張 敏，方泳澤

(集美大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

2016年首先提出的“新工科(emerging engineering)”概念在一年內(nèi)形成了“天大行動(dòng)”“北京指南”[1-3]和“復(fù)旦共識(shí)”[4]。教育部高教司領(lǐng)導(dǎo)在新工科建設(shè)研討會(huì)上指出，新工科應(yīng)當(dāng)關(guān)注我國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，聚焦于高等工程教育改革，促進(jìn)新工科建設(shè)和發(fā)展，更好地適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)建設(shè)[5-6]。新工科建設(shè)引發(fā)了我國(guó)高教界新一輪的研究和改革熱潮，在工業(yè)界和國(guó)際上都產(chǎn)生了較大的影響[7-9]。

近幾年，科學(xué)技術(shù)的日新月異和人工智能(AI)的迅猛發(fā)展，對(duì)人工智能的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要強(qiáng)調(diào)掌握人工智能理論知識(shí)，而缺少對(duì)實(shí)踐能力和應(yīng)用新技術(shù)的培養(yǎng)，傳統(tǒng)教學(xué)使學(xué)生很難適應(yīng)日后的工作[10]。新工科的核心理念是針對(duì)新經(jīng)濟(jì)中跨界創(chuàng)新融合出現(xiàn)的工程問(wèn)題，采用多學(xué)科、多層級(jí)和全方位的交叉融合以綜合解決現(xiàn)代工程問(wèn)題[11]。我們應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，綜合培養(yǎng)基于新工科的人工智能人才，使學(xué)生具備社會(huì)要求的技術(shù)和能力。

本文以新工科為導(dǎo)向，從課程體系,課程內(nèi)容,教學(xué)模式和教學(xué)評(píng)測(cè)等方面探討人工智能課程改革，以學(xué)生為主體，研究基于開(kāi)源協(xié)同平臺(tái)的開(kāi)放式課程教學(xué)模式和“做中學(xué)”理念，采用項(xiàng)目沉浸式教學(xué)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合動(dòng)手能力。

一 人工智能課程教學(xué)現(xiàn)狀

隨著人工智能相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人工智能越來(lái)越受到大家的關(guān)注和重視[12]。然而，在培養(yǎng)人工智能新工科人才方面，目前的教學(xué)還存在一些亟待解決的問(wèn)題[13]，主要表現(xiàn)為教學(xué)以理論為主，缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)學(xué)習(xí)，忽視能力的培養(yǎng)[14]。

(一)課程教材相對(duì)工業(yè)界發(fā)展滯后

傳統(tǒng)的人工智能教材內(nèi)容相對(duì)滯后，主要介紹經(jīng)典的人工智能理論，缺少當(dāng)下流行的深度學(xué)習(xí)等方面的介紹，導(dǎo)致學(xué)生不了解業(yè)界最新的技術(shù)思想和工具。學(xué)生不僅應(yīng)該具備扎實(shí)的技術(shù)能力，更應(yīng)該具備良好的團(tuán)隊(duì)合作、實(shí)踐和自學(xué)能力[15]，才能更好地適應(yīng)企業(yè)的需要。由于現(xiàn)有教材的更新相對(duì)于工業(yè)界技術(shù)的快速發(fā)展滯后，因此教學(xué)內(nèi)容相對(duì)于實(shí)際業(yè)界需求脫節(jié)。

(二)缺乏與相關(guān)企業(yè)之間的合作

高校在培養(yǎng)人工智能與新工科人才的過(guò)程中，由于和企業(yè)的聯(lián)系不夠密切，缺少與相關(guān)企業(yè)的合作，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)工業(yè)界最新技術(shù)缺乏了解，理論與實(shí)踐脫軌，不能將自己掌握的知識(shí)與實(shí)際工作接軌。

(三)注重理論，輕實(shí)踐

傳統(tǒng)的課程教學(xué)主要基于理論，重點(diǎn)介紹人工智能的理論知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生對(duì)于實(shí)踐沒(méi)有充足的練習(xí)，無(wú)法做到實(shí)際應(yīng)用，反而導(dǎo)致“上課聽(tīng)懂，下課即忘”。

(四)教師與學(xué)生之間缺乏互動(dòng)

