人工智能背景下高校計(jì)算機(jī)通識(shí)課程教學(xué)實(shí)踐與探索

趙佳琦 周 勇 姚 睿 劉 兵

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇徐州 221116

隨著硬件水平、大數(shù)據(jù)處理以及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能開(kāi)始了“井噴式”的發(fā)展，“智能+”時(shí)代已然來(lái)臨。我國(guó)政府高度重視并大力支持發(fā)展人工智能，相繼發(fā)布了一系列措施。2017年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[1]。2021年，新華社公布了《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，綱要中對(duì)人工智能的發(fā)展方向、要突破的核心技術(shù)作出了具體部署[2]。當(dāng)前，在國(guó)家層面正加速布局的“新基建”計(jì)劃中，人工智能更是其中重要的組成部分之一。

政府、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)以及創(chuàng)業(yè)公司都將人工智能視作自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并且認(rèn)為人工智能將會(huì)給人類(lèi)生活和世界帶來(lái)巨大的改變。人工智能在產(chǎn)業(yè)界快速發(fā)展的同時(shí)，各大高校也相繼開(kāi)設(shè)人工智能專(zhuān)業(yè)，成立人工智能研究院。從近三年普通高校新增備案數(shù)較多的本科專(zhuān)業(yè)(如右圖所示)中可以看出：人工智能相對(duì)其他熱門(mén)專(zhuān)業(yè)，受到了各大高校更多的青睞。此外，教育部指出，要重視人工智能與其他學(xué)科專(zhuān)業(yè)的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式[3]。相對(duì)于其他專(zhuān)業(yè)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能是信息處理的基本方法，而且越來(lái)越成為專(zhuān)業(yè)發(fā)展與改革的重要手段。但人工智能專(zhuān)業(yè)幾乎都開(kāi)設(shè)在與計(jì)算機(jī)相關(guān)的學(xué)院，且每年的招生人數(shù)還有限制。其他非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生如何了解人工智能，形成基本的人工智能思維，以應(yīng)對(duì)“智能+”時(shí)代工作崗位的要求需要引起重視。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后學(xué)習(xí)的第一門(mén)計(jì)算機(jī)類(lèi)通識(shí)課程，這門(mén)課程不僅可以提升學(xué)生計(jì)算思維，更是培養(yǎng)人工智能復(fù)合型人才的重要途徑。然而，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程重視計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和辦公軟件的使用，這在信息技術(shù)日新月異的今天顯然無(wú)法適應(yīng)課程改革的形勢(shì)。隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能不僅是專(zhuān)業(yè)人才實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的途徑，也是普通人員完成工作的基本技能。如何有效利用計(jì)算機(jī)通識(shí)課程這一有效載體，改革教學(xué)內(nèi)容與考核手段，適應(yīng)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的人工智能課程需求，提升學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)興趣，成為學(xué)科交叉融合的重要內(nèi)容。

2018—2020普通高校新增備案數(shù)較多的本科專(zhuān)業(yè)變化圖

1 計(jì)算機(jī)通識(shí)課程教學(xué)面臨的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的對(duì)象是學(xué)校中非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備與學(xué)科背景存在較大差異。此外，由于通識(shí)課程學(xué)生人數(shù)眾多、學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，高校計(jì)算機(jī)通識(shí)課程面臨與“計(jì)算思維”“智能思維”嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)狀，存在該問(wèn)題的具體原因分析如下：

1.1 課程內(nèi)容與飛速發(fā)展的新技術(shù)存在差異

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通識(shí)課程內(nèi)容關(guān)注的是基礎(chǔ)概念與辦公軟件的應(yīng)用，課程前半部分只需學(xué)生生硬地記憶名詞概念，后半部分變成了軟件培訓(xùn)。在微型計(jì)算機(jī)普及程度較低的時(shí)期，這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)還是很有趣的。但是在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，這些內(nèi)容對(duì)大多數(shù)學(xué)生是沒(méi)有難度的。此外，軟硬件設(shè)施的迅速發(fā)展，極大地改變了人們的生活和思維方式，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、智能推薦、微博、微信成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡慕M成部分。然而，目前的計(jì)算機(jī)通識(shí)課程與幾十年前的教學(xué)內(nèi)容并無(wú)太大差別，相關(guān)的新技術(shù)、新理論沒(méi)有得到及時(shí)更新，這也導(dǎo)致學(xué)生的重視程度和學(xué)習(xí)欲望較低。跟外語(yǔ)等通識(shí)課程一樣，免修已經(jīng)成為部分新生對(duì)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的選擇。

