何東曉，金 弟，王英奎，2

（1.天津大學 智能與計算學部，天津 300350；2.天津仁愛學院 計算機科學與技術(shù)系，天津 301636）

0 引言

為深化工程教育改革、建設(shè)工程教育強國，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”［1］和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》［2］和《關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》［3］。教育部、中央政法委、科技部等13個部門于2019年4月29日在天津聯(lián)合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)，以提升高校服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展的能力［4］。

針對科技發(fā)展的新形勢，新工科建設(shè)一方面開設(shè)了新專業(yè)，另一方面對已有工科專業(yè)提出了全新要求。人工智能作為一門交叉學科，在新工科建設(shè)中有著非常重要的地位，在眾多現(xiàn)實領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用前景，如自然語言理解、計算機視覺、自動駕駛、語音處理等［5］。2017年7月，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》［6］；2018年4月，教育部制定了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》［7］。人工智能已經(jīng)成為中國科技發(fā)展的“頭雁”，人工智能教育在高校中逐步成為了核心內(nèi)容。

人工智能的研究對象是知識，目標是讓機器模擬人類大腦，從而實現(xiàn)機器智能。在無法從生物學角度完全揭示人類大腦組織結(jié)構(gòu)和工作原理的情況下，人工智能需要進行復雜而系統(tǒng)的建模，然后對模型不斷進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)具有一定人類智能程度的機器智能。因此，人工智能人才必須掌握全面的人工智能專業(yè)知識，具有深入的數(shù)學功底，以及較強的程序開發(fā)能力［8］。

綜上所述，新工科建設(shè)為人工智能教育提供了新的機遇和挑戰(zhàn)，高校人工智能課程的教學目標是讓學生系統(tǒng)、全面地掌握人工智能學科的知識結(jié)構(gòu)和理論體系［9］。無論是當今社會科技的發(fā)展對人工智能人才的孜孜以求，還是新工科建設(shè)對人工智能教育領(lǐng)域的重點關(guān)注，都在促使人工智能大學教育思索如何使教育發(fā)揮最大實效［10-17］。目前高校中的人工智能課程體系需要適應(yīng)當前的社會發(fā)展需求。

1 相關(guān)工作

近年來隨著新工科建設(shè)要求的提出，學者們進行了大量的人工智能教學相關(guān)研究［18-29］。文獻［24］從理論課、實踐課、科研訓練及創(chuàng)新幾個方面分析了人工智能課程體系構(gòu)建；文獻［25］研究了新工科建設(shè)背景下人工智能人才培養(yǎng)路徑；文獻［26］通過對新工科背景下地方高校在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中存在問題的研究，提出“創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”“三創(chuàng)合一”的智能人才培養(yǎng)體系；文獻［27］研究了“教研賽訓”工作室人才培養(yǎng)模式在人工智能教育中的實踐；文獻［28］從教學方法、教育理念、培養(yǎng)模式等方面提出人工智能人才培養(yǎng)改革思路；文獻［29］從人工智能人才培養(yǎng)方案、人工智能課程體系構(gòu)建和本碩博人才培養(yǎng)路徑三方面研究了新工科背景下人工智能課程體系建設(shè)思路。

然而，以上研究工作缺少對人工智能課程體系本質(zhì)特征的分析。人工智能課程體系涉及眾多基礎(chǔ)理論知識，例如數(shù)學、信息科學、數(shù)理邏輯［30］等，學生有大量知識需要掌握。此外，學生還需要參與課程實踐以及項目實習活動。在新工科建設(shè)背景下，目前的人工智能課程存在以下痛點：

（1）課堂理論教學難以有效實施。人工智能作為一門學科，具有系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論體系，涉及到數(shù)學、信息學、計算機科學等眾多學科。因此，如何把人工智能基礎(chǔ)理論系統(tǒng)地傳授給學生是一個長期存在的難題。根據(jù)2021年、2022年對天津大學智能相關(guān)專業(yè)220名學生的調(diào)查顯示，高達85%的學生反映基礎(chǔ)理論部分枯燥難懂（如知識表示和推理），部分學生產(chǎn)生了抵觸情緒，學生學習壓力普遍較大。

（2）教學手段單一，與社會發(fā)展脫節(jié)。目前的人工智能教學手段主要包括課堂教學、機房上機練習以及課下大作業(yè)等。其中，課堂教學居主體地位，輔以課上或課下機房上機練習，課下大作業(yè)由學生單獨或建立小組完成。這種教學手段過度依賴于面對面的教師講授，沒有充分利用便捷、有效的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，已難以適應(yīng)當前社會的快速發(fā)展。尤其是在近兩年的疫情中問題尤為突出，離開現(xiàn)實課堂課程便難以有效、正常運行，無論是上機練習還是課程大作業(yè)的完成質(zhì)量均難以得到有效保障。因此，如何有效融入在線教學資源成為將來面臨的一個重要問題。

