基于云端資源的控制類專業(yè)人工智能方向研究生課程教改研究

文/袁憲鋒，胡楠，宋勇，許慶陽

針對控制類專業(yè)研究生對人工智能方向?qū)I(yè)課程需求的特殊性，以提升教學質(zhì)量、學生學習興趣和研究生的實踐創(chuàng)新能力為目標，本文從云端資源引入、理論課程建設(shè)以及實踐創(chuàng)新課程建設(shè)三個方面著手進行了教學改革。教學實踐表明，改革后的課程縮小了課堂知識與人工智能業(yè)界之間的差距，更符合專業(yè)和技術(shù)的發(fā)展趨勢，有助于控制類研究生綜合能力的提升。

當前，人工智能研究已上升至國家戰(zhàn)略層面，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強國的必由之路。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷成熟和廣泛應用，《中國制造2025》《新一代人工智能發(fā)展計劃》等文件的出臺，推動了人工智能、機器人的快速發(fā)展，而人工智能發(fā)展的基石在于人工智能領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。[1-2]“新工科”建設(shè)復旦共識的達成，積極推動了工程教育改革創(chuàng)新，也為人工智能方向研究生培養(yǎng)的改革和創(chuàng)新實踐提供了良好的契機。[3-4]麥肯錫全球研究院預計，2025年人工智能應用市場總值將超過1000億美元，在現(xiàn)今所有工作內(nèi)容之中，過半會在2055年左右自動化，此趨勢最關(guān)鍵的支撐技術(shù)是人工智能。目前，我國人工智能領(lǐng)域人才缺口巨大，在“新工科”背景下進行人工智能方向的研究生課程改革探索勢在必行。[5]

一、現(xiàn)有的控制類專業(yè)人工智能方向研究生課程體系存在的問題

（一)課程內(nèi)容陳舊

近年來，人工智能技術(shù)發(fā)展十分迅速，出現(xiàn)了人工智能業(yè)界各種新方法、新理論、新技術(shù)領(lǐng)先高校課堂知識體系的現(xiàn)象。現(xiàn)有的人工智能方向研究生課程內(nèi)容陳舊，例如，在《人工智能原理與應用》課程中謂詞邏輯以及確定性推理等內(nèi)容仍然占據(jù)了一定的課時，而目前相對實用和熱點的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強化學習、遷移學習等機器學習算法所占篇幅不足。在人工智能快速發(fā)展的背景下，當前的課程資源和內(nèi)容過于陳舊，無法滿足學生對前沿理論知識的需求。

（二)課程趣味性不足

控制類研究生人工智能方向課程很多是理論性很強的專業(yè)課程，抽象的概念、定理、公式較多，內(nèi)容相對枯燥。另外，研究生課程教學形式相對單一，多以課堂講授為主。特別是近年來受疫情影響，很多課程需要線上教學，教師無法實時看到學生的上課狀態(tài)，學生也無法與授課教師進行有效溝通和交流，課程的互動性和趣味性大打折扣。

（三)課程實踐環(huán)節(jié)不足

雖然控制類專業(yè)研究生人工智能方向課程也設(shè)計了相應的課程實驗，但是各課程實踐環(huán)節(jié)之間相對分散，整體協(xié)調(diào)性不足，在一定程度上存在實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容交叉、重疊等問題。例如，《人工智能原理與應用》和《機器學習》課程部分實驗內(nèi)容相近。開放性、創(chuàng)新性的實驗案例較少，學生創(chuàng)新能力無法很好地發(fā)揮。

二、人工智能方向?qū)I(yè)課程的云端資源介紹

人工智能方向?qū)I(yè)課程云端資源通常指云端AI算法引擎、云端數(shù)據(jù)庫、云端資源管理等，具有使用靈活、支持按需訂購、使用成本相對較低等優(yōu)勢，且國內(nèi)許多頭部互聯(lián)網(wǎng)公司，例如百度、騰訊、阿里等，均推出了相應的云端AI和存儲資源。華為推出的Modelarts是一款優(yōu)秀的一站式AI開發(fā)平臺，能夠靈活實現(xiàn)AI開發(fā)應用的全流程功能。另外，華為公司配套了相應的智能硬件終端，如HiLens智能相機終端、Atlas AI加速板等，建有相應的網(wǎng)絡(luò)論壇和社區(qū)，開源了大量的人工智能實踐案例，能夠避免傳統(tǒng)AI教學課程內(nèi)容陳舊、趣味性不足等問題，且有利于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，適于引入控制類人工智能方向?qū)I(yè)課程改革與建設(shè)。