課堂教學(xué)以教師在講臺(tái)上講課為主，學(xué)生在講臺(tái)下被動(dòng)學(xué)。雖然課堂上的教學(xué)內(nèi)容能夠覆蓋各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但是學(xué)生的學(xué)習(xí)成效并不理想。學(xué)生與教師之間相對(duì)有效的互動(dòng)較少，學(xué)生得不到有效的反饋，教師也無(wú)法及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

二 人工智能課程體系與教學(xué)改革實(shí)踐

(一)課程體系設(shè)置以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)

人工智能課程體系的設(shè)置應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)學(xué)生能力和素質(zhì)為目標(biāo)，以“注重課程的基礎(chǔ)性、啟發(fā)性、大視野、系統(tǒng)性”理念為指導(dǎo)[16]，其核心內(nèi)容不僅僅包括人工智能的基本原理和概念，而且還應(yīng)當(dāng)包括人工智能的基本技術(shù)和前沿內(nèi)容。

(二)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容能使學(xué)生盡快了解并進(jìn)入該領(lǐng)域，使他們能夠更快更好地按要求完成既定的學(xué)習(xí)任務(wù)。除了基礎(chǔ)理論部分，教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)該體現(xiàn)人工智能領(lǐng)域中的新技術(shù)，不斷更新和改進(jìn)課程的教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容。

本課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1所示。共計(jì)16次課程內(nèi)容，其中包括課堂小測(cè)4次，學(xué)期小組項(xiàng)目匯報(bào)1次，教學(xué)內(nèi)容15次。從全面性和課程體系覆蓋的角度出發(fā)，教學(xué)內(nèi)容主要包括課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)部分，其中課堂教學(xué)主要介紹人工智能的基礎(chǔ)理論并引進(jìn)現(xiàn)在比較熱門(mén)的深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為入門(mén)實(shí)踐、啟發(fā)算法、遺傳算法三個(gè)個(gè)人實(shí)驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目采用“AI+工程”的方式，基于“做中學(xué)”的理念[17]，要求學(xué)生認(rèn)真思考一個(gè)復(fù)雜的AI問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的AI算法模型理解和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，從而使學(xué)生能夠真實(shí)體驗(yàn)AI項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

平時(shí)的作業(yè)中引入了“井字棋游戲”等任務(wù)，將搜索算法生動(dòng)地引入課程與作業(yè)中，寓教于樂(lè)。通過(guò)循序漸進(jìn)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，從入門(mén)實(shí)踐到算法實(shí)現(xiàn)，逐步提高學(xué)生的動(dòng)手能力。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程以項(xiàng)目沉浸式為主，即采用不同方式引導(dǎo)學(xué)生，以應(yīng)用為本，讓學(xué)生寓學(xué)于做[18]。課程實(shí)驗(yàn)中同時(shí)還包含一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目，學(xué)生需要自由組隊(duì)完成團(tuán)隊(duì)任務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。課程以實(shí)踐為主，采用“AI+工程”的方式，團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目實(shí)踐貫穿整個(gè)學(xué)期。團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目工作流程如圖1所示。

表1 人工智能課程教學(xué)內(nèi)容

圖1 團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目實(shí)踐流程圖

根據(jù)布魯姆的教學(xué)分類法[19]，本課程的教學(xué)內(nèi)容能更好地體現(xiàn)人工智能課程教學(xué)的復(fù)雜度與難度。如圖2所示，“記憶”和“理解”的層次主要體現(xiàn)在人工智能的基本概念、理論知識(shí)點(diǎn)、應(yīng)用技能點(diǎn)和基本工具的使用，能夠?qū)靖拍钸M(jìn)行解釋；在“應(yīng)用”層次上強(qiáng)調(diào)學(xué)會(huì)應(yīng)用人工智能的方法去解決實(shí)際問(wèn)題；在“分析”層次上要求做到能夠?qū)Ω鱾€(gè)模塊如何結(jié)合起來(lái)工作進(jìn)行分析；在“評(píng)估”層面能夠分析他人的人工智能系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)；最后，在“創(chuàng)造”層次上提出更高的要求，能夠創(chuàng)造性解決問(wèn)題。基于以上理念，本課程以團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的形式開(kāi)發(fā)一個(gè)具有真實(shí)需求的軟件并在開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用人工智能模型解決問(wèn)題，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試、性能分析和改進(jìn)，并通過(guò)課堂展示和項(xiàng)目演示進(jìn)行項(xiàng)目復(fù)審，做出項(xiàng)目的總結(jié)和分析，提出進(jìn)一步的改進(jìn)。相比較傳統(tǒng)的人工智能教學(xué)，該課程在應(yīng)用、分析、評(píng)估與創(chuàng)造層面有著更多的體現(xiàn)。

