Python人工智能應(yīng)用課程的教學(xué)改革與實(shí)踐探析

岳洪偉，樊亞妮，張輝，邢鳳闖

（廣東第二師范學(xué)院 物理與信息工程系，廣東 廣州 510303)

人工智能課程作為一門涉及多學(xué)科領(lǐng)域的交叉性學(xué)科，其應(yīng)用遍及通信、工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)器人、科學(xué)可視化等諸多領(lǐng)域。人工智能課程對(duì)理論和實(shí)踐都有著較高的要求，不論在科學(xué)研究中還是生產(chǎn)實(shí)踐中，兩者的結(jié)合非常密切。所以在教學(xué)中一方面需要通過理論教學(xué)來提高學(xué)生的理論知識(shí)水平，另一方面也需要進(jìn)行理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過實(shí)踐操作來滿足教學(xué)要求[1]。對(duì)于人工智能課程，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法來講授抽象的理論和煩瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，普通高等院校的學(xué)生很難深入理解概念和算法的物理含義。傳統(tǒng)的教學(xué)方式讓公式推導(dǎo)更加枯燥無味，學(xué)習(xí)積極性的缺少使得整體的教學(xué)效果低下。

提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，這對(duì)于當(dāng)前推進(jìn)工科學(xué)生教育，建設(shè)國(guó)家創(chuàng)新體系有著重要意義[2]。在新工科建設(shè)背景下[3-4]，如何有效提高人工智能課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)和提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)、獨(dú)立分析的能力，并逐步加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力是一項(xiàng)具有重要意義的工作。信息技術(shù)為高等教育教學(xué)改革提供了新的路徑，孵化了新的教學(xué)理念。信息化環(huán)境的開放性、交互性、共享性、協(xié)作性和自主性,為高校打造高品質(zhì)教學(xué)資源提供了新的手段[5-6]。目前各個(gè)高等學(xué)校都在充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)工具改進(jìn)已有的教學(xué)方式，以先進(jìn)的教育理念為指導(dǎo)，打破傳統(tǒng)的課程建設(shè)模式，打造面向在校師生與社會(huì)學(xué)習(xí)者的、資源充分開放的課程資源，以發(fā)展學(xué)生自主探究意識(shí)，充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)興趣與能力。

因此，為了使學(xué)生更好地掌握人工智能課程，畢業(yè)后能夠利用課程知識(shí)在公司、企業(yè)、研究所等部門從事相關(guān)工作，本文從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源構(gòu)建上對(duì)課程進(jìn)行改革實(shí)踐，結(jié)合先進(jìn)的教學(xué)手段和教學(xué)方法來改善該課程的教學(xué)質(zhì)量，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)好該課程。

1 授課內(nèi)容和方法的調(diào)整

目前本校的Python 人工智能應(yīng)用課程是32 個(gè)授課學(xué)時(shí)，如果想在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生把基本理論和實(shí)踐能力構(gòu)建起來非常困難。如何讓學(xué)生理解基本的人工智能理論，同時(shí)具有一定的實(shí)踐操作能力，就對(duì)教師的教學(xué)提出了很高的要求。本文首先從以下角度入手對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行探討。

1) 講述人工智能的內(nèi)涵，闡述機(jī)器視覺、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)之間的關(guān)系，讓學(xué)生建立宏觀的知識(shí)架構(gòu)。如果僅僅關(guān)注本課的教學(xué)內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)的講解，而不能將本課知識(shí)點(diǎn)放到整個(gè)知識(shí)體系中予以考慮，會(huì)使得學(xué)生只見樹木不見森林，無法真正有效地建構(gòu)起結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，不利于學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展和思維的提升。當(dāng)面對(duì)不同的技術(shù)要求時(shí)，學(xué)生往往無法進(jìn)行舉一反三。

2) 通過對(duì)案例進(jìn)行對(duì)比分析，讓學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)之間的演進(jìn)路徑。比如可以通過案例法講解監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)之間的區(qū)別和聯(lián)系。這樣可以避免知識(shí)點(diǎn)的破碎，讓學(xué)生整體認(rèn)識(shí)這些方法在數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3) 削弱部分公式推導(dǎo)，利用具有交互計(jì)算功能的應(yīng)用軟件，在授課過程中對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)和結(jié)果展示，減少學(xué)生學(xué)習(xí)的難度[7-8]。由于技術(shù)的發(fā)展日新月異，原有大綱使用的軟件在課堂上沒有較好的直觀展示性。本課程可以通過Jupyter Notebook 軟件進(jìn)行演示操作，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。例如，當(dāng)講解梯度下降算法知識(shí)點(diǎn)時(shí)，利用Jupyter Notebook 軟件可以直觀演示步長(zhǎng)參數(shù)對(duì)極值點(diǎn)求解的影響。其中梯度下降求解極點(diǎn)過程如圖1所示。通過這樣的例子，有助于讓學(xué)生理解公式中的參數(shù)對(duì)數(shù)值求解的影響，明白調(diào)參的重要性。進(jìn)而可以講述梯度下降算法的變體——?jiǎng)恿刻荻认陆捣?。這樣即使學(xué)生沒有理解公式推導(dǎo)過程，也可以讓學(xué)生理解該知識(shí)點(diǎn)的功能。特別是對(duì)于部分難以理解的概念和公式，可以利用該軟件平臺(tái)進(jìn)行直觀認(rèn)識(shí)，因?yàn)樵撥浖梢宰寣W(xué)生直接看到處理結(jié)果，增強(qiáng)對(duì)公式的理解和認(rèn)識(shí)。

