張春飛,王成喜,梁 楠

(吉林大學(xué),吉林 長春 130022)

“新工科”建設(shè)是國家主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革而做出的重要戰(zhàn)略行動,旨在培養(yǎng)和造就一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才,以此來為我國核心產(chǎn)業(yè)發(fā)展及提升國際競爭力提供基本的智力支持和人才保障。2018年4月,教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》提到推進(jìn)“新工科”建設(shè),重視人工智能與計算機、生物學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合,形成“人工智能+X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式。伴隨著“新工科”建設(shè)和《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》的不斷推進(jìn),人工智能基礎(chǔ)課程的地位也隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟而得到迅速提升。但是,在培養(yǎng)人工智能創(chuàng)新型人才方面,目前的教學(xué)現(xiàn)狀還存在著諸多亟待解決的問題,主要表現(xiàn)在教學(xué)過程重理論輕實踐,注重知識的傳授,卻忽略了學(xué)生基本能力的培養(yǎng),理論與實踐相脫離。最終導(dǎo)致學(xué)生對于所學(xué)知識的實際應(yīng)用價值產(chǎn)生質(zhì)疑,學(xué)習(xí)失去方向性指導(dǎo),缺乏學(xué)習(xí)的動力,影響最后的學(xué)習(xí)效果。另外,教學(xué)過程中也未能充分考慮學(xué)生認(rèn)知過程中的個體性差異,對于學(xué)生學(xué)習(xí)的目的及意向缺乏足夠的重視,從而實施與“因材施教”背道而馳的群體性教育,教學(xué)效果的考核形式也較單一,存在“一紙試卷定結(jié)果”的現(xiàn)象。因此,針對人工智能基礎(chǔ)課程教學(xué)改革模式的研究,對于“新工科”建設(shè)中新一代人工智能人才的培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義,需要更多的教育界和信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜覟橹粩喔冻雠Α?/p>

傳統(tǒng)課堂授課模式與在線教學(xué)的深度融合模式,已逐漸成為了眾多高校教學(xué)改革的熱門方向。2019年,在全面振興本科教育的背景下,教育部頒發(fā)了《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》,明確指出混合式教學(xué)作為全面推動信息技術(shù)和課堂教學(xué)深度整合的新型模式,成為高等學(xué)校提升教育教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高水平人才的重要抓手。人工智能技術(shù)具有與其他學(xué)科交叉融合的秉性,內(nèi)容涉及計算機、生物學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)等諸多學(xué)科專業(yè)。面向工科專業(yè)的學(xué)生,“人工智能基礎(chǔ)”課程的混合式教學(xué)模式研究主要涉及兩個方面:一是線下教學(xué)過程中對于探究式案例教學(xué)法的研究,側(cè)重于重點概念和核心原理的講授與學(xué)習(xí)過程;二是線上教學(xué)過程中對于個性化教學(xué)平臺的研究與設(shè)計,側(cè)重于學(xué)習(xí)的靈活性和主動性,核心是推薦算法的研究。只有將線上與線下教學(xué)過程有機融合起來,實施真正意義上的“因材施教”策略,才能真正達(dá)到該課程的教學(xué)大綱要求,培養(yǎng)出滿足國家發(fā)展建設(shè)的復(fù)合型人工智能人才。

一、對于“因材施教”的深層次解讀

“因材施教”最早源于我國古代教育家、思想家孔子提出的育人要“深其深,淺其淺,益其益,尊其尊” 的教育理念,強調(diào)教育要針對學(xué)習(xí)者的能力、性格、志趣等具體情況施行因人而異的差異性教學(xué)。

總體來說,可以從兩個層面著手,一方面是學(xué)習(xí)方向的因材施教,即將來要培養(yǎng)出什么類型的人才,可分為理論研究型和實踐應(yīng)用型。針對不同的發(fā)展方向,有計劃地實施不同的培養(yǎng)內(nèi)容,進(jìn)而組織相應(yīng)的授課內(nèi)容,進(jìn)行有取舍的個性化教與學(xué),而非傳統(tǒng)的“群體性統(tǒng)一講授”模式。具體來說,針對理論研究型人才的培養(yǎng),應(yīng)從開始就側(cè)重進(jìn)行人工智能理論素養(yǎng)的培養(yǎng),著重算法層面的教育和引導(dǎo)。例如,針對當(dāng)前的人工智能研究前沿領(lǐng)域機器學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,注重創(chuàng)新性算法及理論的引導(dǎo)學(xué)習(xí)。而針對實踐應(yīng)用型人才的培養(yǎng),則強調(diào)理論應(yīng)用于實際能力的培養(yǎng),重點落實在解決實際問題的能力的教育上,重在培養(yǎng)實踐類工程人才。例如,為迎合人工智能技術(shù)應(yīng)用于工程實踐的需要,強化圖像識別與分類技術(shù)的學(xué)習(xí),強化智能技術(shù)與傳感器及機械傳動方面的接合等,最終使得技術(shù)與實際需求相接軌、學(xué)習(xí)與應(yīng)用相結(jié)合。