1.2 課程定位與課程體系不能適應(yīng)改革要求

目前高校對(duì)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的定位多數(shù)停留在“掃盲式”的普及應(yīng)用層面，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)確立了推進(jìn)課程改革的總體目標(biāo)以來(lái)，計(jì)算機(jī)通識(shí)課程作為基礎(chǔ)課程的重要性正在逐步提升[4]。然而由于師資短缺、教材滯后等原因，大多數(shù)院校對(duì)課程的定位和認(rèn)識(shí)存在偏差，并沒(méi)有充分意識(shí)到計(jì)算機(jī)通識(shí)課程這一載體對(duì)非理工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的重要性，以及計(jì)算思維與計(jì)算能力對(duì)學(xué)生發(fā)展的重要性。此外，現(xiàn)有的課程涉及面廣，但是學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間是有限的，為了完成課程的考核，學(xué)生往往只能死記硬背，無(wú)法將知識(shí)融會(huì)貫通、學(xué)以致用。

2 計(jì)算思維與人工智能通識(shí)課程建設(shè)探索

針對(duì)上述問(wèn)題，在建設(shè)一流本科專(zhuān)業(yè)與人工智能的雙重背景下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院以“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程為基礎(chǔ)，通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容、開(kāi)發(fā)資源平臺(tái)、改革課程考核方式等手段，開(kāi)發(fā)了“計(jì)算思維與人工智能基礎(chǔ)”這一計(jì)算機(jī)通識(shí)課程[5]。該課程2018年9月在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2018級(jí)礦業(yè)學(xué)院和安全學(xué)院430多名學(xué)生中進(jìn)行授課，2019年9月在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2019級(jí)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)4800多名學(xué)生中進(jìn)行授課。該課程以思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，探索從專(zhuān)業(yè)認(rèn)知到計(jì)算思維再到人工智能思維的漸進(jìn)式培養(yǎng)教學(xué)模式，從知識(shí)、能力、素質(zhì)三個(gè)維度培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的信息素養(yǎng)與解決問(wèn)題的能力。

2.1 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

考慮到非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備薄弱，尚不具備算法設(shè)計(jì)能力，教師在分析人工智能思想、方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)整合計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與人工智能教學(xué)內(nèi)容，有效構(gòu)建了基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、計(jì)算思維培養(yǎng)與智能技術(shù)應(yīng)用三大核心能力體系。改革后的課程內(nèi)容分為四個(gè)部分：基礎(chǔ)理論部分(11課時(shí))，內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)技術(shù)與計(jì)算思維的基本概念、信息表示、基本組成與工作原理等，該部分內(nèi)容精簡(jiǎn)了大量的常規(guī)內(nèi)容和操作，如：Windows系統(tǒng)介紹、軟件的安裝等；算法基礎(chǔ)培養(yǎng)部分(6課時(shí))，算法是計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的“靈魂”，該部分內(nèi)容以RAPTOR流程圖編程為手段詳細(xì)講解了常用的算法設(shè)計(jì)方法和基本的排序算法；人工智能技術(shù)部分(10課時(shí))，該部分包含人工智能的發(fā)展、機(jī)器學(xué)習(xí)等內(nèi)容，通過(guò)詳細(xì)的實(shí)際案例講解了分類(lèi)與聚類(lèi)算法，前沿技術(shù)部分(5課時(shí))，該部分就大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等內(nèi)容介紹了最新前沿技術(shù)進(jìn)展。

2.2 課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)

由于計(jì)算機(jī)通識(shí)課程是面向全校開(kāi)展的，學(xué)生人數(shù)眾多，許多靈活的教學(xué)方法無(wú)法得到有效實(shí)施。針對(duì)課程特點(diǎn)以及學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，教師采用案例分析與項(xiàng)目合作相結(jié)合的混合式教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而避免過(guò)多概念與抽象理論給學(xué)生帶來(lái)的困擾。在案例分析教學(xué)中，教師從日常生活或熱點(diǎn)新聞中凝練與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的示例，引導(dǎo)學(xué)生思考其背后的原理與知識(shí)。例如，可以從第一次象棋人機(jī)大戰(zhàn)到AlphaGo與李世石的圍棋人機(jī)世界大戰(zhàn)，引出人工智能的發(fā)展歷程與起落以及人工智能中監(jiān)督學(xué)習(xí)與無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的區(qū)別，此外，還有人與智能手機(jī)對(duì)話(huà)、新聞、購(gòu)物推薦系統(tǒng)等。在項(xiàng)目合作教學(xué)中，教師通過(guò)分組討論問(wèn)題以及完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。這樣不僅解決了學(xué)生人數(shù)多導(dǎo)致老師無(wú)法關(guān)注每個(gè)學(xué)生情況的難題，而且提高了師生的教學(xué)與學(xué)習(xí)效率。

2.3 課程教學(xué)資源建設(shè)

除了對(duì)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行改革和創(chuàng)新之外，教師還特別注重資源平臺(tái)的建設(shè)。通過(guò)錄制課程相關(guān)視頻、發(fā)布在線單元習(xí)題庫(kù)、開(kāi)發(fā)慕課等網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建線上學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合的立體式教學(xué)模式。資源平臺(tái)的建設(shè)有效補(bǔ)充了課堂教學(xué)中存在的不足，進(jìn)一步優(yōu)化和提高了課程的教學(xué)效果，為本校師生以及非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)愛(ài)好者提供了良好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