圖2 人工智能教育與Bloom認(rèn)知層次的對(duì)應(yīng)

(三)開(kāi)放式教學(xué)方法與課程模式

教學(xué)過(guò)程采用開(kāi)放式教學(xué)，將所有的教學(xué)內(nèi)容、課程大綱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等放至開(kāi)源社區(qū)GitHub上，構(gòu)建可持續(xù)開(kāi)源課程模式。開(kāi)源課程(Open-source course)是基于開(kāi)源思想的課程建設(shè)模式，屬于開(kāi)源行動(dòng)的一個(gè)新領(lǐng)域[20]。圖3體現(xiàn)了開(kāi)源課程的含義：開(kāi)放的課程內(nèi)容，所有人都可以在開(kāi)源社區(qū)中訪問(wèn)課程資源并參與課程討論。基于開(kāi)源課程模式，本人構(gòu)建的所有課程資料為共享模式，他人可以免費(fèi)獲取最新資源，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更新和構(gòu)建自己的課程資源。開(kāi)源課程的版本隨著越來(lái)越多人的參與也不斷更新。同時(shí)，課程資源的作者隊(duì)伍也在不斷壯大。不僅僅是由教師一人完成課程建設(shè)，而是由參與的每個(gè)人共同完成該課程，每個(gè)人都是可看作該課程建設(shè)的主體。參與開(kāi)源課程建設(shè)，不僅可以展示自己的教學(xué)成果，而且讓更多的人參與課程建設(shè)，能夠幫助自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提升課程質(zhì)量，同時(shí)也能確保自己的課程一直處于實(shí)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)，構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放的生態(tài)系統(tǒng)。

圖3 開(kāi)源課程的含義

開(kāi)源發(fā)展的過(guò)程是人才實(shí)踐成長(zhǎng)的過(guò)程。所有的學(xué)生團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目都基于開(kāi)源社區(qū)Github，該社區(qū)有足夠多的被業(yè)界廣泛使用的優(yōu)秀范例和最佳實(shí)踐，同時(shí)也成為與工業(yè)界連接的橋梁，幫助學(xué)生通過(guò)開(kāi)源增強(qiáng)對(duì)業(yè)界實(shí)踐的了解、學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)。

以學(xué)生團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“智能對(duì)聯(lián)項(xiàng)目”為例。首先學(xué)生團(tuán)隊(duì)在GitHub上創(chuàng)建團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，參考微軟提供的數(shù)據(jù)，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，團(tuán)隊(duì)分工完成項(xiàng)目前端到后端的構(gòu)建，整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的生命周期如圖4所示。

圖4 深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建的生命周期

在整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中，以學(xué)生為主體，所有的項(xiàng)目資料都存放于開(kāi)源社區(qū)并對(duì)所有人可見(jiàn)，起到了很好的催化作用，使其主動(dòng)地去學(xué)習(xí)、思考、研究、總結(jié)、分享并具備一定的創(chuàng)新能力。

(四)建立產(chǎn)學(xué)合作

學(xué)校通過(guò)產(chǎn)學(xué)合作，可以了解企業(yè)的用人標(biāo)準(zhǔn)，并與課程的教學(xué)大綱相結(jié)合，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，更適應(yīng)企業(yè)需求。學(xué)生也有機(jī)會(huì)參與企業(yè)的項(xiàng)目或研究，從而使高校在新工科的人才培養(yǎng)上更貼近社會(huì)和企業(yè)實(shí)際需求，學(xué)生能更好地適應(yīng)激烈的求職競(jìng)爭(zhēng)[21]。本課程基于2018年教育部-微軟產(chǎn)學(xué)合作(教學(xué)內(nèi)容與改革項(xiàng)目)，課程教學(xué)適當(dāng)引入企業(yè)資源，能夠充分利用微軟提供的優(yōu)秀資源和教育社區(qū)，采用與真實(shí)的工作業(yè)務(wù)流程相一致的項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生能夠很好的體驗(yàn)企業(yè)的真實(shí)開(kāi)發(fā)流程。

