OBE視角下人工智能專業(yè)《圖論》在線教學(xué)改革*

徐泰華 竇慧莉 宋晶晶

（江蘇科技大學(xué)計算機學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003）

1956年約翰·麥卡錫等人在達(dá)特茅斯會議上提出了“人工智能”這一術(shù)語，歷經(jīng)幾十年科學(xué)研究的積累，人工智能這一研究領(lǐng)域發(fā)展迅速，并已經(jīng)深刻地融入人類社會和生產(chǎn)生活的方方面面。近兩年，我國已將人工智能產(chǎn)業(yè)認(rèn)定為國家戰(zhàn)略[1]。服務(wù)于國家戰(zhàn)略，加強人工智能教育是高等教育必然的發(fā)展趨勢。因此，2019年3月21日，教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于公布2018年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》，包括江蘇科技大學(xué)在內(nèi)的共35所高校獲首批“人工智能”新專業(yè)建設(shè)資格。

威廉·斯巴迪（William Spady）于20世紀(jì)80年代提出的OBE（outcomes-based education）教育理念，強調(diào)了教育的焦點應(yīng)該是全體學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，課程的教學(xué)方案設(shè)計以及授課實施目標(biāo)要以保證學(xué)生學(xué)習(xí)效果為前提，同時還建立了“評級—反饋—改進(jìn)”這種可以不斷提升教學(xué)效果的機制。和以往的教育理念相比，OBE理念有著三方面的轉(zhuǎn)變：（1）學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)導(dǎo)向；（2）以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心；（3）質(zhì)量監(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)改進(jìn)。

作為一門前沿綜合性學(xué)科，人工智能的目標(biāo)是設(shè)計出一種能做出與人類智能相似反應(yīng)的智能機器，可以在識別、分類和認(rèn)知等功能實現(xiàn)方面替代人類。換句話說，人工智能是一門研究如何使機器能夠模擬人類智能行為的科學(xué)。例如，自動駕駛技術(shù)就是人工智能替代人類駕駛在生活中的應(yīng)用。當(dāng)然，人工智能的應(yīng)用不僅局限于人類生活，也在科學(xué)研究中具有重要作用。發(fā)展人工智能能夠幫助人類突破現(xiàn)有科技水平的瓶頸，將科學(xué)研究與人類生活帶入更為廣闊的天地。

圖論課程是人工智能專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，兼具理論與實踐兩方面的特性。圖論課程的教學(xué)實施是實現(xiàn)人工智能專業(yè)目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。要想學(xué)習(xí)好人工智能專業(yè)，前期圖論課程的教學(xué)必不可少。面臨在線教學(xué)現(xiàn)狀和保證線上學(xué)習(xí)效果的需求，本文將討論基于OBE理念的人工智能專業(yè)圖論課程的在線教學(xué)模式，以及將OBE理念引入圖論課程大綱修訂中。

一、人工智能專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀分析

作為高校教育專業(yè)，人工智能專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)出一批掌握該專業(yè)的理論，并可以在面臨實際問題的時候利用所學(xué)理論分析問題并設(shè)計解決方案的人才[5]。換句話說，人工智能專業(yè)致力于培養(yǎng)出既掌握專業(yè)理論又能解決實際問題的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，人工智能專業(yè)的本科教學(xué)需要從以下兩方面加強：

（一）夯實理論基礎(chǔ)

人工智能已經(jīng)融入人類社會的很多領(lǐng)域，因此人工智能領(lǐng)域所面臨的問題也是千變?nèi)f化。人工智能在解決這些復(fù)雜、抽象問題的時候，需要利用各種數(shù)學(xué)工具對這些問題進(jìn)行形式化描述。當(dāng)前人工智能的核心是機器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)，在計算機學(xué)科中，這二者對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的要求是比較高的。因此，對于人工智能本科專業(yè)的學(xué)生，需要加強他們的數(shù)學(xué)建模能力和邏輯思維能力。這兩種能力是學(xué)好人工智能的基礎(chǔ)。

（二）增加實踐經(jīng)驗

人工智能專業(yè)實踐的重要性不容置疑。實踐是人工智能專業(yè)學(xué)生接觸人工智能系統(tǒng)，并訓(xùn)練如何將所學(xué)基礎(chǔ)理論應(yīng)用于實際問題的重要教學(xué)手段。將理論知識應(yīng)用于實踐是人工智能學(xué)習(xí)的關(guān)鍵步驟。抽象的、復(fù)雜的人工智能理論知識使得學(xué)習(xí)過程比較枯燥[6]，實踐環(huán)節(jié)可以一定程度地解決這一問題。將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐中，在實踐中鞏固所學(xué)知識，理論與實踐互為作用，是掌握人工智能專業(yè)技能的有效途徑?？偟膩碚f，理論要與實踐有效融合起來，通過實踐提高經(jīng)驗，才能真正學(xué)好人工智能，并且用好人工智能。

