面向新工科的人工智能基礎(chǔ)課程教學(xué)改革實踐探究

余亮

（廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083)

0 引言

傳統(tǒng)工科在專業(yè)劃分上偏窄、偏細(xì)，缺乏交叉性，人才培養(yǎng)上缺乏創(chuàng)新性，無法解決復(fù)雜的工程問題，與社會的人才需求不相適應(yīng)。2017 年2 月18 日在復(fù)旦大學(xué)開展了高等工程教育戰(zhàn)略研討會，會上達(dá)成的“復(fù)旦共識”展現(xiàn)了我國工科教育改革的積極性。同年4月8日，新工科建設(shè)研討會在天津大學(xué)舉辦，會上確定了新工科建設(shè)方向—“天大行動”，啟動了全國范圍工程教育改革[1]。新工科是在繼承傳統(tǒng)工科優(yōu)點的基礎(chǔ)之上增加了創(chuàng)新交叉與融合的元素，從而致力于培養(yǎng)出多元化高素質(zhì)創(chuàng)新型的卓越工程人才[2]，這也是教育部工程教育認(rèn)證的內(nèi)在要求。在新工科背景下，專業(yè)的課程設(shè)置應(yīng)以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向、學(xué)科交叉融合、面向未來布局、綜合全面突出創(chuàng)新四大特征為抓手，貫徹“新方法、新思想、新技術(shù)”的理念，進(jìn)行學(xué)科、專業(yè)和課程的建設(shè)。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為了增加學(xué)生對該技術(shù)的了解，提升前沿知識認(rèn)知眼界，為后續(xù)新技術(shù)的研究探索開啟啟蒙之門，便在人才培養(yǎng)方案中設(shè)置了人工智能基礎(chǔ)專業(yè)任選課程。而由于人工智能基礎(chǔ)課程具有知識點內(nèi)容多、難度大、學(xué)科交叉性強(qiáng)、知識更新快、課時少的特點，僅通過教師理論講授或者理論+編程等方式，很難讓學(xué)生理解與領(lǐng)悟，很難認(rèn)識到人工智能基礎(chǔ)課程的內(nèi)涵和價值。在“新工科”建設(shè)背景下，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的編程能力、自主的學(xué)習(xí)能力、解決實際問題的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[3]。在課時較少的條件下，如何培養(yǎng)學(xué)生的上述能力將是本課程教學(xué)改革的重點。針對人工智能基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中存在的不足，對該課程各個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究與探索，構(gòu)建了一套基于BOPPPS 的“以學(xué)生為中心”創(chuàng)新教學(xué)模式，對該課程的教學(xué)具有一定應(yīng)用價值與指導(dǎo)意義。

1 人工智能基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題

1.1 課程內(nèi)容多，課時少

人工智能基礎(chǔ)課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)任選課，其教學(xué)課時只有32 學(xué)時，2 個學(xué)分。而人工智能所囊括的內(nèi)容其實是一個領(lǐng)域，教學(xué)學(xué)時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，并且目前我國為了大力發(fā)展人工智能相關(guān)技術(shù)，培養(yǎng)相關(guān)高科技人才，便將其設(shè)置為一個專業(yè)，可想而知其課程內(nèi)容相當(dāng)多。而其作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的開闊學(xué)生眼界的課程，因而需要根據(jù)學(xué)生特點，教學(xué)課時情況以及社會對專業(yè)的需求情況，進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容的選取就顯得至關(guān)重要。另外，為了讓學(xué)生能在有限的時間里，系統(tǒng)而全面的學(xué)習(xí)整門課程體系知識，必須進(jìn)行課程內(nèi)容的優(yōu)化與重構(gòu)創(chuàng)新。

根據(jù)人工智能基礎(chǔ)課程知識體系結(jié)構(gòu)可知，該課程的主要內(nèi)容如表1所示，包括五大知識模塊即知識表示、機(jī)器感知、機(jī)器思維、機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器行為。同時這五大知識模塊對應(yīng)的知識點也較多，如知識表示的產(chǎn)生式表示，知識工程，專家系統(tǒng)和知識圖譜；機(jī)器感知的計算機(jī)視覺、語言處理；機(jī)器思維的模糊邏輯推理、智能啟發(fā)式搜索算法；機(jī)器學(xué)習(xí)的有監(jiān)督學(xué)習(xí)中的分類與回歸，無監(jiān)督學(xué)習(xí)中的聚類，同時現(xiàn)在主流的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（深度學(xué)習(xí)）既可以作為有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法也可以作為無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法使用；機(jī)器行為的智能控制。上述主要內(nèi)容也囊括了人工智能三大主要學(xué)派（符合主義、連接主義和行為主義）的主要知識內(nèi)容。