圖1 梯度下降求解過程

4) 根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)確定對(duì)應(yīng)的知識(shí)模塊、講授內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)策略、學(xué)生應(yīng)達(dá)到的實(shí)驗(yàn)技能和能力。教學(xué)內(nèi)容將明確教師的教學(xué)策略，通過多種教學(xué)方式提高教學(xué)的時(shí)效性；明確每一授課內(nèi)容可使學(xué)生達(dá)到怎樣的技能目標(biāo)和能力目標(biāo)。

5) 人工智能課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以分為基礎(chǔ)知識(shí)類實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)兩大模塊。基礎(chǔ)知識(shí)類實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)教材內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在鞏固和檢查學(xué)生掌握的課堂理論知識(shí)。例如，在機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)類實(shí)驗(yàn)中，可以通過編寫代碼來實(shí)現(xiàn)常見的分類算法，如決策樹、樸素貝葉斯等，并評(píng)估它們的分類效果。此外，還可以設(shè)計(jì)一些小型任務(wù)，如手寫數(shù)字識(shí)別、垃圾郵件過濾等，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)主要是通過工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在讓學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程問題中去。例如，在房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)項(xiàng)目中，可以將整個(gè)項(xiàng)目分解成多個(gè)小任務(wù)，如數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)可視化、特征提取、模型構(gòu)建等，并指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中逐步完成每個(gè)小任務(wù)。通過這樣的方式，學(xué)生可以更深入地理解回歸、數(shù)據(jù)維度、數(shù)據(jù)中心化（標(biāo)準(zhǔn)化）、分類算法、特征提取等知識(shí)點(diǎn)，并了解到這些知識(shí)點(diǎn)可以直接應(yīng)用于真實(shí)場(chǎng)景中?？傮w來說，基礎(chǔ)知識(shí)類實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)都是人工智能課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分。通過這兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)K的有機(jī)結(jié)合，可以幫助學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)和實(shí)踐技能，為未來的職業(yè)發(fā)展做好準(zhǔn)備。

3 關(guān)于課程學(xué)習(xí)的遠(yuǎn)程支持服務(wù)搭建

課程學(xué)習(xí)的遠(yuǎn)程支持服務(wù)可以讓教師向?qū)W生提供作業(yè)批改、講解課程內(nèi)容、制定任務(wù)計(jì)劃和答疑討論等內(nèi)容。當(dāng)下為遠(yuǎn)程課程學(xué)習(xí)提供支持服務(wù)的包括學(xué)校、公司，也包括教師個(gè)人[9]。本文對(duì)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)支持服務(wù)情況進(jìn)行了綜合歸納，如圖2所示。遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)支持服務(wù)通常需要向?qū)W生提供師資簡(jiǎn)介、課程內(nèi)容簡(jiǎn)介、包含影音資料以及課件的課程輔助資源和交流與互動(dòng)等功能。這樣學(xué)生可以下載影音資料與課件，同時(shí)彼此之間也可通過記錄筆記與討論進(jìn)行交流。

圖2 遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)服務(wù)支持情況

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展的背景下，高校教學(xué)支持環(huán)境也面臨著變更調(diào)整。微信作為一種移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用產(chǎn)品，擁有9億多用戶，具有發(fā)送語音短信、視頻、圖片和文字等功能[10-11]?；诖罅繉W(xué)生成為微信用戶的情況，為順應(yīng)時(shí)代和技術(shù)發(fā)展，本文提出利用微信環(huán)境構(gòu)建教學(xué)公眾平臺(tái)的思路。在微信的教學(xué)平臺(tái)，教師通過教學(xué)平臺(tái)提供了以下模塊：學(xué)習(xí)資料模塊、教學(xué)活動(dòng)組織模塊、作業(yè)模塊和答疑交互模塊，如圖3 所示。利用該平臺(tái)，學(xué)生可以檢查學(xué)習(xí)資源的更新，隨時(shí)查看任務(wù)列表、學(xué)習(xí)資料和測(cè)試資料，及時(shí)地與他人交流。

圖3 基于微信環(huán)境的教學(xué)平臺(tái)示意圖

本文通過微信平臺(tái)框架，搭建微信學(xué)習(xí)平臺(tái)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)模式。教師可以使用這些微信功能組織適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)活動(dòng)，參與者可以分享有關(guān)教學(xué)的聲音信息，具體的交互式模型如圖4所示。學(xué)生可以通過該平臺(tái)進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，本公眾號(hào)可以讓學(xué)生非正式學(xué)習(xí)常態(tài)化，為提高教學(xué)互動(dòng)性提供了一個(gè)移動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境。

