面向智能交通的人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

黃曉輝 熊李艷 喻 佳 曾 輝

（華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院 江西南昌 330013）

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)在制造、交通、金融、通信等各行各業(yè)中的廣泛運(yùn)用，人工智能系統(tǒng)已經(jīng)成為社會(huì)、企業(yè)、個(gè)人日常生活的基礎(chǔ)性資源，為社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)巨大的價(jià)值[1]。因此，國(guó)家對(duì)人工智能技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)越來(lái)越重視。2017年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，引導(dǎo)高校聚焦科技前沿技術(shù)，提高人工智能領(lǐng)域的創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和項(xiàng)目落實(shí)等能力，為我國(guó)新一代人工智能發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。在人工智能領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中，主要體現(xiàn)為人才的競(jìng)爭(zhēng)。然而，我國(guó)人工智能人才缺口超過(guò)500萬(wàn)，供求比率達(dá)到1：10[2]。為了配合國(guó)家人工智能發(fā)展戰(zhàn)略，滿足人工智能高速發(fā)展過(guò)程中的人才需求，2018年，教育部研究制定了《高等學(xué)校引領(lǐng)人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，并鼓勵(lì)各大高校設(shè)立人工智能專業(yè)，進(jìn)一步完善中國(guó)高校人工智能學(xué)科體系。

然而，人工智能課程作為人工智能專業(yè)的基礎(chǔ)課程，現(xiàn)有的人工智能教學(xué)內(nèi)容非常龐雜、理論性較強(qiáng)，缺乏與學(xué)校或?qū)I(yè)定位相關(guān)設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)范例，容易使學(xué)生感覺(jué)人工智能課程過(guò)于理論和抽象，缺乏實(shí)際用途，本質(zhì)上不是以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，并持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)方式[3]。針對(duì)該問(wèn)題，以下結(jié)合我校專業(yè)定位，提出了面向智能交通的人工智能課程設(shè)計(jì)思路，給出課程具體設(shè)計(jì)，并且介紹了教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。

一、專業(yè)定位與課程教學(xué)

越來(lái)越多高校設(shè)立人工智能學(xué)院和開設(shè)人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)專業(yè)，因此，急需研究一種適合各高校定位或行業(yè)特色的人工智能課程的教學(xué)方法。然而，傳統(tǒng)的人工智能教學(xué)方法仍然存在很多急需解決的問(wèn)題[4]，主要表現(xiàn)為：傳統(tǒng)方法主要以教師傳授知識(shí)點(diǎn)為重點(diǎn)，缺乏面向?qū)W生為中心的課程架構(gòu)設(shè)計(jì)；課堂教學(xué)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的脫節(jié)，缺乏以產(chǎn)出為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)機(jī)制以及方法；人工智能技術(shù)迭代更新非?？欤瑐鹘y(tǒng)教學(xué)方法缺乏對(duì)課程知識(shí)架構(gòu)、評(píng)價(jià)方式等方面的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制以適應(yīng)快速的技術(shù)迭代；課程內(nèi)容設(shè)計(jì)缺乏與學(xué)校專業(yè)定位相結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)基本千篇一律。

本教學(xué)改革主要圍繞以下目標(biāo)：①以工程教育認(rèn)證模式為標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際問(wèn)題為基礎(chǔ)上，為人工智能課程設(shè)計(jì)以產(chǎn)出為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)機(jī)制以及方法，同時(shí)能夠適應(yīng)于人工智能技術(shù)快速迭代的特點(diǎn)，能夠在知識(shí)架構(gòu)和評(píng)價(jià)方式上進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。②融入思政元素，使學(xué)生理解人工智能道德在整個(gè)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用，激發(fā)學(xué)生的工程倫理意識(shí)。③緊扣行業(yè)發(fā)展需求，以現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等多門學(xué)科的交叉融合，探討培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的教學(xué)方法。

我校的定位是以交通為特色，各專業(yè)主要圍繞著交通行業(yè)進(jìn)行學(xué)科建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生也是主要面向交通行業(yè)方向就業(yè)。因此，落實(shí)到各門課程的教學(xué)上，也盡量與交通行業(yè)相結(jié)合，教學(xué)案例主要以交通為背景。而人工智能可以運(yùn)用到交通行業(yè)的方方面面。為此，本教學(xué)改革實(shí)踐打破了傳統(tǒng)的單純以知識(shí)點(diǎn)傳授的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越煌楸尘?，以?xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的人工智能教學(xué)方式。

二、面向智能交通的人工智能課程設(shè)計(jì)

結(jié)合交通行業(yè)和人工智能課程特點(diǎn)，依據(jù)工程認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)，本課題將人工智能課堂教學(xué)與交通行業(yè)案例有機(jī)結(jié)合的方式，制定符合高?，F(xiàn)狀的教學(xué)實(shí)施優(yōu)化方案。具體來(lái)說(shuō)，課程設(shè)計(jì)流程包含四部分：交通行業(yè)與人工智能課程特點(diǎn)研究、課程教學(xué)框架設(shè)計(jì)、教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐、效果評(píng)價(jià)以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。各部分的關(guān)系如圖1所示，其中總結(jié)和研究交通行業(yè)和人工智能課程特點(diǎn)以及該課程在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)和人工智能專業(yè)中的位置是課程開展的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行課程教學(xué)的框架設(shè)計(jì)，包含理論課程和教學(xué)案例設(shè)計(jì)，然后總結(jié)出課程教學(xué)的課件。在教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐中，需要組織課程教學(xué)，并安排項(xiàng)目組根據(jù)課程教學(xué)與討論組織項(xiàng)目研發(fā)。通過(guò)教學(xué)效果和項(xiàng)目運(yùn)行效果對(duì)整個(gè)課程進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后，總結(jié)教學(xué)和項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，修正課程和項(xiàng)目設(shè)計(jì)（圖1）。