表1 課程主要內(nèi)容

1.2 教學(xué)內(nèi)容難度大，理論為主

由于人工智能是一個交叉學(xué)科，學(xué)習(xí)其課程知識體系并理解掌握會有一定難度，需要多學(xué)科知識作為基礎(chǔ)，特別是數(shù)學(xué)知識、計算機(jī)知識、編程語言知識等。因此，學(xué)習(xí)門檻有點高，加之有限的學(xué)時，使得學(xué)好該課程難度較大。

其中人工智能基礎(chǔ)課程難度較大的知識點主要有啟發(fā)式智能搜索，如遺傳算法(Genetic Algorithm，簡稱GA)、粒子群算法(Particle Swarm Optimization，簡稱PSO) ；有監(jiān)督學(xué)習(xí)的支持向量機(jī)(Support Vector Machine,簡稱SVM)[4]；無監(jiān)督學(xué)習(xí)的主成分分析(Principal Component Analysis，簡稱PCA) ；深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。而目前大部分高校針對人工智能基礎(chǔ)課程的講解采用偏理論的講解方法，講解各個人工智能算法的原理以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)與證明，非?；逎y懂，使得學(xué)生很難掌握，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下。還有另一類教師采用在理論的基礎(chǔ)上輔之以編程實現(xiàn)，使得學(xué)生能較好地掌握，但對于學(xué)生的編程能力有較高的要求，同時現(xiàn)在主流的人工智能框架較多，如Tensorflow、Microsoft CNTK、PyTorch、Caffe、PaddlePaddle、MindSpore 等，而每種框架采用的編程語言也不盡相同，主要有Python、Java、C++、R語言等，造成學(xué)習(xí)差異性較大。

1.3 教學(xué)手段單一

人工智能基礎(chǔ)課程目前大多還是采用傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)方式，或者計算機(jī)機(jī)房的教學(xué)情況，還是主要老師機(jī)械的講解，推導(dǎo)，學(xué)生聽為主，有些結(jié)合計算機(jī)機(jī)房進(jìn)行編程驗證，教學(xué)方式單一。未能利用各種軟硬件資源和信息化的教學(xué)平臺調(diào)動學(xué)生的積極性和能動性，學(xué)生的參與度較低，教學(xué)效果較差。而此教學(xué)模式還是以教師的“教”為中心，與現(xiàn)在教育部高教司提倡的以學(xué)生的“學(xué)”為中心是極度不符的，特別是在疫情期間，還是采用這種方式進(jìn)行線上教學(xué)，那效果還會更差，情況更加糟糕。在新工科背景下，該課程應(yīng)該強(qiáng)調(diào)學(xué)生利用人工智能算法融合多學(xué)科進(jìn)行實踐創(chuàng)新解決實際問題，而不是理論知識的灌輸，應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)生對知識的應(yīng)用能力，發(fā)揮其解決實際問題的意識與能力[5]。

2 面向新工科人工智能基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革方向

2.1 優(yōu)化重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

針對人工智能基礎(chǔ)課程體系知識點較多，課時不足的問題，文中采用優(yōu)化重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容。它作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的開闊視野的前沿新技術(shù)課程，因此其課程目標(biāo)主要是強(qiáng)調(diào)對課程的知識體系、知識框架和知識脈絡(luò)的掌握，而不是各個知識點面面俱到，蜻蜓點水。因此，本課程通過選取人工智能五大知識模塊中一些最具代表性（最基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣的）的內(nèi)容將其講懂，講深，不僅分析其原理、數(shù)學(xué)表達(dá)與推導(dǎo)證明，還進(jìn)行編程實現(xiàn)，最后有條件的話還通過虛擬仿真軟件平臺實現(xiàn)或者實物部署實現(xiàn)，通過以點帶面，以面帶片，將知識體系進(jìn)行融會貫通。而各個模塊的其他相關(guān)內(nèi)容給學(xué)生提供學(xué)習(xí)材料供課后閱讀學(xué)習(xí)，進(jìn)行自我探究提升。該課程采用此方法通過廣東科技學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多年教學(xué)實踐可以看出，學(xué)生的掌握情況較好，期末大作業(yè)每個同學(xué)都能利用人工智能基礎(chǔ)課程中的一到兩個算法解決生活實際問題，取得較好的結(jié)果。同時學(xué)生參加中國人工智能挑戰(zhàn)賽獲得較好的成績，獲得過全國一等獎，說明采用優(yōu)化重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容的方法針對該課程的困境還是有一定的效果。其人工智能基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)方式如圖1所示。