二、基于OBE的圖論課程大綱修訂

針對人工智能專業(yè)目標(biāo)，將OBE理念融入圖論課程大綱修訂具有重要意義。OBE理念聚焦全體學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。為了提升圖論課程的學(xué)習(xí)效果，在圖論課程大綱的設(shè)計中，需要考慮以下幾方面因素：首先，將世界發(fā)展趨勢、國家戰(zhàn)略目標(biāo)以及社會需求等方面綜合起來，分析外界對人才的需求；然后，確定合理的圖論課程培養(yǎng)目標(biāo)，再根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)有針對性地制定畢業(yè)要求，同時要制定一些指標(biāo)點來量化畢業(yè)要求；最后，以指標(biāo)點為依據(jù)，設(shè)計相應(yīng)的課程體系。此外，在制定圖論課程大綱時，還需要考慮圖論在整個人工智能專業(yè)課知識體系中承上啟下的作用。對圖論課程教學(xué)大綱的修訂，也可以使參與教師更加深入地理解如何開展圖論課程以取得更好的教學(xué)效果，將“以學(xué)生為中心的教學(xué)”這一OBE理念核心真正地應(yīng)用于圖論課程的教學(xué)全過程中。

對圖論課程大綱的修訂主要分為以下三個方面：一，梳理圖論課程目標(biāo)對人工智能專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的支撐；二，明晰圖論課程有哪些教學(xué)（實踐）重難點，以及重難點的講解方案設(shè)計思路；三，課程的考核對于實現(xiàn)OBE理念中的“持續(xù)改進(jìn)”是至關(guān)重要的，因此還須關(guān)注課程考核方案的設(shè)計。

2.進(jìn)行專業(yè)策劃，體現(xiàn)高水準(zhǔn)。組織大型電視活動，其專業(yè)化的素質(zhì)與追求是必不可少的，這是頻道專業(yè)品質(zhì)和專業(yè)資質(zhì)在大型活動中的體現(xiàn)和彰顯。為強化頻道在這一行業(yè)、領(lǐng)域的“話語權(quán)”，組織活動前一定要進(jìn)行精心策劃，要找到這一行業(yè)、領(lǐng)域的主管職能部門作為顧問單位或支持單位，邀請這一行業(yè)、領(lǐng)域的權(quán)威專家、學(xué)者、記者等一同參與活動，體現(xiàn)活動的專業(yè)水準(zhǔn)和專業(yè)影響，比如央視的《漢字聽寫大會》。鄂州廣電辦欄目可以借鑒這一模式，借力打造品牌，提升欄目和影響力。

（一）課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐

課程目標(biāo)是課程開展前制定的教學(xué)方向和預(yù)期效果的行動指引。換句話說，課程目標(biāo)是指通過課程的實施所要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)和目的。課程目標(biāo)被確定之后，根據(jù)OBE理念的反向推導(dǎo)思路，設(shè)計實現(xiàn)課程目標(biāo)所需的教學(xué)活動。圖論課程對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求是能夠?qū)嶋H問題進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象與建模，熟練使用算法對問題進(jìn)行分析并解決。根據(jù)上述要求，通過人工智能專業(yè)中的圖論課程的教學(xué)和自主學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)取得如下學(xué)習(xí)成果。

課程目標(biāo)1：理論和知識方面。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能較系統(tǒng)地掌握圖論的基本理論和基本算法，學(xué)會用圖論的語言來描述現(xiàn)實世界中的某些定性和定量的關(guān)系，并用圖論的方法加以解決。

課程目標(biāo)2：能力和技能方面。培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)實世界中離散對象的結(jié)構(gòu)和關(guān)系的表述能力、邏輯推理能力、用圖論方法分析問題和解決問題的能力，以及算法有效性和可行性的意識。

這兩個課程目標(biāo)與該專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)要求之間的關(guān)系如表1：

