新工科下人工智能課程教學改革淺議
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摘要根據(jù)新時代對人工智能人才的要求，本文探討了人工智能課程的教學改革方法。通過分析目前人工智能課程教學存在的問題，提出了優(yōu)化課程內(nèi)容、改變教學模式、加強校企深度合作、構(gòu)建多元評價機制等方面的改革方法。實踐結(jié)果表明，改革后的教學能激發(fā)學生的學習興趣，不僅提升了學生的實際動手能力，還有利于提高學生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。
1引言
為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017年以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”[1]。人工智能專業(yè)是“新工科”建設的重點專業(yè)之一。人工智能課程是人工智能專業(yè)及其它相關專業(yè)的核心課程?！缎乱淮斯ぶ悄馨l(fā)展規(guī)劃》明確提出高校要完善人工智能教育體系[2]?！陡叩葘W校人工智能創(chuàng)新行動計劃》強調(diào)：要加強人工智能領域?qū)I(yè)建設，推進“新工科”建設，形成“人工智能+X”復合專業(yè)培養(yǎng)新模式[3]。為適應國家發(fā)展戰(zhàn)略和新時代對人工智能人才的需求，需要對人工智能課程進行教學改革。本文以新工科建設為導向，探索人工智能課程的改革與實踐。通過分析當前人工智能教學存在的問題，有針對性地對人工智能教學提出一些改革措施，以適應新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的人才需求。
2存在問題
人工智能已發(fā)展成為一個高度交叉學科，但是傳統(tǒng)的人工智能課程具有概念抽象、理論性強、實踐內(nèi)容相對不足等特點。傳統(tǒng)人工智能課程教學主要存在以下問題：（1）重理論輕實踐。傳統(tǒng)的人工智能課程教學主要是基于課堂，重點講授其基本知識、理論和算法，僅限于教師課堂講解、演示，學生被動接受。但是對于實踐，學生既沒有充足的時間練習，也不知道如何把所學內(nèi)容應用到實踐中。（2）教學模式陳舊。由于多種原因，現(xiàn)有的人工智能課程教學仍然采取傳統(tǒng)的集中授課形式。這種教學模式能在有限時間內(nèi)把教學大綱規(guī)定的內(nèi)容傳授給學生，但學生卻很難真正掌握。而且，這種模式既不能滿足不同層次學生的需求，也不能有效促進學生的個性化發(fā)展，更不能體現(xiàn)以學生發(fā)展為中心的教育理念。（3）校企合作不足。目前，人工智能人才培養(yǎng)和課程教學，明顯滯后于新技術(shù)的發(fā)展和社會對人工智能人才的需求。究其原因，是校企缺乏有效合作，產(chǎn)學研缺乏深度融合，從而導致理論與實踐脫節(jié)，掌握的知識和技能不能與實際應用接軌[4]。學生不僅要具有扎實的知識和技術(shù)，更應該具備良好的團隊合作、實踐和自學能力[5]，才能更好地適應社會需求，成為國家有用人才。（4）評價機制不完善。傳統(tǒng)評價仍側(cè)重于教學大綱規(guī)定的知識點的考察。人工智能課程一般考察學生對基本概念、理論和經(jīng)典算法的理解和掌握。總評成績一般由期末考試和平時成績組成，期末考試成績占70%；平時成績占30%，包括作業(yè)、考勤、討論等。這種考核很難全面真實地反映學生掌握知識、解決問題的能力和基本素養(yǎng)的高低，無法適應新工科背景下人工智能人才的培養(yǎng)要求。
3教學改革方案
（1）優(yōu)化課程內(nèi)容。課程是人才培養(yǎng)的最后一公里，其內(nèi)容的合理與否對人工智能人才培養(yǎng)至關重要。因此，有必要對人工智能課程內(nèi)容進行優(yōu)化。具體內(nèi)容如圖1所示。（2）采用混合式教學模式。該教學模式既能克服線上教學的不足，也能克服線下教學的不足，是當今被廣泛認可和接受的一種有效的教學模式。在人工智能課程教學中，按照“金課”標準，充分利用超星學習通平臺，采用線上線下混合式教學模式。課前，教師在超星學習通上發(fā)布課程學習目標、要求、重難點等，上傳授課計劃、教案、微視頻、PPT、實驗實訓項目、題庫、拓展知識等課程資源；學生通過線上平臺自主學習、完成在線學習、測試、參加討論、提出問題。課中，根據(jù)學生課前自主學習情況，對課堂探究式學習進行教學設計、組織和實施，做好在探究討論中的引導、鼓勵、解惑和總結(jié)。在討論交流中實現(xiàn)知識內(nèi)化、能力培養(yǎng)和素養(yǎng)提升。課后，一方面，根據(jù)學生的學習情況，對授課內(nèi)容進行總結(jié)，將學生的作業(yè)、實驗、項目開發(fā)過程中存在的問題和解決方法上傳至學習通平臺，引導學生進一步消化吸收，熟悉實驗和實訓過程。另一方面，根據(jù)學生的需求不同，分別給予進一步的指導。如有些學生不限于課本內(nèi)容，想進一步探討深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡在實際中的應用，這時可把相關文獻和實現(xiàn)代碼提供給學生，并指導他們研讀文獻和代碼，進一步培養(yǎng)鍛煉學生的探究能力和創(chuàng)新能力。