圖1 人工智能基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)方式

2.2 虛實結(jié)合，增加實踐環(huán)節(jié)

由于人工智能算法很多原理都比較難理解，若采用簡單的理論講解+推導(dǎo)的方式，或者加之編程實現(xiàn)都讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來較為困難。因此，針對人工智能算法的講解采用了虛實結(jié)合的方式進(jìn)行[6]，根據(jù)實驗室已有的條件有些算法的講解除了常規(guī)推導(dǎo)外，還進(jìn)行實物部署實現(xiàn)，有些則采用虛擬算法軟件平臺的方式進(jìn)行仿真實現(xiàn)，可以脫離實驗室的限制，特別是在疫情期間的線上教學(xué)，非常便利與合適[7]。下面通過兩個算法實例介紹一下虛實結(jié)合的講解方式。其中遺傳算法的講解我們采用浙江工業(yè)大學(xué)王萬良團(tuán)隊開發(fā)的智能搜索算法教學(xué)實驗系統(tǒng)虛擬平臺進(jìn)行模擬[8]，可以直觀地了解算法運行的全部過程以及原理細(xì)節(jié)，具體如圖2所示，主要步驟包括自動獲得種群，然后通過種群的適應(yīng)度值占比進(jìn)行輪盤賭自由選擇獲得較為優(yōu)質(zhì)種群，淘汰適應(yīng)度小同時未被選中的染色體種群，其次再隨機(jī)兩兩配對以某種交叉概率進(jìn)行交叉，最后以某種設(shè)定的變異概率進(jìn)行變異增強(qiáng)種群的多樣性，提高全局搜索能力，防止算法進(jìn)入局部最優(yōu)。仿真平臺還可以通過設(shè)置不同超參數(shù)了解遺傳算法對多元函數(shù)求解全局最大值的影響，同時通過設(shè)置迭代次數(shù)，自動運行就能得到多次迭代后，搜索到的全局最優(yōu)解的情況，遺傳算法的具體流程如表2所示，仿真平臺的操作情況如圖3所示。另外針對目前非常熱門的深度學(xué)習(xí)之卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN 的講解主要通過識別MNIST數(shù)據(jù)集的手寫數(shù)字進(jìn)行展開，同時采用實驗室采購的松科智能的SK TPU1000神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速棒進(jìn)行部署實現(xiàn)，讓學(xué)生能充分理解人工智能技術(shù)進(jìn)行識別任務(wù)的應(yīng)用。

圖2 多元函數(shù)遺傳算法求解過程演示

圖3 多元函數(shù)遺傳算法自動全速迭代運行100次仿真結(jié)果

表2 遺傳算法具體操作流程描述

通過虛實結(jié)合的授課方式，可以讓學(xué)生更加準(zhǔn)確的理解人工智能相關(guān)算法的原理、運行過程和實際應(yīng)用的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，對提高學(xué)生的人工智能算法掌握具有較大的幫助，同時能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索興趣。

2.3 優(yōu)化教學(xué)方式，豐富教學(xué)手段

由于人工智能基礎(chǔ)課程理論性、實踐性都較強(qiáng)，所以可以采用基于項目教學(xué)法(Project-based Learning，PBL)和案例教學(xué)法來進(jìn)行組織設(shè)計。從原來的純理論講解轉(zhuǎn)變成講解+設(shè)計+優(yōu)化+實操（虛擬仿真或者實物部署）的新型教學(xué)方式，使得每位學(xué)生都能參與實施設(shè)計，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，能積極主動的進(jìn)行實際問題的分析、設(shè)計與探索。同時課程的教學(xué)組織采用BOPPPS教學(xué)法，由于課時的限制，充分發(fā)揮學(xué)生的課前、課中和課后的時間進(jìn)行課程設(shè)計。其中BOPPPS教學(xué)法六要素[9]中如何利用課前、課中和課后的時間進(jìn)行合理設(shè)計，如表3所示。并且在疫情的大背景下，如何做到以學(xué)生為中心的教學(xué)是一種挑戰(zhàn)，本課程通過結(jié)合信息化手段對課程教學(xué)進(jìn)行了全面的改革，利用超星云平臺和中國大學(xué)MOOC相結(jié)合實施“以學(xué)生為中心”的線上線下混合式項目化教學(xué)模式改革，利用信息化平臺做好BOPPPS 教學(xué)模式的課前準(zhǔn)備工作，學(xué)生在信息化平臺自學(xué)，然后帶著自學(xué)后不懂的問題在課中學(xué)習(xí)中得到答案，課后則是相關(guān)作業(yè)和擴(kuò)展閱讀探究，從而實現(xiàn)一點帶面高效的學(xué)習(xí)。另外也提出多元化復(fù)合式教學(xué)考核與評價方法來與全新的教學(xué)方法相適應(yīng)?？己朔椒◤脑瓉韱我坏钠谀┛荚囖D(zhuǎn)變?yōu)殡A段性測評+期末大作業(yè)+隨堂答辯方式，其中階段性測評可以及時的考核評測學(xué)生的知識點，期末大作業(yè)可以考查學(xué)生的實踐動手編程解決實際問題的能力，隨堂答辯可以考查學(xué)生的講評與匯報能力，這種方式通過多年的嘗試，整體頗受學(xué)生歡迎與喜歡，可以極大地提高學(xué)生的理論知識與實踐應(yīng)用能力的結(jié)合能力，全面培養(yǎng)發(fā)展學(xué)生的綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力。