表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系

（二）基于OBE的課程重難點講解方案設(shè)計

課程重難點是影響教學(xué)目標(biāo)完成度的關(guān)鍵因素。在圖論課程大綱的修訂過程中，需要明晰課程重難點。作為一門兼具理論與實踐兩方面特性的人工智能專業(yè)基礎(chǔ)課，圖論課程的理論教學(xué)重點是讓學(xué)生在了解圖論知識背景的基礎(chǔ)上，逐步掌握圖論的基本概念和理論知識，掌握圖論中各個主題內(nèi)容基本思想、應(yīng)用方法及適用范圍，發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)思維水平，提高學(xué)生邏輯推理能力。實踐教學(xué)重點是訓(xùn)練學(xué)生如何通過提出問題，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計算法來利用這些數(shù)學(xué)模型的綜合能力，使學(xué)生能夠運用圖論的基本原理、方法分析和解決軟件工程中的實際問題。

定理的證明是圖論課程的教學(xué)重點之一，也是難點之一。根據(jù)OBE“從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心”理念，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力是教學(xué)效果的重要部分，而理解圖論定理的證明過程可以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和邏輯思維能力。但是從在線教學(xué)的學(xué)生反饋結(jié)果來看，沒有老師對學(xué)習(xí)內(nèi)容的實時解讀，學(xué)生自主理解圖論定理的結(jié)果很不理想，只能了解定理證明的具體內(nèi)容，達(dá)到似乎明白的程度。很明顯，這種沒有思考和探索的學(xué)習(xí)過程，在遇到同類的新問題時就難以解決。

針對在線教學(xué)中的這一理論教學(xué)難點，本文提出以下解決方案：

1.吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師在講解定理的時候，首先介紹該定理被提出的時代背景和定理作者的相關(guān)軼事，以及該定理是什么問題的抽象描述，最后說明該定理的提出有什么學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值，來成功激發(fā)學(xué)生的興趣。比如，通過視頻或圖片展示定理背景，利用故事邏輯來搭建定理的講述邏輯。這種引入背景—分析問題—解決問題的探索方式，可以成功提升學(xué)生對定理及證明的學(xué)習(xí)效果，還可以引導(dǎo)學(xué)生主動去探索所學(xué)知識，達(dá)到了OBE理念的從以教師為主體向以學(xué)生為主體的轉(zhuǎn)變。

2.化繁為簡，深入淺出

圖論課程常常會涉及一些定理證明過程。圖論定理的證明過程很多時候會使用一些技巧，學(xué)生在理解上具有一定的難度。因此，教師要提前梳理好講解思路，盡量將抽象的、不好理解的證明過程用比喻或者易懂的方式講解出來。然而，在線教學(xué)仍然受制于當(dāng)前存在的許多短板，限制了教學(xué)效果的取得。比如，計算機設(shè)備無法像黑板一樣方便展示推導(dǎo)過程，會增加定理證明過程的理解難度，教師可以使用數(shù)位板等計算機外設(shè)來模擬黑板板書講解過程以解決這一問題。

圖論算法是課程的實踐重難點，體現(xiàn)在兩方面：一方面是算法思路的理解具有難度，比如佛羅萊（Fleury）算法。佛羅萊算法的主要思路是“避割邊行走”，而這個“割邊”理解起來是有難度的，特別是在佛羅萊算法中，該割邊并不是針對目標(biāo)圖的初始狀態(tài)而言的；另一方面是算法實踐具有難度，主要在于問題的設(shè)計。問題的設(shè)計需要考慮到測試算法的適用性，如果存在若干個類似的算法，還需要考慮所設(shè)計的問題能否區(qū)分出測試算法的差異。這兩方面無疑為圖論課程的在線教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。

針對在線教學(xué)中的這一實踐教學(xué)難點，本文提出以下解決方案：

（1）OBE理念強調(diào)以學(xué)生為中心，教師在講解算法思路的時候，可以先給出一個生動有趣的案例，來激發(fā)學(xué)生探索的興趣。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生們一起把算法應(yīng)用在這個案例上，每一個中間步驟，每一個中間結(jié)果，都務(wù)必引導(dǎo)學(xué)生自主地理解。同時，要將算法的重難點、易錯點等凸顯出來。

（2）OBE理念強調(diào)教學(xué)的產(chǎn)出。教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法實踐的時候，根據(jù)所測試算法的特點，提前設(shè)計出目標(biāo)問題。此外，所設(shè)計的實踐問題應(yīng)該具有緊密聯(lián)系國家戰(zhàn)略、社會需求、重點產(chǎn)業(yè)和輿論熱點等領(lǐng)域的特點，可以提高學(xué)生們求解問題的使命感，增加問題解決方案的應(yīng)用價值。

