李兆飛,熊興中,任小洪,曹立佳,何平
(1.四川輕化工大學 自動化與信息工程學院,四川 宜賓;2.人工智能四川省重點實驗室,四川 宜賓;3.暨南大學 智能科學與工程學院(物聯(lián)網(wǎng)與物流工程研究院),廣東 珠海)
隨著科技的發(fā)展,信息化時代已經(jīng)由“電子化”發(fā)展到“數(shù)字化”,其終極階段必然是其高級階段“智能化”。智能科學技術(shù)正是社會發(fā)展的必然,是人類心智能力的機器實現(xiàn)的關(guān)鍵,目前的研究策略主要是類腦計算、腦機融合和非經(jīng)典計算的“自然機制+算法”的途徑[1]。該專業(yè)的目標是將人類智能植入機器,使其更加“聰明”靈活地服務于人類社會,是目前科技發(fā)展的前沿、交叉學科。自2003 年北京大學率先開辦“智能科學與技術(shù)”專業(yè),截止2020 年開辦該專業(yè)的高校已有100 余所。其中,獲批該專業(yè)的高校到2017 年底為57 所,獲批高校中“雙一流”建設高校占了大部分[2],其他地方院校是近兩年才申辦獲批,我校智能科學與技術(shù)專業(yè)也是2018 年獲批,2019 年開始招生。
地方院校的專業(yè)建設既是區(qū)域經(jīng)濟、社會發(fā)展所需要的技術(shù)、智力及人才的主要源泉,也是提升區(qū)域技術(shù)及文化創(chuàng)新的可靠保障[3]。但沒有一流課程,就不會有一流專業(yè),就更談不上一流本科[4]。因此,專業(yè)建設中一流本科、一流專業(yè)、一流課程之間的關(guān)系是相輔相成的,但課程的建設是基礎。而目前各高校對“智能科學與技術(shù)”專業(yè)的理解差異巨大[5],對專業(yè)課程的設置也就存在巨大差異。課程包含學校教師所講授的各門學科,還有有計劃、有目的的教育活動。從廣義上講,是指學校為落實培養(yǎng)目標而精選的教育內(nèi)容及其進程的總和;從狹義上講,是指某一門學科[6]。根據(jù)教育部對精品課程建設所提出的一流的教師隊伍、一流的教學方法、一流的教材、一流的教學內(nèi)容和一流的教學管理“五個一流”的要求,為地方院校一流課程建設指明方向。因此,本文將結(jié)合“五個一流”就四川輕化工大學智能科學與技術(shù)專業(yè)的“智能科學技術(shù)導論”建設一流課程的理念、思路、內(nèi)容等問題進行有益的探索、創(chuàng)新。
為建設我校智能科學與技術(shù)一流專業(yè)支撐課程,我們將精心打造教學協(xié)作課程組團隊,以行業(yè)前沿及最新發(fā)展為依據(jù)進行教學大綱、教材、教案和教學案例庫、教輔的建設;從傳統(tǒng)的“教師講授”為主導的課程模式轉(zhuǎn)向以“學生體驗式智(慧)學(習)”為中心的學習方式,打造“以學生為中心,緊跟專業(yè)科技前沿,對標國內(nèi)一流課程”的《智能科學技術(shù)導論》課程理念建設。
我校智能科學技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標是具有人文素養(yǎng)、社會責任感、職業(yè)道德;能夠掌握自然科學基礎知識和智能科學與技術(shù)領(lǐng)域的基本理論、專門知識和技能,能夠在科研院所、現(xiàn)代工企業(yè)等部門從事人工智能、智能化機器人、智能控制與決策、智能信息處理、智能傳感器應用等領(lǐng)域的系統(tǒng)設計開發(fā)與調(diào)試、運行管理與維護、科學研究和教育教學等工作;能夠解決智能科學與技術(shù)領(lǐng)域復雜工程的問題,適應科技進步和社會發(fā)展需要的復合型應用型人才。同時,我校智能科學與技術(shù)專業(yè)按照“工程認證”的要求,制定了本專業(yè)學生畢業(yè)五年后應達到的預期人才培養(yǎng)目標。從該培養(yǎng)目標可以顯現(xiàn)出《智能科學技術(shù)導論》課程在整個人才培養(yǎng)生態(tài)鏈中扮演著“入門磚”的重要地位[8]。這集中體現(xiàn)于如下兩個方面。