表3 BOPPPS教學(xué)模式的課前、課中和課后設(shè)計

3 課程改革的特色與創(chuàng)新

1)重構(gòu)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。人工智能基礎(chǔ)課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)任選課，由于課程內(nèi)容多、難度大與課時少的矛盾，同時結(jié)合新工科背景下對建設(shè)“金課”淘汰“水課”的要求，針對目前大部分高校前沿新技術(shù)[10]的專業(yè)任選課課程泛泛而談，不注重教學(xué)質(zhì)量的情況，必須重構(gòu)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。通過合理的教學(xué)內(nèi)容的選取和課時的分配來實現(xiàn)學(xué)生以點帶面、一面帶片的學(xué)習(xí)。將重要基礎(chǔ)的人工智能算法知識講懂、講深、講透，然后給學(xué)生閱讀資料讓其課后進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)探索，提升學(xué)生的自學(xué)探究應(yīng)用能力。

2)虛實結(jié)合，理實相交的教學(xué)方法。人工智能基礎(chǔ)課程是一門多學(xué)科的融合課程，囊括內(nèi)容多，難度大，課程根據(jù)各個重點要講授的知識點的特點，采用虛實結(jié)合，理論和實踐相交的方式進(jìn)行課程教學(xué)形式的組織，能充分利用軟硬件資源進(jìn)行特色化的教學(xué)，提升學(xué)生對知識的深入理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，該教學(xué)方法特別在疫情時期非常有效。

3)創(chuàng)新教學(xué)模式。后疫情時代，充分利用信息化資源，采用基于BOPPPS 的教學(xué)模式改革，強(qiáng)化課前、課中和課后的教學(xué)設(shè)計，根據(jù)章節(jié)內(nèi)容特點，強(qiáng)化以學(xué)生為中心的理念，課前利用中國大學(xué)MOOC和超星學(xué)習(xí)通進(jìn)行視頻與資料學(xué)習(xí)，然后通過課前測試確定學(xué)習(xí)目標(biāo)；課中采用常規(guī)講解法+翻轉(zhuǎn)課堂的模式實施；課后通過作業(yè)鞏固基本重難點知識，同時輔之思考拓展閱讀來提高升華解決新問題、復(fù)雜問題的能力。探索出一套“以學(xué)生為中心”的創(chuàng)新教學(xué)模式，改革以往的“教本位”的教學(xué)觀念，樹立“學(xué)本位”的教學(xué)理念，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐應(yīng)用能力與探索創(chuàng)新意識。

4 結(jié)束語

人工智能基礎(chǔ)是新興、前沿性且應(yīng)用廣泛的實用課程，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)任選課，而該課程由于內(nèi)容多、交叉融合多學(xué)科知識學(xué)習(xí)難度大、課時少等特點，使得高效高質(zhì)量的教授本課程具有較大的挑戰(zhàn)。文中結(jié)合新工科背景對一流課程建設(shè)的要求提出了一種基于BOPPPS 的教學(xué)模式，通過利用信息化資源中國大學(xué)MOOC、超星云平臺和軟硬件資源，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化與重構(gòu)和教學(xué)方法的創(chuàng)新研究與實踐。通過對學(xué)生進(jìn)行“以學(xué)生為中心”教學(xué)模式的實施，該模式強(qiáng)化了學(xué)生的自主能動性，知識的應(yīng)用性，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索創(chuàng)新熱情，廣受學(xué)生喜歡，整體教學(xué)效果較好。未來會持續(xù)基于該模式進(jìn)行探索嘗試，推動課程的深入改革與發(fā)展。