（3）與前沿科學研究脫節(jié)。目前，人工智能課堂上講授的知識大部分為基礎(chǔ)知識和經(jīng)典人工智能方法，學生的課程實踐也主要面向基礎(chǔ)知識。然而，人工智能從1956年誕生開始，經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。人工智能本身就是一門發(fā)展十分迅速的學科，各種新技術(shù)、新模型不斷涌現(xiàn)，例如目前的研究熱點——各種深度學習模型得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。在當前的人工智能課題體系下，在校學生缺乏對人工智能發(fā)展前沿研究的認知，與現(xiàn)實人工智能發(fā)展狀況脫節(jié)。

（4）與實際應(yīng)用脫節(jié)。人工智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實場景中，新工科建設(shè)要求培養(yǎng)人工智能應(yīng)用型專業(yè)人才，而目前在校學生學到的知識大部分是理論知識，難以解決實際問題，導致理論與實踐應(yīng)用嚴重脫節(jié)。

綜上所述，目前人工智能課程體系難以滿足新工科建設(shè)以及現(xiàn)實社會對人才的需求，在人才培養(yǎng)過程中需要進行系統(tǒng)的課程體系改革。

2 課程體系改革目標

本課程體系改革重點關(guān)注以下3個目標：

（1）改進高校人工智能課堂教學模式，提高學生課堂學習效率，加強學生與教師之間的互動，為學生掌握基礎(chǔ)知識打下良好基礎(chǔ)。

（2）提升學生的科研能力，讓學生了解人工智能相關(guān)領(lǐng)域的國際前沿研究水平，學習領(lǐng)域內(nèi)的高水平論文，參與高水平科研項目的開展，不斷拓展學生視野。

（3）與AI企業(yè)合作，構(gòu)建人工智能校企合作平臺，解決高校實踐教學滯后于業(yè)界工程技術(shù)的現(xiàn)實問題，打造新型校企合作的人工智能課程體系。

3 新型人工智能課程體系構(gòu)建

為解決上述人工智能課程體系中存在的問題，實現(xiàn)預定目標，本文提出了新工科背景下的新型人工智能課程體系。

3.1 課程體系改革實施基礎(chǔ)條件

筆者來自天津大學智能與計算學部人工智能教研組，負責計算機專業(yè)本科生人工智能基礎(chǔ)必修課、研究生智能科學必修課等AI核心課程，在人工智能領(lǐng)域具有豐富的教學經(jīng)驗，并與多個人工智能高科技企業(yè)有密切合作，以上條件為新型人工智能課程體系的構(gòu)建與實施奠定了良好基礎(chǔ)。

3.1.1 實驗基礎(chǔ)條件

天津大學智能與計算學部在衛(wèi)津路校區(qū)和津南校區(qū)擁有兩處計算機實驗教學中心，可提供人工智能課程體系建設(shè)所需的實驗設(shè)備。

在服務(wù)器方面，可使用天大超級計算中心部署的曙光“星云”系列高性能計算集群，該集群有56個計算節(jié)點，1 232個CPU核，峰值速度高達每秒11萬億次，內(nèi)存總量2TB，并行存儲總量33TB。同時，天大超級計算中心作為國家超算中心的分中心，可連接“天河一號”超級計算機系統(tǒng)，能夠滿足超大規(guī)模計算任務(wù)的計算需求。此外，筆者所在團隊擁有一臺內(nèi)存 128G（可擴展至256G）的GPU服務(wù)器，帶有2塊1080Ti 11G GDDR5X 顯卡；一臺 2TB 內(nèi)存（可擴展至 4TB）的 Dell R920 服務(wù)器，外加一個 Dell PowerVault MD1200 磁盤儲存陣列（12x 4TB）。另外，在人工智能專業(yè)教學方面，也具備計算機視覺、語音處理、自然語言處理等各個研究方向的基礎(chǔ)實驗條件。

3.1.2 實驗平臺

支撐人工智能課程體系建設(shè)的實驗平臺包括線上實驗平臺和線下實驗平臺兩類，其中線上實驗平臺采用華為云人工智能實驗平臺；線下實驗平臺由天津大學智能與計算學部和多家企業(yè)合作打造，包括人工智能綜合教學實驗箱、人工智能語音開發(fā)套件、機器視覺開發(fā)套件、人工智能機器人開發(fā)套件、人工智能虛擬仿真平臺等。

