面向能力培養(yǎng)的人工智能計(jì)算機(jī)課程體系探索

摘要：為了適應(yīng)我國(guó)人工智能發(fā)展和高校工程教育認(rèn)證“知識(shí)”向“能力”的轉(zhuǎn)向，本文探索了基于“數(shù)學(xué)能力”、“編程能力”和“創(chuàng)新能力”培養(yǎng)的人工智能計(jì)算機(jī)課程體系，對(duì)各個(gè)能力要求給出了具體的課程設(shè)置和建設(shè)措施，為高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系改革提供了新的策略。

關(guān)鍵詞：人工智能;工程教育認(rèn)證;計(jì)算機(jī);課程體系

一、 引言

人工智能簡(jiǎn)而言之，即使計(jì)算機(jī)或者機(jī)器具有人的智能，其誕生于20世紀(jì)50年代。隨著越來(lái)越多的行業(yè)領(lǐng)域與之應(yīng)用結(jié)合，人工智能開(kāi)始改變我們傳統(tǒng)的手工方式，促使社會(huì)轉(zhuǎn)向智能化發(fā)展，同時(shí)伴隨各種AI芯片和5G的普及[1]，使得更加深度的智能成為可能。在此背景下，高等教育作為現(xiàn)代科技的培養(yǎng)平臺(tái)，其發(fā)展勢(shì)必緊跟潮流與趨勢(shì)，這對(duì)高等教育培養(yǎng)工作來(lái)說(shuō)既是挑戰(zhàn)，亦是機(jī)遇。立足于當(dāng)下，展望未來(lái)，當(dāng)前需重新評(píng)估人才培養(yǎng)模式，尤其在以后的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的設(shè)計(jì)與實(shí)踐上要揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，培養(yǎng)出更多面向人工智能領(lǐng)域的新工科人才[2]。

同時(shí)，近幾年工程教育認(rèn)證的重要價(jià)值逐漸被認(rèn)可，尤其在國(guó)內(nèi)高校專業(yè)中引起關(guān)注，隨之也在國(guó)內(nèi)高校專業(yè)中如火如荼地展開(kāi)，這對(duì)國(guó)內(nèi)剛起步就飛速發(fā)展的人工智能背景專業(yè)的工程教育認(rèn)證來(lái)說(shuō)，既帶來(lái)了極大的機(jī)遇，也是巨大的挑戰(zhàn)[3]。因此，國(guó)內(nèi)眾多高校緊跟時(shí)勢(shì)，通過(guò)多種措施不斷地抓住發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也在不斷地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的構(gòu)建，直接關(guān)乎我國(guó)面向人工智能的專業(yè)如何辦、如何培養(yǎng)的問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)新時(shí)代帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，各大高校開(kāi)始實(shí)施構(gòu)建人工智能相關(guān)課程和體系，從經(jīng)歷“三個(gè)層次”（計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)）到“1+X”（1門(mén)必修加幾門(mén)重點(diǎn)）課程體系[4-5]，到如今相關(guān)專業(yè)面向人工智能的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系。

但歸根結(jié)底，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的探索和實(shí)踐必須回歸基礎(chǔ)，也就是人工智能人才的需求培養(yǎng)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)各自學(xué)校的辦學(xué)優(yōu)勢(shì)和特色，根據(jù)戰(zhàn)略新興（支柱）產(chǎn)業(yè)和區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才的需求，構(gòu)建計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，成為各個(gè)高校的重點(diǎn)工作組成部分。而必須明確的是，工程教育認(rèn)證核心的一點(diǎn)就是“知識(shí)”向“能力”的轉(zhuǎn)變，因而，本文探索重新工科計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的面向基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)課程（數(shù)學(xué)能力）、面向應(yīng)用的校企聯(lián)合課程（編程能力）和面向研究的人工智能前沿課程（創(chuàng)新能力）等三個(gè)方面開(kāi)展研究，探索實(shí)踐計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系。