(五)教學(xué)評(píng)測(cè)

教學(xué)評(píng)測(cè)是一個(gè)課程必要的環(huán)節(jié)。課程考核內(nèi)容包括以下兩個(gè)部分：占比30%的平時(shí)課堂表現(xiàn)和占比70%的過(guò)程性考核。

團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目中的現(xiàn)場(chǎng)展示環(huán)節(jié)，教師的點(diǎn)評(píng)和學(xué)生互評(píng)與交流討論，以及事后分析及改進(jìn)環(huán)節(jié)，都能夠更好地提升項(xiàng)目的質(zhì)量。基于項(xiàng)目的過(guò)程考核設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)展示效果和展示結(jié)束后提交的技術(shù)報(bào)告改進(jìn)版，都包含在最終的學(xué)習(xí)考核中。因此，課程考核主要包括課堂小測(cè)、個(gè)人實(shí)驗(yàn)、團(tuán)隊(duì)作業(yè)、團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目展示和技術(shù)報(bào)告等5項(xiàng)內(nèi)容，以此作為過(guò)程性考核的主要依據(jù)。

三 教學(xué)實(shí)踐分析

我們以2016級(jí)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)1、2、3班為對(duì)象進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。課程結(jié)束后，同學(xué)們通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)本課程作出評(píng)價(jià)，共回收有效問(wèn)卷75份。

(一)滿意度統(tǒng)計(jì)分析

滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)如圖5所示，分別對(duì)課程總體學(xué)習(xí)、課程主題和內(nèi)容以及課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了滿意度調(diào)查，其中非常滿意1、2、3班分別為58.7%、50.67%和49.33%，滿意度分別為38.7%，45.33%和49.33%，說(shuō)明約97%的同學(xué)對(duì)本課程的新工科課程改革表示滿意。

圖5 課程滿意度調(diào)查

基于新工科的開(kāi)放式教學(xué)模式能夠讓學(xué)生充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)和開(kāi)源社區(qū)資源進(jìn)行高效地學(xué)習(xí)，而且，學(xué)生也能夠通過(guò)不斷地交流互動(dòng)得到及時(shí)有效的評(píng)價(jià)反饋。

(二)課程內(nèi)容與掌握程度調(diào)查

在課程改革過(guò)程中，針對(duì)各個(gè)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容的難易程度和學(xué)生的掌握程度做了問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果如圖6所示。其中約為48%的同學(xué)認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容難易適中，52%左右的同學(xué)認(rèn)為學(xué)習(xí)內(nèi)容較難。調(diào)查結(jié)果表明人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)較難，需要學(xué)生花費(fèi)更多的時(shí)間去理解和掌握。

圖6 學(xué)生掌握程度調(diào)查

(三)課程主題感興趣程度調(diào)查

對(duì)課程各個(gè)教學(xué)模塊學(xué)生感興趣內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查，如圖7所示，學(xué)生最感興趣的內(nèi)容為AI與游戲，其次是搜索與博弈。調(diào)查表明游戲方面的內(nèi)容學(xué)生更加感興趣，考慮在以后的教學(xué)內(nèi)容中可采用游戲化的方式教學(xué)。

圖7 學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容感興趣百分比調(diào)查

四 結(jié)束語(yǔ)

本文基于 “新工科”的要求，對(duì)人工智能課程的課程體系、教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)模式和教學(xué)評(píng)測(cè)等方面進(jìn)行改革和實(shí)踐。以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，基于開(kāi)源課程的教學(xué)模式，以產(chǎn)學(xué)合作和項(xiàng)目沉浸式的方式讓學(xué)生體驗(yàn)一個(gè)AI工程項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)合作完成的過(guò)程，從而更好地完成課程教學(xué)。