邵文澤 劉媛媛 葉路月 許晶晶 仲彥臻

摘要：文章以南京郵電大學(xué)新一代人工智能學(xué)科建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，以《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》為具體指引，本著教書育人嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度，總結(jié)了依托大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目培育中高年級本科生人工智能知識和科研素養(yǎng)的探索體會與實(shí)踐做法，以為南京郵電大學(xué)全面展開本科生人工智能課程教學(xué)提供及時(shí)必要的經(jīng)驗(yàn)積累。

關(guān)鍵詞：人工智能2.0;深度學(xué)習(xí);視覺計(jì)算;科研素養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0188-02

一、引言

人工智能不是一個(gè)全新的領(lǐng)域。1956年，在美國達(dá)特茅斯學(xué)院，麥卡錫（John McCarthy）教授等學(xué)者就已提出人工智能（Artificial Intelligence，AI）的概念，意指要使機(jī)器像人那樣認(rèn)知、思考和學(xué)習(xí)。2006年以來，以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在機(jī)器視覺和語音識別等領(lǐng)域取得了極大的成功，識別準(zhǔn)確性大幅提升，使人工智能再次受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在經(jīng)歷50年的跌宕起伏后，人工智能終于迎來2.0時(shí)代。

在人工智能2.0時(shí)代，南京郵電大學(xué)本科生的人工智能知識和科研素養(yǎng)亟待培育和提升。通過與通信與信息工程學(xué)院、貝爾英才學(xué)院、自動化學(xué)院、物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院以及管理學(xué)院中高年級本科生的日常交流發(fā)現(xiàn)，不少優(yōu)秀學(xué)生對于人工智能2.0的相關(guān)理論、方法和技術(shù)表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的求知欲望和濃厚的學(xué)習(xí)興趣。作為人工智能領(lǐng)域的一線教學(xué)科研人員，我們注意到全校范圍內(nèi)只有自動化學(xué)院為自動化專業(yè)本科生開設(shè)了“人工智能”選修課。然而，在人工智能2.0時(shí)代，“人工智能及其應(yīng)用”的知識體系已不能反映當(dāng)下以深度學(xué)習(xí)為代表的前沿人工智能技術(shù)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和痛點(diǎn)。因此，從學(xué)校層面看，不管是人工智能受眾的廣度還是內(nèi)容的新度和深度以及項(xiàng)目創(chuàng)新訓(xùn)練，自動化學(xué)院開設(shè)的“人工智能”課程已不能滿足南京郵電大學(xué)本科生對于人工智能技術(shù)的現(xiàn)實(shí)訴求。

為此，本文以南京郵電大學(xué)新一代人工智能學(xué)科建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，以《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》為具體指引，本著教書育人嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度，總結(jié)了依托大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目培育中高年級本科生人工智能知識和科研素養(yǎng)的探索體會與實(shí)踐做法，以為南京郵電大學(xué)全面展開本科生人工智能課程教學(xué)提供及時(shí)必要的經(jīng)驗(yàn)積累。

二、探索與實(shí)踐方案

本次探索與實(shí)踐活動主要以作者所在課題組為支撐，以面向課題組碩士生的《深度學(xué)習(xí)與人工智能》專題討論班為基礎(chǔ)，依托獲批的5項(xiàng)南京郵電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（STITP）項(xiàng)目具體展開。

1.以深度學(xué)習(xí)為向心力的人工智能知識素養(yǎng)培育研究。新一代人工智能的核心算法引擎是深度學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)的理解，離不開本科數(shù)學(xué)中最為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)分析（高等數(shù)學(xué)）、線性代數(shù)、概率論和凸優(yōu)化;深度學(xué)習(xí)技術(shù)的掌握，離不開以計(jì)算機(jī)編程為核心的動手實(shí)踐。否則，人工智能知識素養(yǎng)的培育只能是夸夸其談，人工智能科研素養(yǎng)的培育更是空中樓閣。簡單而言，本次培育中高年級本科生新一代人工智能知識素養(yǎng)的課程內(nèi)容包括：（1）人工智能簡介。通過梳理人工智能技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)演進(jìn)情況，分析人工智能的技術(shù)熱點(diǎn)、行業(yè)動態(tài)和未來趨勢。（2）數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)。回顧高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)這三門數(shù)學(xué)課程包含的數(shù)學(xué)知識;熟悉最優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)的基本理論與方法;熟練操作Linux系統(tǒng)和進(jìn)行Shell編程，熟悉C++、Python、Matlab語言。（3）深度學(xué)習(xí)入門。從神經(jīng)元模型開始，掌握卷積層、Pooling層等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，Sigmoid等激活函數(shù)，Softmax等損失函數(shù)，以及感知機(jī)、MLP、LeNet等經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);掌握網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，包括BP、Mini-batch SGD和LR Policy;了解深度網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的兩個(gè)至關(guān)重要的理論問題：梯度消失和梯度溢出。（4）深度學(xué)習(xí)進(jìn)階。掌握一個(gè)開源深度學(xué)習(xí)框架的使用，是實(shí)際掌握深度學(xué)習(xí)技術(shù)的必經(jīng)之路。當(dāng)前使用最為廣泛的深度學(xué)習(xí)框架包括Tensorflow、Caffe、MXNet和PyTorch等。本項(xiàng)目將主要利用Tensorflow開源框架。這個(gè)階段除了熟悉掌握Tensorflow的安裝、語法和操作，還將學(xué)習(xí)和理解AlexNet、ZFNet、GoogleNet、VGGNet、ResNet等ImageNet競賽網(wǎng)絡(luò)模型。（5）深度學(xué)習(xí)實(shí)戰(zhàn)。將從計(jì)算機(jī)視覺中的低層、中層、高層三個(gè)具體的智能感知問題訓(xùn)練和提升深度學(xué)習(xí)的實(shí)戰(zhàn)能力。其中，低層智能視覺問題為基于VDSR模型的自然圖像超分辨率;中層智能視覺問題為基于Faster RCNN模型的目標(biāo)檢測;高層智能視覺問題為基于GAN模型的圖像自動生成與判別。