二、傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系現(xiàn)狀

隨著我國(guó)進(jìn)入“工業(yè)4.0”人工智能信息時(shí)代[6]，高校也在不斷應(yīng)對(duì)新形勢(shì)的變化，面臨著包括高等教育在內(nèi)的眾多領(lǐng)域的新問(wèn)題，尤其在其學(xué)科內(nèi)涵、學(xué)科結(jié)構(gòu)、學(xué)科人才培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)置、培養(yǎng)方法、教學(xué)模式等都會(huì)面臨新的要求。在這種背景下，特別針對(duì)面向人工智能的計(jì)算機(jī)課程體系設(shè)置方面，一方面，要適應(yīng)高校工程認(rèn)證“能力”培養(yǎng)要求;另一方面，要銜接國(guó)家社會(huì)的需求，如何將兩個(gè)方面進(jìn)行有效的結(jié)合與統(tǒng)一，是事倍功半，還是事半功倍，這也是當(dāng)前面臨的現(xiàn)實(shí)課題。但是從目前來(lái)看，這方面的研究和實(shí)踐，在我國(guó)還處于剛剛起步的階段，有的還只是一些不夠科學(xué)系統(tǒng)的體系，不僅如此，很多普通高校仍然是以前的一套普及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)體系，在這種情況下，造成的直接后果就是嚴(yán)重偏離全新信息時(shí)代對(duì)于人才的要求。根據(jù)“面向產(chǎn)出”工程教育認(rèn)證理念，對(duì)畢業(yè)生和即將畢業(yè)的大四學(xué)生進(jìn)行摸底，反映出的問(wèn)題就是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程體系的人才培養(yǎng)模式已經(jīng)不能適應(yīng)社會(huì)的要求，達(dá)不到“學(xué)習(xí)產(chǎn)出”，這與新時(shí)代計(jì)算機(jī)課程體系的培養(yǎng)要求相悖，也偏離了全新信息時(shí)代對(duì)于人才的需求。

從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的部分學(xué)生動(dòng)手能力弱，這是最為直觀的問(wèn)題。從計(jì)算機(jī)課程培養(yǎng)來(lái)看，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程體系大部分以《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》（C）和《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》（C++）為基礎(chǔ)，在人工智能時(shí)代到來(lái)以前，這套計(jì)算機(jī)課程體系可以滿足社會(huì)的基本需求，但是隨著時(shí)代飛速發(fā)展，這套計(jì)算機(jī)課程體系放在現(xiàn)如今人工智能時(shí)代已不是最優(yōu)選擇，且對(duì)于飛速發(fā)展的技術(shù)更新，偏難入手的編程語(yǔ)言需要替換[7]。同時(shí)，我國(guó)開(kāi)展工程教育認(rèn)證的一個(gè)重要目的是促進(jìn)高校與工業(yè)界、企業(yè)界的聯(lián)系，而傳統(tǒng)“跟風(fēng)”的實(shí)踐課程安排，僅限于象牙塔內(nèi)，脫離了社會(huì)實(shí)際，不符合工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，自然也達(dá)不到預(yù)期中的效果;除了動(dòng)手能力弱，數(shù)學(xué)功底薄弱也是目前國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生較為欠缺的另一個(gè)問(wèn)題，一方面，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程體系都是以《高等數(shù)學(xué)》為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而人工智能屬于新時(shí)代的一門(mén)綜合學(xué)科，以往的編寫(xiě)機(jī)器學(xué)習(xí)的邏輯算法已不能滿足技術(shù)的發(fā)展要求，從而導(dǎo)致無(wú)法應(yīng)用所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行建模;另一方面，在數(shù)學(xué)課程教學(xué)上，“枯燥”的公式輸送也嚴(yán)重打消了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[8];最后，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生還存在創(chuàng)新能力不足的問(wèn)題，也值得關(guān)注與研究，一般的通識(shí)課程和基礎(chǔ)知識(shí)課程是無(wú)法鑄成計(jì)算機(jī)的課程體系，對(duì)于專業(yè)知識(shí)課程的設(shè)置直接關(guān)系到學(xué)生的創(chuàng)新能力能否提高，傳統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)課程已經(jīng)不能適應(yīng)以及追溯新技術(shù)的更替，這是目前亟須解決的問(wèn)題，因此，面向人工智能的新的方向知識(shí)課程才是計(jì)算機(jī)課程體系走出困境的良藥。

三、基于能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系構(gòu)建

為適應(yīng)我國(guó)人工智能發(fā)展和工程教育認(rèn)證要求，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)課程體系結(jié)構(gòu)人才培養(yǎng)模式急需革新。本文以工程教育認(rèn)證“能力”培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題基礎(chǔ)理論知識(shí)缺乏、編程能力不足和創(chuàng)新型思維匱乏等問(wèn)題，從“數(shù)學(xué)能力”、“編程能力”和“創(chuàng)新能力”著手，探索面向人工智能和工程教育認(rèn)證的計(jì)算機(jī)課程體系結(jié)構(gòu)，為培養(yǎng)符合人工智能時(shí)代要求的新型人才，同時(shí)為智能時(shí)代教師的課程教學(xué)提供新的參考思路。如圖1所示：

