一樣，避免了千篇一律的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。小組項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)以課程報(bào)告的形式進(jìn)行，學(xué)生以小組為單位，在教師布置的多個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中任選其一，或者自擬題目，進(jìn)行項(xiàng)目合作開發(fā)。綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多選擇具有實(shí)際應(yīng)用背景的問題，體現(xiàn)高階性和挑戰(zhàn)度，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題，以及綜合運(yùn)用知識的能力。在項(xiàng)目合作過程中，小組成員要合理分工，共擔(dān)責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。項(xiàng)目完成后，以小組為單位提交項(xiàng)目進(jìn)度和總結(jié)報(bào)告，并進(jìn)行項(xiàng)目匯報(bào)，講解項(xiàng)目完成的核心思想、實(shí)現(xiàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和個(gè)人體會(huì)。項(xiàng)目匯報(bào)中，要求組長介紹整體項(xiàng)目，每個(gè)人講解個(gè)人完成部分，教師和同學(xué)根據(jù)講解內(nèi)容進(jìn)行提問。遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，從易到難，將知識點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，既滿足了知識點(diǎn)理解和實(shí)現(xiàn)的要求，又能讓學(xué)生體悟到實(shí)際問題與知識之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目的。

（四） 注重過程性考核，改進(jìn)評價(jià)模式

考核是手段而不是目的，考核的目的是了解學(xué)生掌握知識的程度，改進(jìn)教學(xué)方式，提高知識的接受程度?；诜D(zhuǎn)課堂的人工智能課程在考核方式上注重過程性考核，靈活應(yīng)用線上資源，將線上作業(yè)/測試成績和討論話題參與度作為課程考核的一部分，關(guān)注學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性和有效性，督促學(xué)生按時(shí)保質(zhì)保量完成線上線下理論學(xué)習(xí)。此外，綜合個(gè)人基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%）、小組項(xiàng)目報(bào)告（50%）和項(xiàng)目匯報(bào)情況（20%）作為實(shí)驗(yàn)成績，納入總成績。小組項(xiàng)目報(bào)告和匯報(bào)成績以項(xiàng)目總體完成度和個(gè)人貢獻(xiàn)度合并組成，促使學(xué)生積極參與項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。以上過程性成績占總成績的60%，期末成績占總成績的40%，且每一項(xiàng)過程性成績都可量化、可追蹤，這就要求學(xué)生從始至終都要保持積極向上的學(xué)習(xí)態(tài)度，避免了“臨時(shí)抱佛腳”的現(xiàn)象，成績也更真實(shí)、可靠。

四 結(jié)語

本文分析了人工智能課程教學(xué)中存在的問題，探討了翻轉(zhuǎn)課堂在人工智能課程中的應(yīng)用。采用翻轉(zhuǎn)課堂形式改革人工智能課程，不僅需要對課程教學(xué)本身進(jìn)行改革，更需要教師在思想認(rèn)識和知識結(jié)構(gòu)等方面不斷提升。在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生是主體，教師是主導(dǎo)。教師要主動(dòng)適應(yīng)角色變化，變講授者為引導(dǎo)者，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教改思想。而隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和落地應(yīng)用的增多，教師不僅需要持續(xù)跟蹤領(lǐng)域發(fā)展，加強(qiáng)自身理論知識和最新進(jìn)展的學(xué)習(xí)，拓寬知識的廣度與深度，更需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，通過與企業(yè)專家的面對面交流，并充分利用網(wǎng)上的現(xiàn)有資源，提升自身綜合素養(yǎng)，建立完整的知識能力結(jié)構(gòu)。通過翻轉(zhuǎn)課堂的使用和教師素質(zhì)的提高，使得人工智能課程內(nèi)容具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，以達(dá)到培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問題能力的工程師人才的目的。