另一方面是學(xué)習(xí)內(nèi)容的因材施教,即針對學(xué)生學(xué)習(xí)能力的差異,進(jìn)行有差異性的自主性個性化學(xué)習(xí)。借助學(xué)習(xí)平臺,根據(jù)學(xué)生對于所學(xué)知識點的實際掌握情況,進(jìn)行分析、推理和總結(jié),進(jìn)而進(jìn)行有針對性的推薦學(xué)習(xí)內(nèi)容,實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)平臺的個性化分析和評估模塊能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和對當(dāng)前知識的掌握情況,結(jié)合課程知識點間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系,推薦相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。例如,學(xué)生對于當(dāng)前知識點掌握情況較好,根據(jù)其學(xué)習(xí)需求推薦新的學(xué)習(xí)內(nèi)容,而當(dāng)學(xué)生對于當(dāng)前知識點掌握情況不理想,則依據(jù)知識點拓?fù)潢P(guān)系推薦欠缺知識點相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí),做到學(xué)習(xí)內(nèi)容因人而異。

二、“人工智能基礎(chǔ)”課程教學(xué)模式改革策略

“人工智能基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式改革策略主要涉及到兩個方面:一是線下教學(xué)過程中對于探究式案例教學(xué)法的研究,側(cè)重于重點概念和核心原理的講授與學(xué)習(xí)過程;二是線上教學(xué)過程中對于個性化教學(xué)平臺的研究與設(shè)計,側(cè)重于學(xué)習(xí)的靈活性、主動性和差異性。只有將線上與線下教學(xué)過程有機融合起來,才能真正達(dá)到該課程的教學(xué)大綱要求,培養(yǎng)出復(fù)合型的人工智能人才。

(一)線下探究式案例教學(xué)法在人工智能基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

內(nèi)容廣泛、理論多、概念抽象、原理復(fù)雜是人工智能基礎(chǔ)課程的特點。因此對于初次接觸的學(xué)生來說不容易掌握,還容易產(chǎn)生枯燥和厭學(xué)的情緒。而且,當(dāng)下人工智能課程的理論教學(xué)中,往往更多的是強調(diào)基本概念和理論的講授,而忽略了學(xué)生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng),沒有聯(lián)系知識的應(yīng)用背景,從而具有片面性,本質(zhì)上阻礙了工科學(xué)生創(chuàng)新能力的養(yǎng)成。

探究式案例教學(xué)法的基礎(chǔ)在于理論教學(xué)案例庫的建設(shè)。構(gòu)建案例庫應(yīng)該涵蓋理論知識、專業(yè)領(lǐng)域和當(dāng)前研究的熱點問題,要使教學(xué)過程更加貼近實際生活,從而能夠加強學(xué)生對人工智能基本理論的理解,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和效率。在實際教學(xué)過程中,對于案例的設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格遵從以下原則:一是能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;二是問題設(shè)計有針對性;三是有利于培養(yǎng)高層次的計算思維;四是有利于教師與學(xué)生的有效性交往。

例如,對于知識表示中的產(chǎn)生式系統(tǒng)講解,可以引入當(dāng)前的熱點話題“人機大戰(zhàn)”,通過介紹該事件的背景和比賽的結(jié)果,充分激發(fā)學(xué)生的興趣,并適時將產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理穿插其中,根據(jù)學(xué)生的實際掌握情況有針對性地將機器博弈中常用的極小極大過程和α-β剪枝算法講授給學(xué)生,并引導(dǎo)學(xué)生利用該知識點開發(fā)相應(yīng)的棋類博弈程序。對于狀態(tài)圖表示法引入圖1所示的漢諾塔問題、對于搜索策略引入猴子摘香蕉問題、對于A*算法的講解,則是先講授原理及算法,然后應(yīng)用學(xué)習(xí)的原理及算法解決野人與修道士過河的問題,通過實踐使學(xué)生真正掌握原本枯燥的啟發(fā)式搜索算法。針對每一個核心原理都有相應(yīng)的多個案例事件與之相對應(yīng),從而提高理論教學(xué)的效果,使得原本生硬難懂的概念、原理變得鮮活生動起來。