(1)課程能力體系。該課程是智能科學技術(shù)專業(yè)基礎必修課,課程聚焦實際需求,能系統(tǒng)、科學地回答學生的專業(yè)學習疑問,能幫助學生從整體上認識本專業(yè),并初步的了解智能科學技術(shù)領(lǐng)域。
(2)課程教學進程。該課程處在教學進程的第二學期,是該專業(yè)的第一門專業(yè)課程。是為該專業(yè)學生認識和了解智能科學技術(shù)的基本知識、概念而設置的一門概述性課程,對專業(yè)核心課程的學習具有導向作用[9]。探討如何建設該課程相當必要。
一門沁人心扉的課程,不僅需要配置專業(yè)的課堂教學師資,同樣應該有穩(wěn)定的課程協(xié)作教學團隊,而目前的狀況是不少課程往往缺乏這樣的一支團隊。智能科學技術(shù)專業(yè)的《智能科學技術(shù)導論》課程開設于大一下學期,是該專業(yè)的第一門專業(yè)基礎課,在于全面了解該專業(yè)的概況。是后續(xù)《模式識別》、《圖像處理》及《自然語言處理》等多門專業(yè)核心課程的凝練,涉及的知識點多、面、廣并不斷演化。并且專業(yè)核心課程一般在大三、大四開設,由于認知能力和知識結(jié)構(gòu)的不足,新生難于將深奧的專業(yè)教學及知識形成整體性認知,對從整體上介紹本專業(yè)的導論課程所涉及的學科形態(tài)掌握程度有限,也就是導論學習和專業(yè)學習存在斷層。因而該課程對授課教師本身的專業(yè)素養(yǎng)要求較高,想要高質(zhì)量的完成教學任務,需要課程生態(tài)鏈上多位教師之間相互緊密協(xié)作。此外,目前的現(xiàn)狀教師一到下課就離開了,在課堂之外教師對學生的學習支持、輔導及進一步咨詢不夠,缺乏一種制度性的安排。一門沁人心扉的課程,需要在課堂內(nèi)外同時提供給學生高質(zhì)量的學習機會。
因此,需要通過課程的特點和課程間的相關(guān)性,形成教學協(xié)作課程組,通過課程協(xié)作的形式“解答”學生對專業(yè)問題的疑惑,為學生提供該課程的課業(yè)輔導、課后咨詢。
由于智能科學技術(shù)專業(yè)研究領(lǐng)域的前沿性和交叉性,使得該“入門”性質(zhì)的導論課程教學知識點龐雜、獨立,導致老師組織課堂講授內(nèi)容寬泛,缺少針對性。授課內(nèi)容既不能涉及高深的理論(學生會失去信心),也不能對內(nèi)容進行重復性的講解(學生會失去學習興趣),更不能沒有最新科技成果融入課程(學生會與該專業(yè)產(chǎn)生距離感),所以在教學內(nèi)容的組織和安排上就相當關(guān)鍵[7]。但目前的現(xiàn)狀是教師可供選擇的符合教學內(nèi)容的相關(guān)針對性的教材太少,也沒有符合各自高校培養(yǎng)理念的教材。要知道一套與時俱進、持續(xù)演進的、貼近學生生活的且符合高校專業(yè)特色的課程教材、配套教案及教學案例庫將大大提升教學效果及課程建設的質(zhì)量。對于課程案例庫,相關(guān)高校已進行了建設,但有的缺乏有效的管理,分類也不科學,利用率較低,沒有權(quán)限取得相關(guān)資源。另外,由于老師對課程案例庫建設缺乏熱情,學生也缺乏參與度,以往相關(guān)聯(lián)課程已經(jīng)建設的課程案例庫類型較為單一,專業(yè)針對性不強。
因此,在教學內(nèi)容上,教學協(xié)作課程組團隊將持續(xù)跟蹤技術(shù)發(fā)展前沿,精心組織教學內(nèi)容、定期編著及持續(xù)修訂、演化課程教材、教案及課程案例庫。