但在人工智能課程實施混合式教學中，也存在一些問題。首先是教學習慣、教學設計還沒完全轉(zhuǎn)變。教師已習慣傳統(tǒng)的教學模式，在實施線下探討教學時，不自覺地仍采用傳統(tǒng)教學模式對重難點問題進行設計、講解，仍然是教師講、學生聽。其次是部分學生對教師的依賴性較強，學習、自主學習能力相對較弱，還不能很好地適應混合式教學模式。最后是在實踐環(huán)節(jié)，學生不易理解一些知識的演進過程、算法流程或應用意義。針對以上問題，需要及時研討在這種混合式教學模式下，線下教學內(nèi)容的組織、設計和實施，有目的地激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的自主學習能力和主動探究意識。在實踐環(huán)節(jié)，要求教師課堂講授、面對面指導，如參數(shù)的設置、算法的流程、項目設計的架構(gòu)等，甚至程序代碼，都要在課堂現(xiàn)場寫出來。（3）深化校企合作。通過校企合作，實現(xiàn)人工智能人才培養(yǎng)符合社會需求、人才培養(yǎng)標準符合IT行業(yè)職業(yè)標準、人才培養(yǎng)過程符合IT行業(yè)真實的開發(fā)流程。一方面，根據(jù)社會需求，及時調(diào)整教學大綱，完善教學內(nèi)容，改進教學方式。另一方面，充分利用合作企業(yè)資源，將企業(yè)真實項目引進課堂，讓學生參與企業(yè)真實項目的開發(fā)，熟悉開發(fā)流程，掌握新技術(shù)。人工智能課程在“人工智能課程教學內(nèi)容的改革與實踐”項目（教育部產(chǎn)學研合作項目）的基礎上，引入南京云創(chuàng)大數(shù)據(jù)科技股份有限公司開發(fā)的DataSense分布式數(shù)據(jù)挖掘平臺和課程資源。首先，由企業(yè)工程師介紹該平臺設計架構(gòu)、內(nèi)容、目的，演示各個功能模塊；其次，教師在課堂上以該平臺提供的功能模塊為基礎，如分類預測中的決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡、邏輯回歸等算法，實現(xiàn)鳶尾花數(shù)據(jù)集、ImageNet數(shù)據(jù)集的分類預測等。最后，要求學生參加“學生課堂行為識別系統(tǒng)”等項目的開發(fā)，真實體驗數(shù)據(jù)采集、處理、算法的選擇、參數(shù)的調(diào)節(jié)和結(jié)果的呈現(xiàn)。并用不同的算法進行比較和工具實現(xiàn)，找出各自的優(yōu)劣和體會適用條件。（4）建立多元評價機制。結(jié)合“新工科”建設對人工智能人才知識、能力和素質(zhì)的新要求，有必要建立合理的多元育人評價機制，形成過程性評價和結(jié)果性評價于一體的評價體系。在教學實施中，組織開展項目式教學，如在“學生課堂行為識別系統(tǒng)”項目中，不僅要考察學生完成項目情況，還要關注其在項目中的角色表現(xiàn)，如算法設計能力、代碼調(diào)試能力、溝通表達能力、團結(jié)協(xié)作意識、文獻查詢能力、對待項目的態(tài)度、是否熟悉項目開發(fā)的流程、是否養(yǎng)成良好的開發(fā)習慣、是否遵守軟件項目開發(fā)職業(yè)規(guī)范和職業(yè)道德等。為調(diào)動學生的積極性，激發(fā)他們對人工智能的興趣，利用課余時間，組織學生開展講人工智能的故事活動。在該項活動中，學生自由組合，根據(jù)個人特點擔任不同的角色，使得每個學生都能發(fā)揮自身特長來完成相應任務。通過類似活動，可以全面鍛煉培養(yǎng)學生的溝通協(xié)調(diào)能力、收集整理資料能力、撰寫能力、表達及創(chuàng)新能力等。
4教改實踐的效果
通過2年的教學改革的實踐，逐步建立了由期末評價（40%）+項目評價（30%）+平時評價（30%）三部分組成的評價體系。其中，期末評價主要是知識理論評價；項目評價包括團隊角色分工、項目展示、技術(shù)報告和創(chuàng)新能力等；平時評價包括章節(jié)測驗、參與討論情況、師生互動情況及課后思考及探討情況等。本課程的改革在2019級計算機科學與技術(shù)專業(yè)進行了實踐。結(jié)束后，在學習通上使用問卷調(diào)查方式從激發(fā)學習興趣、提高自主學習能力和提高動手能力三個方面進行調(diào)查，全班共計120人，收回有效問卷116份。調(diào)查結(jié)果見表1。由表1可知，88.79%的學生認為該課程能激發(fā)他們的學習興趣；82.76%的學生認為可以促進提高自主學習能力；80.17%的學生認為通過參與企業(yè)真實項目的訓練，切實提升了動手能力。改革后的學生參與學科競賽人數(shù)提高了28%，并在全國大學生數(shù)學建模競賽、藍橋杯軟件人才大賽、河南省大學生程序設計大賽、信息安全對抗大賽等學科競賽中的成績也有了明顯提升。
參考文獻
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作者:馮巖 尤磊 李健 王敬 單位:信陽師范學院計算機與信息技術(shù)學院