圖1 漢諾塔問題

探究式案例教學(xué)法在實際教學(xué)過程中根據(jù)講授內(nèi)容的不同,主要通過兩種模式進(jìn)行:一是先導(dǎo)入案例分析,后引入知識點講解;二是先講述相關(guān)知識點,后引入案例學(xué)習(xí)。前者利于引入當(dāng)下的熱門話題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,后者則有利于引導(dǎo)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于解決實際問題,從而明確學(xué)習(xí)的針對性和目的性。例如,針對圖1所示的三階漢諾塔問題,可以先導(dǎo)入實際問題,并與學(xué)生采用交互式或分組討論的形式完成三階漢諾塔問題的求解。留時間給學(xué)生充分思考和實踐,從中找出解決問題的方法及步驟,最后水到渠成地引入問題歸約法,即利用人工智能的方法解決實際問題。最后形成知識點的總結(jié),即問題歸約法的組成:一個初始問題描述;一套把問題變換為子問題的操作符;一套本原問題。進(jìn)而講授問題歸約的實質(zhì)是:從目標(biāo)出發(fā)逆向推理,通過原問題建立子問題,最后把初始問題歸約為一個本原問題的集合,引導(dǎo)學(xué)生建立如圖2所示的漢諾塔問題歸約圖。

圖2 漢諾塔問題歸約圖

探究式案例教學(xué)法也有利于“因材施教”策略的施行,授課過程中通過觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和對知識點的掌握情況,合理安排適當(dāng)?shù)陌咐v解。尤其適合于分組討論的情況,可根據(jù)各個小組學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿與興趣,分配不同的討論案例,小組與小組之間也可穿插進(jìn)行,鼓勵互助式學(xué)習(xí),提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感,推動參與者共同進(jìn)步。

(二)線上基于智能教學(xué)平臺的個性化學(xué)習(xí)

個性化教學(xué)平臺的建設(shè)目的是實現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和差異化學(xué)習(xí),實現(xiàn)教學(xué)過程“以課程為中心”向“以問題為中心”和“以培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力為中心”的轉(zhuǎn)變。旨在整合高等院校教育教學(xué)資源的基礎(chǔ)上,為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)氛圍,滿足高等院校中學(xué)生線上線下相結(jié)合的個性化學(xué)習(xí)需求,真正做到素質(zhì)教育和因材施教,從而提高學(xué)生對于“人工智能基礎(chǔ)”課程的整體學(xué)習(xí)效率,促進(jìn)學(xué)生個體的全面發(fā)展。

平臺建設(shè)首先要解決的問題是總結(jié)繪制該課程的知識點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,并以此為基礎(chǔ),構(gòu)建“人工智能基礎(chǔ)”課程的知識點素材集。充分掌握知識點間的前后銜接關(guān)系,自動組織并推薦學(xué)習(xí)的內(nèi)容,實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。人工智能基礎(chǔ)課程部分知識點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。知識點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是學(xué)習(xí)平臺推薦算法的基礎(chǔ),也是學(xué)生獲得新的學(xué)習(xí)內(nèi)容的依據(jù)。

圖3 “人工智能基礎(chǔ)”部分知識點拓?fù)鋱D

個性化推薦學(xué)習(xí)平臺的總體架構(gòu)如圖4所示。其中,教學(xué)規(guī)則和教學(xué)策略采用產(chǎn)生式系統(tǒng),推理方式采用前向推理,即“由前提推出結(jié)論”,形式如“IF 前提 THEN 結(jié)論”。該形式與我們的認(rèn)知過程相符合,容易將我們所具有的知識形式化并轉(zhuǎn)化為智能平臺所對應(yīng)的領(lǐng)域知識。根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力和對當(dāng)前知識點的掌握情況自動推薦組織后續(xù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。個性化分析和評估模塊是實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),功能是根據(jù)課程的知識點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及學(xué)生對于知識點的掌握情況,分析其學(xué)習(xí)過程中存在的問題,為個性化調(diào)度模塊提供依據(jù)。最后由個性化調(diào)度模塊完成待學(xué)習(xí)內(nèi)容的組織和推薦,即如果當(dāng)前知識點掌握情況較好,則根據(jù)知識點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖形成后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容,如果當(dāng)前知識點掌握不好,依據(jù)分析和評估模塊提供的依據(jù),向前溯源找到問題所在,并提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。個性化學(xué)習(xí)平臺充分發(fā)揮了智能性的特點,針對不同認(rèn)知能力的學(xué)生提供不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容,真正做到因材施教和個性化學(xué)習(xí)。