由于智能系統(tǒng)強調(diào)的是用機器模擬人類心智,強調(diào)人機交互,研究對象是智能機器,需要時常與機器打交道。但目前只注重從老師方面加強課程建設,只強調(diào)課程內(nèi)容廣度的輸入,淡化了學生學習成效的體驗和展示,學生沒有建立完整的知識體系,未能通過課程學習延伸知識結(jié)構(gòu),深度獲得感、成就感也就無從談起,對后續(xù)專業(yè)課教學產(chǎn)生極為不利影響。因此,傳統(tǒng)的教學模式已不能滿足智能時代智能科學與技術(shù)專業(yè)學生的課程教育需求。雖然新型教學模式“翻轉(zhuǎn)課堂”創(chuàng)建了“半開放式”的教學形式、MOOC構(gòu)建了自組織的開放式深度協(xié)作式教學,讓人們看到了希望。但如何使信息時代的高校教育模式與智能時代智能科學技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式相匹配,使教育模式升級成為智能化時代的智慧模式。
因此,在教學模式上該課程目前擬采用的講座+小組討論的混合教學并和建立的真實的“教、學互動體驗平臺”“人工智能體驗中心”結(jié)合起來,通過體驗、互動,能進一步刺激學生的學習激情,反之,也將對課程建設形成反饋的積極作用。
由于目前普遍存在“以老師為中心”的課程過于強調(diào)老師的教學內(nèi)容、教學藝術(shù)及教學質(zhì)量的評判方式。直接導致了一流課程建設的效果不甚理想。然而,教學是為提升學生學習的效果而不僅只是提高老師教的效果,注重“學習效果”而不是“教學內(nèi)容”,強調(diào)“引導學生”而不是“灌輸學生”,其首要目標在“學”。另外,一般專業(yè)課只要學生努力學習,基本就能掌握相關(guān)知識,學習效果比較顯著?!吨悄芸茖W技術(shù)導論》課程由于其教學目的、內(nèi)容及要求等方面的導向性,學習效果只能在后續(xù)專業(yè)課程中逐漸體現(xiàn),僅僅通過傳統(tǒng)考試打分的模式很難檢驗學習成效,同時也容易束縛學生的思維。
因此,在課程教學質(zhì)量評價時教師角色由主要作為講解者變?yōu)閷W習方法、環(huán)境及情境的設計者。開設課程之初就建立“以學生及學習為中心”的合理課程質(zhì)量評價方式。具體我們是采用的多樣化的課程成績評定與課程目標達成度相結(jié)合的“專業(yè)認證”的評價方式。
根據(jù)課程的教授內(nèi)容、課程間的相關(guān)性及《智能科學技術(shù)》導論課程的特點,聚集該課程生態(tài)鏈上的教師形成教學協(xié)作課程組,建立一支穩(wěn)定的教學協(xié)作課程組團隊和課業(yè)顧問團隊。《智能科學技術(shù)導論》是該專業(yè)的第一門專業(yè)基礎課程,涵蓋了該專業(yè)的所有基礎性及技術(shù)性問題,對教師的要求非常高,單靠某個專業(yè)教師普遍難以勝任。也就是如果學生沒有搞清楚該專業(yè)會學些什么、怎么學的問題,會嚴重影響后續(xù)專業(yè)課程的學習;同樣,如果通過這樣一門“入門磚”課程能使學生對該專業(yè)產(chǎn)生濃厚興趣,會大大有益于后續(xù)專業(yè)課程的學習。
因此,需要聚集課程生態(tài)鏈上多名具有深厚基礎理論知識、豐富的科研經(jīng)驗和工程實踐經(jīng)歷、寬廣的專業(yè)知識、高水平的教學藝術(shù)和能力及豐富的大學生思想政治教育經(jīng)驗的教師通過教學協(xié)作共同完成“授課”。我們打造的協(xié)作課程組團隊由學院任小洪教授、熊興中教授、曹立佳副教授、李兆飛博士、趙俊博士、林國軍博士、江林巧博士所組成。任小洪教授從事人工智能研究及課程講授多年;熊興中教授主要從事智能信息處理研究及管理工作;曹立佳副教授從事智能控制及智能機器人研究及教學、管理工作;李兆飛博士主要從事智能系統(tǒng)及機器學習方面的研究及教學工作,該團隊能發(fā)揮各自教師的科研、實踐經(jīng)驗及學科知識的優(yōu)勢,對共同完成課程不同專題的“授課”(主要由團隊前四位老師承擔)任務,“解答”學生對專業(yè)問題的疑惑有很大的積極影響。同時,該教學協(xié)作課程組教師在課后(主要由團隊后三位老師完成)也為學生提供課程的作業(yè)輔導及咨詢,為學生提供高質(zhì)量的學習機會。