1.面向基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)課程體系。大學(xué)里沒(méi)有人工智能這門(mén)課，人工智能就是統(tǒng)計(jì)學(xué)，人們老說(shuō)人工智能、人工智能，而中國(guó)的教育卻不重視基礎(chǔ)教育，尤其不重視數(shù)學(xué)教育[9]。從計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的原始數(shù)學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)、計(jì)算機(jī)與統(tǒng)計(jì)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與人工智能、統(tǒng)計(jì)學(xué)與人才培養(yǎng)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系等研究如何在新工科計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)體系中科學(xué)融入統(tǒng)計(jì)學(xué)課程。

一方面，構(gòu)建基于統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)課程體系。如圖1所示，對(duì)于一般高校計(jì)算機(jī)課程體系，按照《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》到統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)《概率論》進(jìn)行學(xué)習(xí)培養(yǎng)，根據(jù)專業(yè)特性增加統(tǒng)計(jì)學(xué)中的《數(shù)理統(tǒng)計(jì)》、《隨機(jī)過(guò)程》和《信息論》等科目。開(kāi)設(shè)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)學(xué)課程，對(duì)于面向人工智能時(shí)代的學(xué)生能力培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，“只是從理論上給予學(xué)生一種工具”，幫助他們解決實(shí)際問(wèn)題，顯得尤為重要。如何從應(yīng)用層和算法層到培養(yǎng)學(xué)生是課程體系考慮的重點(diǎn)。因而，在課程體系中開(kāi)設(shè)《機(jī)器學(xué)習(xí)》、《數(shù)據(jù)挖掘》等專業(yè)基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)習(xí)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力，符合工程教育認(rèn)證能力培養(yǎng)理念。

另一方面，課程大綱改革作為高校工程教育認(rèn)證的一個(gè)重點(diǎn)工作，引導(dǎo)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)課程教學(xué)改革尤為重要。以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性為目的，以“數(shù)學(xué)能力”培養(yǎng)為核心，在傳統(tǒng)畢業(yè)要求工程知識(shí)的指標(biāo)點(diǎn)基礎(chǔ)上，引入使用現(xiàn)代工具和個(gè)人和團(tuán)隊(duì)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)點(diǎn)。對(duì)于面向人工智能專業(yè)學(xué)生，使用現(xiàn)代工具即使用編程語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以解決實(shí)際問(wèn)題。一般高校數(shù)學(xué)課程可以以Matlab為建模工具，對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)課以對(duì)應(yīng)的編譯環(huán)境為工具;為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)積極性，提高能力培養(yǎng)效率，個(gè)人和團(tuán)隊(duì)可以很好體現(xiàn)到課程大綱中。

2.以Python為入門(mén)語(yǔ)言，面向應(yīng)用開(kāi)展校企聯(lián)合課程體系。根據(jù)企業(yè)需求和成果導(dǎo)向，從培養(yǎng)人才實(shí)踐動(dòng)手編程能力入手，面向?qū)嶋H應(yīng)用方面，建立校企綜合實(shí)踐性課程體系，在課程融入課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新項(xiàng)目，從創(chuàng)新精英工程教育、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)、企業(yè)兼職聘任制度、國(guó)際化工程教育教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源等方面著手，研究如何通過(guò)校企聯(lián)合課程提高學(xué)生們提升編程能力，并運(yùn)用到解決實(shí)際問(wèn)題中。如圖1所示，用Python語(yǔ)言替換傳統(tǒng)C語(yǔ)言入門(mén)，然后依次開(kāi)設(shè)C和Java語(yǔ)言，并相應(yīng)配套校企聯(lián)合綜合訓(xùn)練，結(jié)合實(shí)際需求，全面提升人才培養(yǎng)的編程能力。

如今為了順應(yīng)技術(shù)發(fā)展，像國(guó)防科技大學(xué)相關(guān)專業(yè)已經(jīng)做出調(diào)整，以Python為大一編程語(yǔ)言課程[10]，而繼續(xù)順應(yīng)的產(chǎn)物就是反映在企業(yè)國(guó)家的需求，這也是不可忽略的一部分。因而，新的編程課程開(kāi)設(shè)后，不僅僅是解決老問(wèn)題，更要配合校企聯(lián)合，開(kāi)展對(duì)新問(wèn)題的編程解決，才是符合工程教育認(rèn)證對(duì)能力創(chuàng)新的要求。同時(shí)，在大三大四開(kāi)設(shè)《項(xiàng)目開(kāi)發(fā)綜合訓(xùn)練》、《專業(yè)實(shí)習(xí)》、《畢業(yè)實(shí)習(xí)》等進(jìn)行專項(xiàng)培養(yǎng)，特別根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）反饋帶動(dòng)，打通校企實(shí)踐課程、競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通道，擴(kuò)大畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）校外導(dǎo)師范圍，才能更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的預(yù)期效果。