3.2 課程體系建設(shè)內(nèi)容與實施路徑

3.2.1 新型人工智能課程體系

為解決傳統(tǒng)人工智能課程體系中存在的問題，本文創(chuàng)新性地提出“教學”+“科研”+“創(chuàng)新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系。體系架構(gòu)如圖1所示（彩圖掃OSID碼可見，下同）。

Fig.1 Architecture of artificial intelligence curriculum system圖1 人工智能課程體系架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)知識教育?；A(chǔ)知識教育部分為人工智能課程體系的基礎(chǔ)，包括3部分：公共基礎(chǔ)課、學科基礎(chǔ)課、學科核心課。其中，公共基礎(chǔ)課主要培養(yǎng)學生的基本能力，包括思想政治教育、大學英語、高等數(shù)學、大學計算機基礎(chǔ)、體育、大學物理、形勢與政策等；學科基礎(chǔ)課為人工智能專業(yè)課程打下堅實基礎(chǔ)，主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、離散數(shù)學、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、算法分析與設(shè)計、人工智能概論、Python程序設(shè)計等；學科核心課包括機器學習、人工智能算法基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、知識圖譜、自然語言處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學習、計算機視覺等。

（2）科研培養(yǎng)。在新型人工智能課程系統(tǒng)中，科研培養(yǎng)為主要的創(chuàng)新點。針對人工智能學科發(fā)展迅速的特點，要保證學生掌握知識的及時性和前沿性，必須讓學生具有初步的科研能力。因此，設(shè)置了科技論文寫作、國內(nèi)外學術(shù)交流、學術(shù)道德、科技論文分享和學者專題講座等課程。

（3）創(chuàng)新教育。創(chuàng)新教育主要培養(yǎng)學生對學術(shù)和應(yīng)用的創(chuàng)新能力，包括創(chuàng)業(yè)大賽、科技大賽、新工科創(chuàng)新課程、科研成果（專利/論文）培育等。

（4）實踐教育。實踐教育的目的是為了培養(yǎng)學生的知識應(yīng)用能力，讓學生把課堂上學到的知識以及前沿學術(shù)成果應(yīng)用于現(xiàn)實問題解決中，主要包括科技企業(yè)實習、新工科實踐、教育基地實習、校企合作實習、高校實驗室實踐以及示范課程實踐等。

綜上所述，本文提出以基礎(chǔ)知識教育為基礎(chǔ)，科研培養(yǎng)為創(chuàng)新點，創(chuàng)新教育與實踐教育相互融合的“教學”+“科研”+“創(chuàng)新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系。

3.2.2 新型人工智能課程體系建設(shè)實施路徑

新型人工智能課程體系建設(shè)的整體實施路徑如圖1所示。首先，從基礎(chǔ)知識教育出發(fā)，為科研培養(yǎng)提供保障；其次，科研培養(yǎng)為創(chuàng)新教育和實踐教育提供支撐；最后，創(chuàng)新教育與實踐教育相互支撐，培養(yǎng)學生良好的創(chuàng)新和實踐能力。實施過程中的創(chuàng)新手段如下：

（1）人工智能課堂教學改革。在課堂教學中，將枯燥的人工智能基礎(chǔ)知識用生動化、趣味化的方式呈現(xiàn)，如演示動畫、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等。在教學工具方面，在傳統(tǒng)多媒體教學工具（如PPT、Word、電子白板）的基礎(chǔ)上使用可視化教學演示系統(tǒng)，提升學生的學習興趣和學習效率。例如采用數(shù)學畫圖工具GeoGebra，對于復雜的三維圖形可以進行360度旋轉(zhuǎn)，使數(shù)學概念變得生動、形象、易于理解，如梯度下降（見圖2）、傅里葉變換、卷積操作等，建立教師與學生高度互動的課堂教學風格，提高學生的學習主動性和學習效率。在傳統(tǒng)線下教學的基礎(chǔ)上，引入騰訊會議直播、騰訊課堂、學習通、ClassIn等在線教學工具，探索線上線下相結(jié)合的教學模式。線上的錄播課程和直播課程能夠解決跨時間與跨空間的授課問題，學生不再拘泥于在固定的教室、固定的時間上課，這對未來教學模式的發(fā)展具有重要意義。

Fig.2 Gradient descent of a saddle shape function圖2 有鞍點的梯度下降

此外，在課堂授課中，除講授基本的書本知識外，還邀請國內(nèi)外人工智能領(lǐng)域的著名專家學者做科普講座和專業(yè)知識講座，讓學生對人工智能的不同研究領(lǐng)域有初步認識。通過與領(lǐng)域?qū)＜颐鎸γ娴臏贤ń涣?，可開闊學生視野，提高學生的學習興趣，為其選擇未來的研究方向作出有益指引。