針對該《導論》的課程“入門”性質(zhì),教學內(nèi)容建設方面,對標行業(yè)前沿打造課程教材、精心組織教學內(nèi)容、教案及演示案例庫,設計詳細教學流程。
1.在教材及教案建設方面
在前期教學協(xié)作課程組團隊精心共同編制課程教學大綱基礎上,根據(jù)其基本要求嚴格篩選教材,我們選擇的原則是優(yōu)先選用國家級規(guī)劃教材。由于是新興專業(yè),相關(guān)教材太少,最終在北京大學鐘義信教授所編寫的智能科學技術(shù)本科專業(yè)系列教材《智能科學技術(shù)導論》(2006 年出版)和廈門大學周樂昌教授所編寫的智能系統(tǒng)與技術(shù)叢書《智能科學技術(shù)導論》(2018 年出版)兩本教材中選擇。通過教學協(xié)作課程組老師的討論,兩本教材各有優(yōu)點:鐘教授的教材較貼近本科生作為導論課程學習的體系,而周教授的教材內(nèi)容偏多,對人腦機制及人體運動原理的介紹偏多,不太適于本科學習體系,但其內(nèi)容更能反映該專業(yè)近年來的研究,也有課后習題。經(jīng)討論,還是一致通過選用鐘義信教授的《智能科學技術(shù)導論》作為我們的教材,周昌樂教授的教材作為主要參考教材,結(jié)合其內(nèi)容和我校專業(yè)特點進行相關(guān)內(nèi)容的講解。
教學協(xié)作課程組初步的教學內(nèi)容專題“講座”分工是由任小洪教授負責智能科學技術(shù)概念及其知識結(jié)構(gòu)專題的“講授”設計(4 學時);由熊興中教授負責智能科學技術(shù)專業(yè)學習原理及相關(guān)學科的關(guān)系專題的“講授”設計(4 學時);由曹立佳副教授負責智能科學技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展、社會進步及智能信息網(wǎng)絡專題的“講授”設計(4 學時);由李兆飛博士負責智能系統(tǒng)及學科前景展望專題的“講授”設計(4 學時)。在此基礎上,我們教學協(xié)作課程組集體開發(fā)了與該教材和參考教材相配套的符合我校專業(yè)特色的各專題多媒體課件和教案。
由于我校是初建該專業(yè),并且該專業(yè)也是當今科技研究的前沿,本身在不斷演進,因此,后續(xù)我們會不斷學習,持續(xù)跟蹤技術(shù)發(fā)展,在實踐教學的基礎上“去粗存精”并結(jié)合我校專業(yè)特色進一步完善、修訂、演化講解內(nèi)容和講解體系,同時定期修訂、完善課程教案和多媒體課件,最終形成自己的講義和教案,力爭出版我校自己的《智能科學技術(shù)》導論課程教材。
2.在教學案例庫建設方面
由于該課程是導論課程,學生還未掌握該專業(yè)相關(guān)的技術(shù)和技能,因此,我們會邀請行業(yè)專家參與建立智能系統(tǒng)相關(guān)的幾個典型案例讓學生參與演示。該課程案例必須遵循包含該專業(yè)課程知識點、貼近生活并有趣的原則。根據(jù)這樣的原則,我校目前規(guī)劃的凝練的案例主要有基于自然語言處理的智能人機會話系統(tǒng)演示案列、基于智能控制的無人機系統(tǒng)演示案例及基于圖形處理的智慧物流系統(tǒng)演示案例,這些有趣的案例能反映該專業(yè)的知識并激發(fā)學生學習該專業(yè)的興趣。
后續(xù)我們會考慮將課程案例庫的建設成果納入課程質(zhì)量評價體系,努力爭取校、院、系支持或者邀請高年級師生參與建設課程案例庫,進一步開發(fā)、建立和演化這樣的演示教學案例庫。
3.開展師生互動的體驗式智慧教學