3 課程特色與創(chuàng)新

3.1 圍繞人工智能與計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容改革

人工智能是一門(mén)多學(xué)科交叉融合的學(xué)科，其包含了大量復(fù)雜的算法和模型，具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，針對(duì)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容選取的深度、廣度需要仔細(xì)思考。通過(guò)研究人工智能思想、技術(shù)水平與應(yīng)用現(xiàn)狀，教師選擇以下四個(gè)方面內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、建立智能應(yīng)用意識(shí)。

(1)通過(guò)Raptor可視化編程培養(yǎng)算法建模基礎(chǔ)。算法編程是培養(yǎng)學(xué)生理解實(shí)際問(wèn)題、設(shè)計(jì)和創(chuàng)造解決方案的必備技能。然而，這對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)還是具有相當(dāng)大的難度。教師采用Raptor編程工具來(lái)進(jìn)一步深化學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)，其是一種基于流程圖的可視化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，可以通過(guò)縮短實(shí)際問(wèn)題與程序設(shè)計(jì)概念之間的距離來(lái)減少學(xué)習(xí)上的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，讓學(xué)生短時(shí)間就可以進(jìn)入問(wèn)題求解的實(shí)質(zhì)性算法學(xué)習(xí)。

(2)通過(guò)搜索與博弈原理培養(yǎng)抽象與邏輯思維。計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的前提就是需要對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行形式化描述，就像人類(lèi)遇到問(wèn)題一樣，首先思考是否有方法能夠解決問(wèn)題，然后分析每一種方法的利弊，最終選擇合適的方法。這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為搜索與博弈。通過(guò)對(duì)廣度、深度搜索策略以及博弈過(guò)程的學(xué)習(xí)，可以深刻理解選出最優(yōu)結(jié)果的核心邏輯，從而提升抽象思維能力和邏輯思維能力。

(3)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)經(jīng)典算法學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)智能思維。機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心技術(shù)，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)力，其利用各種算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次統(tǒng)計(jì)分析以獲得歸納推理與決策能力，然而，算法學(xué)習(xí)是抽象與難懂的。因此，我們精選機(jī)器學(xué)習(xí)經(jīng)典算法，如決策樹(shù)、K近鄰以及K-means等，結(jié)合大量案例解析(文本聚類(lèi)、電影推薦)來(lái)幫助學(xué)生形象直觀地感受算法的原理與應(yīng)用。

(4)通過(guò)大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等了解前沿智能技術(shù)。隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)也發(fā)生了巨大的改變，這些技術(shù)已經(jīng)逐步走進(jìn)人們的生活。對(duì)于非專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)既熟悉又陌生，了解最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)概念，有助于幫助學(xué)生樹(shù)立課程自信心。因此，我們整合了最新的技術(shù)內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生接觸技術(shù)前沿。

3.2 全過(guò)程多維課程考核改革

計(jì)算機(jī)通識(shí)課程考核方式應(yīng)遵循基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育理念，突出課程知識(shí)獲取與能力提升，避免出現(xiàn)考前突擊復(fù)習(xí)、無(wú)效出勤等情況，引導(dǎo)學(xué)生從關(guān)注“期末一錘定音”到關(guān)注“學(xué)習(xí)過(guò)程”。本課程考核采用全過(guò)程多維評(píng)價(jià)體系，包含平時(shí)過(guò)程性考核和最終期末考核兩部分。平時(shí)過(guò)程性考核占比50%，具體分為課堂考勤、線上章節(jié)測(cè)試、課堂測(cè)試(隨堂期中考試、隨機(jī)抽測(cè))等，課堂測(cè)試可以督促學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、鞏固復(fù)習(xí)。最終期末考試占比50%，采用的是上機(jī)考試的方式。相比較于傳統(tǒng)的注重期末考試的考核方式，全過(guò)程多維課程考核方式更加注重過(guò)程考核，每一項(xiàng)考核成績(jī)可以真實(shí)、客觀地體現(xiàn)不同時(shí)期學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。上課初始，任課教師應(yīng)明確告知課程考核形式，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性考核對(duì)最終成績(jī)的影響，從而充分發(fā)揮考核效力，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)課堂教學(xué)成效。

結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，各級(jí)政府和企業(yè)都非常關(guān)注人工智能，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始了智能升級(jí)。開(kāi)展人工智能通識(shí)教育，培養(yǎng)人工智能復(fù)合型人才，成為未來(lái)工作崗位的新要求?！坝?jì)算思維與人工智能”通識(shí)課程體系是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)針對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)特點(diǎn)與學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀提出的，它以思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，探索從專(zhuān)業(yè)認(rèn)知到計(jì)算思維再到人工智能思維的漸進(jìn)式培養(yǎng)教學(xué)模式。同時(shí)配套項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及在線資源平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐、線上與線下協(xié)同教學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一。實(shí)踐證明，改革使得學(xué)生計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的重視程度以及興趣度得到了跨越式提高，學(xué)生的知識(shí)探究意識(shí)、工程實(shí)踐能力有了進(jìn)一步改善。