3.面向研究的人工智能前沿課程體系。人工智能作為眾多不同研究領(lǐng)域和理論方法的綜合學(xué)科，結(jié)合人工智能的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展特點(diǎn)，尤其是理清現(xiàn)代人工智能知識(shí)結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀，我們可以從大學(xué)生自身個(gè)性化發(fā)展、面向社會(huì)服務(wù)需求、以提升創(chuàng)新能力和研究能力等方面的研究出發(fā)，來(lái)幫助大學(xué)生選擇自身研究方向。開(kāi)設(shè)人工智能前沿技術(shù)課程，并根據(jù)專業(yè)和技術(shù)發(fā)展及時(shí)更新，如圖1所示，列舉了當(dāng)下比較流行的研究方向。同時(shí)，綜合專業(yè)設(shè)置方向開(kāi)設(shè)《計(jì)算機(jī)應(yīng)用前沿技術(shù)談?wù)摗奉愃普n程，深入貫徹以學(xué)生為中心工程教育認(rèn)證思想，吸納專業(yè)青年老師們指導(dǎo)教學(xué)，學(xué)生通過(guò)課題參與談?wù)?，讓學(xué)生們能夠全程參與其中，達(dá)到學(xué)習(xí)提高的目的。

目前，各大高校在大三大四都開(kāi)設(shè)有符合專業(yè)特色的方向課程，但是很多高校在這一過(guò)程中沒(méi)有體現(xiàn)工程教育認(rèn)證對(duì)創(chuàng)新能力的要求，因此，如何在課程中體現(xiàn)工程教育認(rèn)證對(duì)創(chuàng)新能力的要求是需要考慮的問(wèn)題，最好的實(shí)踐路徑就是從課程體系的設(shè)置入手。工程教育認(rèn)證改革重點(diǎn)改的是課程體系里的課程，要求是要在專業(yè)方向課程中體現(xiàn)創(chuàng)新能力，這是必須面對(duì)與解決的問(wèn)題。比如課程的過(guò)程考核，傾向在數(shù)學(xué)能力和編程能力基礎(chǔ)上解決科學(xué)問(wèn)題，改進(jìn)前沿論文的模型，參與導(dǎo)師科研項(xiàng)目等等，均體現(xiàn)出通過(guò)課程體系入手，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新能力的要求?？傮w來(lái)說(shuō)，根據(jù)我國(guó)人工智能和工程教育認(rèn)證對(duì)于人才培養(yǎng)的能力要求，從基礎(chǔ)數(shù)學(xué)能力、編程能力出發(fā)，設(shè)置基礎(chǔ)能力培養(yǎng)課程，配套校企聯(lián)合實(shí)踐課程，并與創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程相輔相成。因此，要加強(qiáng)創(chuàng)新能力課程的過(guò)程培養(yǎng)建設(shè)，全面構(gòu)建面向能力培養(yǎng)的人工智能計(jì)算機(jī)課程體系。為了了解計(jì)算機(jī)課程體系結(jié)構(gòu)改革后的效果，對(duì)本專業(yè)即將畢業(yè)的大四學(xué)生和大三的學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。需要指出的是，其中大四學(xué)生采用的2015年培養(yǎng)方案是傳統(tǒng)的課程體系，大三學(xué)生采用的2019年培養(yǎng)方案是改革后的課程體系。問(wèn)卷調(diào)查內(nèi)容主要涉及數(shù)學(xué)能力、編程能力、創(chuàng)新能力和現(xiàn)有課程體系的滿意度等方面。結(jié)果顯示，采用課程體系改革后的學(xué)生對(duì)三種能力滿意度分別提升了百分之七、百分之十一和百分之五，對(duì)現(xiàn)有課程體系結(jié)構(gòu)滿意度提升了百分之九。因而，可以看出改革后的計(jì)算機(jī)課程體系能夠更好調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生的能力培養(yǎng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系結(jié)構(gòu)存在無(wú)法滿足人工智能和工程教育認(rèn)證對(duì)于人才培養(yǎng)的能力要求，因此針對(duì)一般高校課程改革需求，提出了增設(shè)統(tǒng)計(jì)學(xué)提升“數(shù)學(xué)能力”、以Python為基礎(chǔ)入門(mén)的校企聯(lián)合培養(yǎng)提升“編程能力”和開(kāi)設(shè)人工智能前沿課程提升“創(chuàng)新能力”的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了課程體系中的基礎(chǔ)到應(yīng)用到創(chuàng)新的難度遞進(jìn)，從而培養(yǎng)符合新時(shí)代技術(shù)和能力發(fā)展人才。

作者單位：張水平" " 王海暉" " 劉黎志" " 李亞楠" " 武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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