在教學模式上我們采用的是“講座+小組專題報告+討論”的混合教學,和建立的真實的“教、學互動體驗平臺”“學習成果體驗環(huán)境”相結(jié)合能更進一步激發(fā)學生學習激情,反之,也能對課程建設產(chǎn)生正反饋的積極作用。
(1)教學模式改進。
《智能科學技術(shù)導論》課程遵循“以學生為中心”,教學模式必須轉(zhuǎn)變,即從傳統(tǒng)的“以教師講授”轉(zhuǎn)向“以學生參與”為中心的“講座+小組專題報告+討論”的混合教學學習。課程通過每位老師負責一個專題的“講座”形式,提前設計和布置相關(guān)專題的小組專題報告、討論的問題及課后布置關(guān)于該專題最新技術(shù)發(fā)展的小論文,這樣,在課堂上學生都參與到知識的學習和討論中,就會避免以前“填鴨式”的灌輸知識,讓師生在專題報告和討論過程中學習知識。學生不僅主動掌握了某種知識,而且也激發(fā)了學生主動學習的熱情。通過該教學模式,教師不再是知識的講解者,而是學習目標的制定人、學習資源的提供者和學習疑難的參謀、顧問;學生也不再是知識的被動接受者,而是問題的提出者和教學的參與者。
(2)教學手段改善。
教學手段方面,通過與科大訊飛合作建立的“小途”機器人“教、學互動平臺”、與達內(nèi)集團共建人工智能學院所建的“人工智能體驗中心”兩個教學平臺,全面改善教學環(huán)境,提升學習質(zhì)量和教學效果。
1)教學互動體驗平臺。利用學院與科大訊飛合作建立的多套基于“互聯(lián)網(wǎng)+”思想設計的“小途”機器人教學互動體驗平臺,該平臺具有人腦識別、語音識別等人機交互功能,并通過裝載的攝像頭、觸摸屏、身份證閱讀器等外設,能實現(xiàn)業(yè)務引導、信息查詢、自助繳費等功能,并能進行二次開發(fā)。通過在相關(guān)專題導論課程中教師對該平臺相關(guān)功能的展示和簡單的二次開發(fā),讓同學們對智能科學技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣,改變傳統(tǒng)上知識的被動接受及單向傳播狀況,使其體驗式的加入到教學過程中,實現(xiàn)導論課程的體驗式教學。這也有利于在后續(xù)專業(yè)實踐、試驗課程中利用該平臺進行實訓,完善專業(yè)核心課程如《自然語言處理》、《模式識別》課程的實訓式教學體系,實現(xiàn)培養(yǎng)動手能力、掌握技術(shù)技能的實訓教學目的。
2)人工智能體驗中心。借助“AI+智慧學習”項目學院與達內(nèi)集團共建人工智能學院所建立的“人工智能體驗中心”,該體驗中心是一個未來智慧物流平臺,綜合集成了智能控制、目標識別、圖像處理等前沿人工智能科技。通過在導論課程相關(guān)專題學習中對相應平臺的現(xiàn)場演示、體驗和講解,可進一步激發(fā)其學習熱情。另外,人工智能四川省重點實驗室的相關(guān)實驗平臺(智能釀造、柔性機器人倉儲系統(tǒng)等)及學生參加電子設計競賽的成果也可以進行體驗式參觀學習。從專業(yè)角度為學生介紹各平臺及各參賽作品的意義、原理和技術(shù)。
同時,后期我們考慮將通過學院的大數(shù)據(jù)及云計算平臺,搭建實際的仿真成果體驗環(huán)境,大三和大四學習了相關(guān)專業(yè)課程的同學可以將自己學習中“大創(chuàng)”設計作品上傳到平臺向其他同學展示。這樣學生就能獲得成就感,隨著“學習成果體驗平臺”資源的增加和豐富,將進一步激發(fā)學生的學習熱情。
這樣的一種體驗式學習模式,能使教師的教與自己的學都有學生全過程積極參與,又能從平臺場景中體驗和逐步認識、理解、學習掌握智能科學技術(shù)知識,從而產(chǎn)生學習獲得感。但在課程具體實踐中,還需要進一步實踐和探索。
4.制定對課程學習成果的合理教學質(zhì)量評價機制