三、基于云端資源的研究生人工智能方向?qū)I(yè)課程改革策略

（一)云端資源引入

研究生人工智能方向?qū)I(yè)課程改革應做到以下方面。首先，修改完善培養(yǎng)方案和對應課程的教學大綱，將基于華為AI資源開設(shè)的課程納入控制類研究生的專業(yè)培養(yǎng)方案，合理安排鯤鵬云、ModelArts等云端資源的理論和實踐教學課時與內(nèi)容；其次，根據(jù)教學大綱在相關(guān)理論課程中增加華為AI資源的理論概念講解內(nèi)容，完善相關(guān)教學PPT等資源；最后，根據(jù)理論課程講解內(nèi)容，開設(shè)基于鯤鵬云、ModelArts的靈活、開放創(chuàng)新實驗，整理優(yōu)秀案例，編寫實驗手冊。

（二)理論課程建設(shè)

研究生人工智能方向?qū)I(yè)課程改革應將華為云端全棧AI資源與人工智能方向?qū)I(yè)課（人工智能原理及應用、機器學習、智能機器人等)建設(shè)相結(jié)合，開發(fā)相應的教學案例和課件資源，具體方案如圖1所示。

《Python語言程序設(shè)計》課程重點增加部分鯤鵬云的知識講解，包括鯤鵬云的基本概念和架構(gòu)、環(huán)境搭建與應用部署、CentOS基礎(chǔ)知識，鼓勵學生在鯤鵬云服務器ECS上安裝配置Python環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上利用鯤鵬云主機設(shè)計Python程序；《人工智能導論》和《機器學習》課程，在深度學習章節(jié)增加華為ModelArts理論講解（ModelArts基本概念、基于ModelArts的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實踐等)，介紹其優(yōu)勢和使用方法，鼓勵學生結(jié)合華為云AI資源進行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習；在《智能機器人》課程中增加華為HiLens、Atlas等智能硬件知識講解，結(jié)合ModelArts、鯤鵬云等AI資源實現(xiàn)基于“云+端”架構(gòu)的智能機器人設(shè)計。因此，研究生人工智能方向?qū)I(yè)課程基于華為云端AI資源構(gòu)建一種循序漸進、軟硬結(jié)合、云端結(jié)合的人工智能方向理論課程體系，通過引入人工智能業(yè)界先進技術(shù)，全面提升人工智能方向課程內(nèi)容的前沿性。

（三)實踐課程建設(shè)

研究生人工智能方向?qū)I(yè)課程改革應與相應理論課程配套，利用鯤鵬云和ModelArts設(shè)計開放性創(chuàng)意實驗，通過與Atlas、Hilens等華為AI硬件資源結(jié)合，釋放學生的創(chuàng)新能力。基于《Python語言程序設(shè)計》《人工智能導論》《機器學習》和《智能機器人》四門課程的理論課堂講解，構(gòu)建基于鯤鵬云和ModelArts的AI創(chuàng)新實驗體系，如圖2所示。

將人工智能方向?qū)I(yè)實驗課程劃分為Python類實驗、機器學習類實驗和機器人類實驗。其中，Python類實驗側(cè)重于語言編程訓練，是后續(xù)其他類型創(chuàng)新實驗的基礎(chǔ)；機器學習類實驗側(cè)重于算法研究，可充分利用Modelarts一站式云端AI開發(fā)平臺的全流程AI開發(fā)優(yōu)勢，增加人臉識別、垃圾分類、表情識別等趣味性強、內(nèi)容相對新穎的實踐案例；機器人類實驗屬于綜合性實踐環(huán)節(jié)，可引入華為HiLens等硬件AI資源，結(jié)合云端AI資源構(gòu)建創(chuàng)新性強的各類機器人綜合實驗?？傊芯可斯ぶ悄芊较?qū)I(yè)課程改革通過結(jié)合云端和終端AI資源，有助于構(gòu)建開放性、創(chuàng)新性的實踐課程體系，提升學生的學習興趣，增強學生的實踐創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語

在教育部產(chǎn)學合作項目以及山東大學研究教改項目的支撐下，山東大學機電與信息工程學院控制專業(yè)研究生人工智能方向?qū)I(yè)課程進行了教改試點，通過引入云端AI資源，構(gòu)建了循序漸進、軟硬結(jié)合的人工智能方向理論課程體系，設(shè)計了分層次的開放性創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，有效提升了理論課程內(nèi)容的前沿性和趣味性，增強了實踐環(huán)節(jié)的開放性和創(chuàng)新性，加大了課程講解過程中師生的交互性，有效解決了傳統(tǒng)人工智能方向課程體系陳舊、內(nèi)容枯燥等問題。