圖4 個性化推薦學(xué)習(xí)平臺架構(gòu)

(三)教學(xué)過程的組織和實施

人工智能基礎(chǔ)課程的線下線上相融合的教學(xué)模式在組織和實施過程中更加突出了授課內(nèi)容組織的靈活性,教師的角色從課堂的掌控者變成了學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。教師可根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力差異和學(xué)習(xí)效果實時調(diào)整授課的內(nèi)容及線上線下授課的比例,從而實現(xiàn)從教學(xué)過程“以教師為中心”轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心”。

課程的組織總的來說分線下線上兩部分進(jìn)行實施,線下教師授課側(cè)重于重點概念和核心原理的講述,尤其是前期講授過程中發(fā)現(xiàn)的對于學(xué)生來說難以理解易于混淆的部分。例如基于邏輯的問題求解方法中,Herbrand定理和魯賓遜歸結(jié)原理歷來都是學(xué)習(xí)的重點和難點,必須采用線下探究式案例教學(xué)法,一步一步引導(dǎo)學(xué)生掌握。另外,在授課的過程中,教師也應(yīng)該實時關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果,以決定接下來的授課形式。

線上教學(xué)強調(diào)的是實踐部分的學(xué)習(xí),能夠運用學(xué)習(xí)到的理論知識解決相關(guān)的實際問題,并且通過自測來發(fā)現(xiàn)存在的缺陷及漏洞,及時加以補充。線上教學(xué)平臺既可以部署在校園網(wǎng)平臺上,供校內(nèi)學(xué)生使用,也可以部署在華為云平臺上,供校內(nèi)及校外學(xué)生使用。線上自主學(xué)習(xí)也不是教師完全的放任不管,而是充分相信學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,通過在線答疑的形式解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題。

人工智能基礎(chǔ)課程的考核形式也有別于其他課程,更加注重知識應(yīng)用于實踐的能力,因此除去學(xué)生必須要掌握的課程基礎(chǔ)知識采用統(tǒng)一答題的形式外,又加入了分組實訓(xùn)的環(huán)節(jié),小組成員共同完成一個實例,教師給出小組的分?jǐn)?shù),然后由各個小組的成員按照貢獻(xiàn)率自行分配相應(yīng)的分?jǐn)?shù),從而達(dá)到促進(jìn)學(xué)生參與積極性的目的,提高其合作解決問題的能力。

課題研究工作在吉林大學(xué)工學(xué)部2022級新生中展開,為驗證“人工智能基礎(chǔ)”課程線上線下融合式教學(xué)的效果,隨機選取兩個平行班進(jìn)行實驗,人數(shù)均為60人,一個班采用傳統(tǒng)線下授課模式,另一個班則采用本課題研究的線上線下融合式教學(xué)模式。實驗從學(xué)習(xí)興趣、學(xué)生滿意度、解決復(fù)雜問題能力和考試通過率四個方面進(jìn)行評價,實驗對比結(jié)果見表1。

表1 “人工智能基礎(chǔ)”傳統(tǒng)授課模式與線上線下融合模式效果對比

實驗結(jié)果反映出采用本課題提出的線上線下融合式教學(xué)模式在“人工智能基礎(chǔ)”課程教學(xué)過程中的優(yōu)勢,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

三、總結(jié)

針對人工智能基礎(chǔ)課程的特點和工科學(xué)生認(rèn)知能力的差異,本文研究了線上線下融合式的教學(xué)模式,目的在于提高人工智能基礎(chǔ)課程學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,提升課堂授課質(zhì)量,最終培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。線下教學(xué)采用探究式案例教學(xué)法,充分調(diào)動學(xué)生的興趣,提升學(xué)生實際解決問題的能力,線上教學(xué)依托學(xué)習(xí)平臺使學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)。實踐結(jié)果顯示了該模式在實際教學(xué)過程中的有效性,能夠為同類的研究提供相應(yīng)的參考。