由于導論課程性質(zhì)的特殊性,教師的角色不再是主要作為講解者,而是作為學習方法和環(huán)境情境的創(chuàng)設者。因此,對課程學習成果的評價不能簡單的采用傳統(tǒng)考試給分的方式進行。在課程建設之初我們采用了多樣化的課程成績評定與課程目標達成度相結(jié)合的“專業(yè)認證”的評價方式。
(1)課程成績評定。該課程在培養(yǎng)體系中屬于考查課,因此,課程成績的評定我們采用出勤占10%、平時作業(yè)(課堂報告、小論文)占30%、期末報告占60%,綜合多樣化的課程成績評定方式,最終課程成績評定=出勤×10%+作業(yè)×30%+期末考核成績×60%。
1)出勤。缺一次扣5 分,兩次扣完10 分;無故曠課累計3 次以上,取消考核資格。
2)平時作業(yè)。包括每個專題查資料完成的小論文、課堂或課后小報告、課堂發(fā)言,使學生了解智能科學技術(shù)方面的新技術(shù)與新成果,為下一步的學習及實際應用打下基礎。每次作業(yè)成績按A+、A、A-;B+、B、B-;C+,……;D 共4 個等級,12 個檔次確定,分別對應百分制中的100、95、90;85、80、75;70、65、60;55、50、45。所有作業(yè)的平均成績作為作業(yè)成績。每缺交作業(yè)一次總次數(shù)均值扣分,遲交作業(yè)成績降一個檔次。作業(yè)雷同或直接上網(wǎng)抄襲將視情況扣分或按缺交處理。
3)期末報告一份。字數(shù)要求五千字以上,圖、表清晰、數(shù)學公式規(guī)范、書寫工整、列出報告關(guān)鍵詞和參考文獻。其中:智能科學技術(shù)概念及其知識結(jié)構(gòu)(25 分);智能科學技術(shù)專業(yè)學習原理、與相關(guān)學科的關(guān)系(20 分);智能科學技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展、社會進步及智能信息網(wǎng)絡(20 分);智能系統(tǒng)及學科前景展望(25 分);大學四年自我規(guī)劃(目標、途徑、計劃安排,10 分)。
(2)課程目標達成度評定。課程開設之初就以“專業(yè)認證”的要求,建立“學生以學習為中心”的課程質(zhì)量評價方式,聚焦學習,把教學內(nèi)容和所支撐的課程分目標對應,把課程分目標與相應的評分標準相對應。根據(jù)課程每個分目標的課程成績結(jié)合學生問卷調(diào)查綜合定量的評價課程學習后各個分目標的“達成度”,每個課程分目標又分為“優(yōu)(90~100分)”“良(80~89 分)”“中(70~79 分)”“及格(60~69 分)”“不及格(0~59 分)”五個等級作為學生學習課程的“獲得感”或成功與否的標準。
在當前疫情環(huán)境下,我們的這一套教學形式已經(jīng)全部移植到線上進行,后續(xù)我們也在考慮線上教學中通過基于大數(shù)據(jù)的分析處理,評估學生的知識建構(gòu)與能力,為學生學習提供更加有效的個性化支持,真正實現(xiàn)“智慧”學習。
本文通過《智能科學技術(shù)導論》在我校的開課現(xiàn)狀,對前期的建設就課程理念、思路及內(nèi)容進行了一些有益的探索,探討了整合教學協(xié)作課程組團隊及課業(yè)輔導團隊;打造課程教材、教案及教學案例庫;開展師生互動的體驗式智慧教學;制定對課程學習成果的合理教學質(zhì)量評價機制的建設策略,以促進其發(fā)揮應有的導向作用。隨著思考和課程建設實踐中對一流課程認識的加深,我們也意識到對“以學生為中心”的線下及線上“講座+”小組討論式課堂教學方面構(gòu)想還不夠深入,教學協(xié)作課程組團隊進行線上互動教學的實踐還需要加強等問題。雖然一流課程的內(nèi)涵也會隨著時代的發(fā)展而變化,但是為培養(yǎng)適應地方經(jīng)濟社會發(fā)展需要的具有創(chuàng)新能力的高質(zhì)量工程技術(shù)人才,我們對課程改革探索的步伐將永不停歇。