（2）將高校科研實驗室引入人工智能課程體系。許多高校教師都承擔著科研任務(wù)，有成熟的科研實驗室。本課程體系的第二個建設(shè)內(nèi)容即為讓學生參與實驗室前沿科研課題，從基礎(chǔ)的理論理解到模型實現(xiàn)，再到實驗的實施和論文撰寫。還可以讓感興趣的學生參與研究生組會，共同探討國際前沿研究成果。

（3）與企業(yè)合作，打造校企合作平臺。建立人工智能實訓基地，完善學生實訓體系建設(shè)，讓學生在相對集中的實習時間內(nèi)參與實際工作，有效提升學生對人工智能技術(shù)的理解和實踐能力。另外，借助學校和教師的力量，與AI高科技企業(yè)進行合作，讓學生進入企業(yè)深入了解人工智能工程領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。

3.3 課程體系特色

本文提出的人工智能課程體系最大的特色是在新工科建設(shè)指導下，構(gòu)建“教學”+“科研”+“創(chuàng)新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系。其中，“教學”擬沿用一線年輕骨干教師授課、人工智能領(lǐng)域著名教授講座、企業(yè)實際項目指導三維教學模式；“科研”擬以高校教師科研實驗室為核心，提升學生的科研素養(yǎng)，擴展學生的視野；“創(chuàng)新”包括科研成果和落地應(yīng)用兩個方面，科技企業(yè)參與應(yīng)用落地指導；“實踐”包括學生參與人工智能企業(yè)實習、參與人工智能相關(guān)競賽等。

4 課程體系改革效果

本文提出的“教學”+“科研”+“創(chuàng)新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系已在天津大學智能與計算學部和天津大學仁愛學院進行實施，下面從3個方面對課程體系改革效果進行評估：

（1）學生課堂學習情況。通過在課堂教學中引入多種教學手段，學生的課堂表現(xiàn)和以前相比有了很大改善，很少發(fā)生走神、玩手機、睡覺等狀況。在講課過程中，學生能夠積極參與和教師的互動，形成了良好的課堂氛圍。值得注意的是，天津大學仁愛學院的學生變化更為明顯。

在人工智能教學過程中，筆者邀請了計算機視覺、語音處理、自然語言處理、社交網(wǎng)絡(luò)分析等領(lǐng)域的著名專家給學生作專題講座，很多學生都能夠積極參與，向?qū)＜姨岢鋈斯ぶ悄軐I(yè)問題或科研相關(guān)問題，專家們的回答加深了學生們對專業(yè)知識的理解，甚至對部分學生未來的職業(yè)規(guī)劃都起到了積極影響。

此外，受新冠疫情影響，2021-2022學期有大約50%的課時通過在線完成，包括提前錄制后在學習通上發(fā)布的課程和在線直播課程。在整個教學過程中，教師和學生都感受到了線上教學模式帶來的便利，師生們逐步接受了這種新的教學模式，為未來教學模式的全面變革作好了準備。

在天津大學和天津大學仁愛學院的人工智能課程期末考試中，學生們的平均成績與去年相比，分別從74分提升至81分，以及從70分提升至75分。在期末的學生評教中，人工智能課程均取得了95分以上的優(yōu)秀成績，表明學生對目前授課形式的肯定和支持態(tài)度。

（2）學生課程實踐情況。除基本的學校內(nèi)的課程實踐外，天津大學智能與計算學部的學生還參與了京東、美團等國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的AI合作研究項目（如基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推薦系統(tǒng)項目等）。學生能夠認真思考如何利用人工智能知識實現(xiàn)企業(yè)中的真實業(yè)務(wù)需求，提交的課程大作業(yè)不再是簡單的實驗報告，而是具有含金量的真實問題解決方案。

此外，學生還積極參與國內(nèi)外人工智能相關(guān)競賽，取得了較好成績，如：學生組隊參加“中電慧治”杯政府治理大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用算法大賽，得到了唯一的冠軍。

（3）科研和創(chuàng)新情況。學生分批次參與了筆者教研室的論文寫作和科研項目，對如何閱讀與撰寫學術(shù)論文、開展實驗，以及如何撰寫研究計劃和完成項目課題都有了直觀和深入了解。部分學生能夠針對科研問題提出自己的見解，并成功發(fā)表CCF A類或JCR一區(qū)論文。

5 結(jié)語

本文在新工科建設(shè)的背景下，揭示出目前高校人工智能教學中存在的主要問題，進而提出“教學”+“科研”+“創(chuàng)新”+“實踐”四位一體的新型人工智能課程體系。該課程體系已在天津大學智能與計算學部和天津大學仁愛學院進行實施，結(jié)果證實了人工智能相關(guān)專業(yè)學生的工程實踐能力、研究能力都得到了顯著提高，同時也提升了學生的升學與就業(yè)競爭力。