圖1 面向智能交通的人工智能課程設(shè)計(jì)流程

1.課程教學(xué)框架設(shè)計(jì)

人工智能的課程教學(xué)框架包含理論課程和項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)。在每一個(gè)知識(shí)模塊或知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，探索以解決交通問(wèn)題的案例為導(dǎo)入方式，總結(jié)出整個(gè)課程的課件。課程主要包含的內(nèi)容見(jiàn)表1所列。對(duì)于每個(gè)主要模塊都設(shè)計(jì)一個(gè)與交通相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生思想如何解決現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜工程問(wèn)題。

第2章主要涉及人工智能中的知識(shí)表示，在項(xiàng)目實(shí)踐中，重點(diǎn)講述有關(guān)交通中各種特征以及狀態(tài)信息如何用人工智能的知識(shí)表示方法來(lái)刻畫。第3和4章，主要講述人工智能中的搜索問(wèn)題，該問(wèn)題與智能交通中的最優(yōu)路徑推薦問(wèn)題密切相關(guān)。因此，實(shí)踐項(xiàng)目是交通路徑的最優(yōu)化推薦。第5章主要闡述實(shí)驗(yàn)人工智能的核心方法——機(jī)器學(xué)習(xí)，重點(diǎn)介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念以及最基本的方法，實(shí)踐項(xiàng)目是利用機(jī)器學(xué)習(xí)的基本方法來(lái)預(yù)測(cè)交通流量。第6章進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)中進(jìn)階的方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；在實(shí)踐項(xiàng)目中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)改進(jìn)第5章中的交通流量預(yù)測(cè)的精度。接下來(lái)，第7章講述人工智能中另一類重要問(wèn)題：強(qiáng)化學(xué)習(xí)；并利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)解決智能交通中的共享單車和網(wǎng)約車的調(diào)度問(wèn)題。在最后一章中，綜合前面所學(xué)的知識(shí)和項(xiàng)目實(shí)踐架構(gòu)出一個(gè)共享單車服務(wù)平臺(tái)或者網(wǎng)約車服務(wù)平臺(tái)，見(jiàn)表1所列。

表1 面向智能交通的人工智能課程安排

2.以產(chǎn)出為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)

教學(xué)效果評(píng)價(jià)對(duì)教學(xué)活動(dòng)開展發(fā)揮著重要的引導(dǎo)作用，是鼓勵(lì)教學(xué)方法改革，提高教學(xué)效果的重要手段。建立基于產(chǎn)出的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)體系是推動(dòng)高校課堂教學(xué)改革和提升教師教育教學(xué)能力的重要手段。本教學(xué)改革的效果評(píng)價(jià)包含課堂教學(xué)評(píng)價(jià)和項(xiàng)目運(yùn)行評(píng)價(jià)。課堂教學(xué)效果評(píng)價(jià)通過(guò)學(xué)生評(píng)教、學(xué)生成績(jī)，以及與歷屆學(xué)生教學(xué)效果的眾向?qū)Ρ韧瓿伞?/p>

學(xué)生的復(fù)雜問(wèn)題解決能力通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要的評(píng)價(jià)內(nèi)容包含項(xiàng)目的需求分析報(bào)告會(huì)，項(xiàng)目成本分析、項(xiàng)目市場(chǎng)及盈利分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告會(huì)、項(xiàng)目開發(fā)討論會(huì)，核心算法準(zhǔn)確率評(píng)測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)測(cè)以及項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。評(píng)價(jià)方式主要采用組內(nèi)自評(píng)、組間互評(píng)、教師評(píng)價(jià)、機(jī)器評(píng)價(jià)等方式。組內(nèi)自評(píng)主要針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部模塊或系統(tǒng)的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行評(píng)價(jià)。這部分除了開發(fā)人員外，其他人員較難理解。組間互評(píng)主要針對(duì)系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行評(píng)測(cè)。教師可以參與任何階段的評(píng)測(cè)，但主要精力集中在總結(jié)模塊和核心方法模塊上。機(jī)器則主要評(píng)價(jià)一些可定量化的指標(biāo)，如精度、速度等。

3.持續(xù)改進(jìn)

缺乏有效的總結(jié)和反思，不僅影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的深層理解，以及教學(xué)目標(biāo)的最終達(dá)成，也不利于教師進(jìn)行教學(xué)重新設(shè)計(jì)，影響教學(xué)水平提高。持續(xù)改進(jìn)是通過(guò)總結(jié)課堂教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中的成功和失敗做法，并提出針對(duì)性的改進(jìn)措施。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可以把教師和學(xué)生看成合作學(xué)習(xí)的共同體，通過(guò)共同體中教師與學(xué)生的成功分享、失敗總結(jié)，實(shí)現(xiàn)合作學(xué)習(xí)和共同提高。

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生不但能獲得能力培養(yǎng)，還能在團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、工程認(rèn)知、企業(yè)需求和環(huán)境認(rèn)知等方面形成一定的認(rèn)知能力。為此，需要在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，反思教學(xué)和項(xiàng)目中的問(wèn)題，然后重新修改課程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高人工智能課程的教學(xué)水平，并給其他類似課程提供參考依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文介紹了一種結(jié)合學(xué)校專業(yè)定位課程教學(xué)方式：面向智能交通的人工智能教學(xué)改革課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，包含課堂教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐兩部分。并且，在此基礎(chǔ)上，介紹了本教學(xué)改革的評(píng)價(jià)方式和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。