圖4 基于微信公眾平臺(tái)的交互式模型

通過該微信教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以進(jìn)行對(duì)話和群討論，可以實(shí)時(shí)交流也可以留言。教師通過群聊、群發(fā)功能向?qū)W生發(fā)送關(guān)于本課程的知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)問題、學(xué)習(xí)資源。從圖4中可以看出，參與者可以對(duì)聲音信息、視頻信息、圖文信息、鏈接地址等進(jìn)行分享。該微信教學(xué)平臺(tái)的互動(dòng)功能也讓學(xué)生彼此之間進(jìn)行思想的碰撞，分享彼此的理解和解決問題的角度，有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)面和創(chuàng)造力。

4 面臨的問題和解決方案

通過對(duì)近年來本專業(yè)學(xué)生關(guān)于人工智能課程的考試成績(jī)分析可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的考試成績(jī)有著明顯變化，2022 級(jí)和2023 級(jí)學(xué)生的上課積極性有著明顯不同。但是本課程也面臨著一些問題，本文從以下幾個(gè)方面分析。

1) 利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)可以提供豐富的教學(xué)資源和互動(dòng)社區(qū)，讓學(xué)生們隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流。經(jīng)過實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，利用現(xiàn)代教育技術(shù)在人工智能課程中取得了一些教學(xué)成果。然而，我們也需要看到人工智能課程中仍面臨的一些挑戰(zhàn)和限制。例如，人工智能技術(shù)的更新速度非常快，如果教材和教學(xué)方法不能及時(shí)跟進(jìn)，則可能會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；另外，由于人工智能領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用非常廣泛，單一的課程難以涵蓋所有方面，因此需要針對(duì)不同的學(xué)生需求設(shè)計(jì)不同的教學(xué)內(nèi)容和方式。因此，在利用現(xiàn)代教育技術(shù)進(jìn)行人工智能課程教學(xué)時(shí)，我們需要注重教學(xué)方法的創(chuàng)新和更新，以適應(yīng)快速變化的技術(shù)和學(xué)生的多樣化需求。

2) 教學(xué)改革的中心內(nèi)容是如何讓“教師教得更好、學(xué)生學(xué)得更好”。交互計(jì)算的應(yīng)用軟件可以通過圖像、動(dòng)畫、模擬等方式來呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生們更好地理解和掌握相關(guān)內(nèi)容。當(dāng)然，使用交互計(jì)算的應(yīng)用軟件也存在一些挑戰(zhàn)和限制。例如，這些軟件往往需要較高的技術(shù)門檻，如果學(xué)生缺乏必要的計(jì)算機(jī)操作技能，則可能無法充分利用這些工具；另外，這些軟件可能會(huì)對(duì)教師的教學(xué)方式和內(nèi)容產(chǎn)生一定的影響，需要教師們適時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和方法?？傊媒换ビ?jì)算的應(yīng)用軟件可以有效地促進(jìn)教師和學(xué)生之間的互動(dòng)與合作，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3) 培養(yǎng)目標(biāo)是人工智能課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它可以幫助教師確定學(xué)生應(yīng)該掌握的技能和能力。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，教師可以設(shè)計(jì)一系列與之相符合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生可以將各知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，從而更好地理解課程涉及的各個(gè)功能。例如，通過機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過構(gòu)建分類、回歸等機(jī)器學(xué)習(xí)模型，了解機(jī)器學(xué)習(xí)算法的基本原理和應(yīng)用場(chǎng)景；通過深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)算法的原理和應(yīng)用。當(dāng)然，設(shè)計(jì)人工智能課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容也存在一定的挑戰(zhàn)和限制。例如，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備和軟件的要求較高，需要投入大量的資源和精力；另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要不斷更新和優(yōu)化，以適應(yīng)人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展和變化。因此，教師需要不斷地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)，以提高課程的實(shí)用性和教學(xué)效果，為學(xué)生的職業(yè)發(fā)展和未來的研究奠定良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

工科課程往往存在實(shí)踐教學(xué)薄弱的問題，為了提升Python人工智能應(yīng)用課程的教學(xué)效果，文章從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源上探討了工科院校人工智能課程教學(xué)改革，分析了如何在有限學(xué)時(shí)的限制下，強(qiáng)化學(xué)生的感性認(rèn)知，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)者的能動(dòng)性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解能力，進(jìn)一步提升人工智能課程的教學(xué)效果。隨著人工智能技術(shù)的普及，未來社會(huì)對(duì)學(xué)生綜合能力的要求不斷提高，普通高等院校只有緊跟市場(chǎng)發(fā)展需求，提升學(xué)生的實(shí)踐能力，才能為國(guó)家提供更多的人才。