（三）基于OBE的課程考核方式設(shè)計

課程考核可以清晰地展示教學(xué)效果，一直被廣泛地應(yīng)用于各類教學(xué)中。實現(xiàn)課程目標(biāo)和使學(xué)生理解課程重難點的重要方式就是課程考核，設(shè)計具有針對性與綜合性的考核具有重要作用。考核內(nèi)容應(yīng)該全面地兼顧學(xué)生的理論與實踐兩方面。學(xué)生可以利用考核結(jié)果對自己的學(xué)習(xí)不足進(jìn)行補充，同時也可以對自己的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行改進(jìn)。老師應(yīng)在考核過程中對學(xué)生起到引導(dǎo)作用，這樣能幫助學(xué)生不斷進(jìn)步，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

考核內(nèi)容要覆蓋課程學(xué)習(xí)的主要步驟。首先，是對復(fù)習(xí)步驟的考核。在課堂的開始，教師可以采用問問題的方式帶領(lǐng)學(xué)生回顧重點。比如，用一道針對上一講學(xué)習(xí)重點的題目來考核學(xué)生對該模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握程度；其次，是對預(yù)習(xí)內(nèi)容的考核。教師可以提出一個具有啟發(fā)性的問題，根據(jù)學(xué)生的反饋來考查學(xué)生對本次課程內(nèi)容的預(yù)習(xí)效果；再者，將作業(yè)應(yīng)用于階段性考核。比如，教師用大約四次的平時作業(yè)來檢測學(xué)生的階段學(xué)習(xí)成果；最后，期末考核檢驗總體學(xué)習(xí)效果。期末考核一般采用閉卷考試的方式，試卷的內(nèi)容要涉及大部分的所學(xué)內(nèi)容，特別是重難點知識的考查，分?jǐn)?shù)的劃分還要考慮到不同章節(jié)的知識點分布情況。

OBE理念要求教學(xué)效果要能持續(xù)改進(jìn)。因此，上述各階段的考核方法能夠及時反饋學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)效果，同時能夠使得教師在后續(xù)教學(xué)過程中持續(xù)改進(jìn)。例如，預(yù)習(xí)考核的結(jié)果，可以當(dāng)場將學(xué)生對知識點的了解情況反饋給教師。如果學(xué)生因為某些原因沒有實現(xiàn)理想的預(yù)習(xí)效果，教師可以采用適當(dāng)?shù)卦黾又v解知識重點的時間、增加課堂練習(xí)的次數(shù)、對那些預(yù)習(xí)考核結(jié)果不理想的同學(xué)進(jìn)行重點課堂互動等方式來提升教學(xué)效果。復(fù)習(xí)考核結(jié)果則可以指導(dǎo)教師在布置課后練習(xí)的時候，重點布置那些復(fù)習(xí)效果不理想的知識點。

OBE理念提出學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)導(dǎo)向這一觀點。教師在教學(xué)過程中所扮演的角色就是引領(lǐng)學(xué)生完成自己的既定目標(biāo)。在這一過程中，學(xué)生獲得的不僅僅是書本上的知識，更是一種對自己能力的鍛煉與提升。教學(xué)過程中的重難點，就是學(xué)生在目標(biāo)導(dǎo)向完成過程中需要掌握的知識和鍛煉的技能，目標(biāo)導(dǎo)向能夠讓學(xué)生獲得“真實學(xué)習(xí)經(jīng)驗”，這樣使得學(xué)生鍛煉的能力不只是記憶書本知識的能力，更是可以應(yīng)用于未來生活中的能力。

結(jié)語

圖論課程是人工智能專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)部分專業(yè)課程的先修課程，在線上教學(xué)需求增加的時候，對圖論課程進(jìn)行教學(xué)改革具有重要意義。本文從OBE視角進(jìn)行圖論課程的課程大綱修訂、重難點知識講解方案設(shè)計和課程考核方式的探討。根據(jù)OBE理念，教學(xué)改革應(yīng)不斷地、持續(xù)地進(jìn)行，以期得到更好的教學(xué)效果。同時，教育過程從以教師為主體向以學(xué)生為主體的轉(zhuǎn)變，也強調(diào)了如何幫助學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識。強調(diào)目標(biāo)導(dǎo)向的OBE理念，持續(xù)地促進(jìn)教學(xué)改革和幫助學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。將OBE理念引入人工智能專業(yè)的教學(xué)活動中，可以更好地結(jié)合學(xué)科發(fā)展趨勢和國家發(fā)展戰(zhàn)略，為社會輸送邏輯思維能力好、解決科學(xué)問題能力強的復(fù)合型科技人才。