2.以STITP項(xiàng)目為驅(qū)動力的人工智能科研素養(yǎng)培育研究。在人工智能知識素養(yǎng)培育的良好基礎(chǔ)上，進(jìn)一步依托具體STITP項(xiàng)目開展前沿人工智能科研素養(yǎng)培育的研究，將主要從新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、新的優(yōu)化方法、新的學(xué)習(xí)技術(shù)、新的數(shù)據(jù)增強(qiáng)四個(gè)方面進(jìn)行培育。此次獲批的STITP項(xiàng)目包括：（1）霧霾天氣車載視頻動態(tài)目標(biāo)檢測與識別深度方法研究。本研究面向這一現(xiàn)實(shí)的前沿技術(shù)問題，提出和驗(yàn)證霧霾魯棒的目標(biāo)檢測與識別深度學(xué)習(xí)解決方案。（2）低清監(jiān)控視頻感興趣目標(biāo)檢測與再識別深度方法研究。本研究面向這一現(xiàn)實(shí)的前沿技術(shù)問題，提出和驗(yàn)證感興趣目標(biāo)的檢測與再識別一體化深度學(xué)習(xí)解決方案。（3）霧霾天氣車載視頻交通標(biāo)識檢測與識別深度方法研究。本課題面向這一現(xiàn)實(shí)的前沿技術(shù)問題，提出和驗(yàn)證霧霾魯棒的交通標(biāo)識檢測與識別深度學(xué)習(xí)解決方案。（4）城市道路監(jiān)控視頻模糊車牌檢測與識別深度方法研究。本研究面向這一現(xiàn)實(shí)的前沿技術(shù)問題，提出和驗(yàn)證模糊魯棒的車牌圖像檢測與識別深度學(xué)習(xí)解決方案。（5）城市道路監(jiān)控視頻低清人臉檢測與識別深度方法研究。本研究面向這一現(xiàn)實(shí)的前沿技術(shù)問題，提出和驗(yàn)證監(jiān)控視頻低清人臉檢測與識別的一體化深度學(xué)習(xí)解決方案。

三、探索與實(shí)踐總結(jié)

通過此次探索與實(shí)踐活動，我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)聚焦一個(gè)具體的人工智能前沿課題研究時(shí)，利用一學(xué)年的培育時(shí)間完全可以在本科生的人工智能知識素養(yǎng)和科研素養(yǎng)培育方面取得初步成效。撰寫本文時(shí)，由課題組指導(dǎo)的、15名本科生承擔(dān)的5組STITP項(xiàng)目均已順利結(jié)題，且均取得了良好以上成績，學(xué)生的人工智能知識素養(yǎng)和科研素養(yǎng)得到了顯著提高。因此，我們相信此次探索與實(shí)踐活動具有一定的參考意義。

總體而言，此次探索與實(shí)踐活動意義在于積極響應(yīng)和落實(shí)《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》以及教育部發(fā)布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》相關(guān)文件精神，通過人工智能相關(guān)理論方法的傳授和STITP項(xiàng)目攻關(guān)，不僅將為后續(xù)開設(shè)“人工智能2.0”課程提供必要的教學(xué)素材，而且將迭代摸索出一套培育中高年級本科生人工智能知識和科研素養(yǎng)的可行方案和寶貴經(jīng)驗(yàn)。通過將上述實(shí)施方案做進(jìn)一步系統(tǒng)細(xì)化和深化，有望促進(jìn)本科生在日常學(xué)習(xí)之余取得理論創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新的新突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫秋霞.曲折中前進(jìn)的人工智能[J].中國科技獎(jiǎng)勵(lì)，2016，（09）：22-24.

[2]高芳.全球知名智庫對中國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布與實(shí)施情況的評價(jià)及啟示[J].情報(bào)工程，2018，（02）.

[3]夏海波.中國人工智能科技的公眾傳播與社會評價(jià)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2017.

[4]張澤治，王敏，張?jiān)苹?，曲春?人工智能背景下ZT創(chuàng)智課堂對學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)與評價(jià)[J].基礎(chǔ)教育參考，2018，（22）：36-38.

[5]中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院.人工智能標(biāo)準(zhǔn)化白皮書[R].2018.