高 艷,胡 楠,梁 艷

(遼寧科技學院 電子與信息工程學院,遼寧 本溪 117004)

2017年國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的通知[1],近年來在該通知的指引及國家和各省市相關專項政策的支持下,高校人工智能專業(yè)建設取得了一定的進展,但是基于人工智能專業(yè)建設的課程教學相關創(chuàng)新與改革仍不夠完善,尤其是Python程序設計的課程建設仍存在教學手段單一,教學方法比較傳統(tǒng)等問題,因此結合人工智能專業(yè)建設的培養(yǎng)目標要求進行Python程序設計教學的案例化研究是非常有必要的。

1 傳統(tǒng)Python語言教學存在的問題

1.1 按照傳統(tǒng)的程序語言慣用的教學模式安排教學過程

在傳統(tǒng)的程序語言教學中,教師根據(jù)教學大綱的內容逐條講解理論知識,展示相關程序并執(zhí)行與相關知識點相對應的程序來驗證所講授的理論知識,然后布置課堂及課后作業(yè),將程序進行簡單改變,讓學生去執(zhí)行對應的程序。這種教學方法雖然便于教師推進教學過程,但它忽略了教學內容的銜接,各個知識點對應的小程序較為分散,章節(jié)之間聯(lián)系松散。這種單向灌輸式的課堂教學方式使得學生不能夠整體地把握課程內容,得到的都是一些分散的知識。

1.2 教學案例的選取不能體現(xiàn)專業(yè)特色

在Python語言編程范例的選擇上教師習慣于選取常見的數(shù)學范例, 例如在講解循環(huán)的嵌套問題時經(jīng)常選取起泡法排序進行講解, 這樣做的好處是簡單易懂,學生對相關數(shù)學問題比較熟悉,在數(shù)學模型的構建及講解上不用花費太多的精力和時間, 但是這種千篇一律的做法導致所授課程無法與人工智能專業(yè)的平行課程和后續(xù)專業(yè)課程相銜接,而且在對應實驗程序的選取上不能與人工智能專業(yè)的培養(yǎng)目標相契合,沒有體現(xiàn)人工智能專業(yè)的特點。

2 Python案例化教學的優(yōu)勢

基于人工智能專業(yè)建設的Python案例化教學,改變了傳統(tǒng)程序語言中普遍采取的教師一個人唱“獨角戲”的課堂教學模式,學生作為課堂教學實施的主體,教師與學生的互動作為教學推進的主要方式,選取與人工智能專業(yè)契合度高的教學案例,基于人工智能專業(yè)的Python案例化教學具有以下幾方面的優(yōu)勢。

2.1 Python案例化教學符合人工智能專業(yè)的專業(yè)建設目標和人才職業(yè)能力定位

在Python案例化教學中,結合人工智能領域的最新進展,以培養(yǎng)學生的應用能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標,采用任務驅動、項目導向、自主學習等教學方式,學生能夠適應人工智能領域的研究、應用與開發(fā)等工作。Python案例化教學能夠培養(yǎng)學生的專業(yè)能力,促進學生形成人工智能領域的知識和能力體系,為人工智能專業(yè)課程建設奠定堅實的基礎。結合人工智能專業(yè)的培養(yǎng)目標和人才職業(yè)能力定位確定Python案例化教學所需達到的知識與技能目標。在此基礎上,根據(jù) Python案例化教學設計原則和要求,設計基于人工智能專業(yè)的 Python案例化教學內容,并進行 Python案例化教學的過程設計。

2.2 教學的實踐性強

實踐性鍛煉對于程序設計課程來說是至關重要的,Python案例化教學設計注重課程的實踐應用,在案例化設計中引導學生進行多元性、創(chuàng)造性的思考,用創(chuàng)新的方式進行問題的解決。教學過程中,學生把Python理論知識融入案例的設計與實踐中去,在進行案例的實踐過程中進一步對理論知識進行驗證與提升,從而提高理論與實踐相結合的能力,鍛煉學生的操作技能[2]。學生設計/開發(fā)解決方案的能力得到了提升,即人工智能專業(yè)建設培養(yǎng)目標中所強調的具有設計開發(fā)人工智能相關領域的關鍵技術和應用系統(tǒng)的能力,并具有較強的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

2.3 Python案例化教學能夠培養(yǎng)學生的專業(yè)能力,促進學生形成人工智能領域的知識和能力體系

Python的案例化教學設計中,注重引導學生從專業(yè)的角度提出問題,并從人工智能專業(yè)人員的視角出發(fā)去進一步分析問題和解決問題。在案例的學習和設計過程中,學生不僅能準確地掌握課程的核心知識,理解程序設計的算法,也能提高實際編程的能力。學生逐步具備人工智能專業(yè)建設培養(yǎng)目標中所提出的問題分析能力,能夠運用所學知識去識別、表達和研究分析人工智能相關領域的復雜工程問題。

2.4 增強了學生的團隊協(xié)作能力

Python案例化教學的案例選取與設計始終圍繞專業(yè)建設培養(yǎng)目標中所提出的個人和團隊目標,注重引導學生的團隊協(xié)作能力,讓學生在案例的算法設計、具體代碼的調試和程序的驗證過程中不斷地在團隊中進行探討與溝通,并在團隊合作過程中各取優(yōu)勢,取長補短,獲得更多成功的經(jīng)驗。團隊成員互助學習的過程也能夠鍛煉學生的表達能力,提升學生的溝通能力,培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神,使學生能夠在團隊中完成所承擔的任務。

3 基于人工智能的Python案例化教學的實施

基于人工智能專業(yè)建設的案例化教學重點是教學內容的選取與設計,包括案例的選取和教學模式的設計。

3.1 在教學內容的選取上以人工智能專業(yè)的培養(yǎng)目標作為指導思想

教學內容的選取圍繞專業(yè)建設和本專業(yè)人才培養(yǎng)目標,注重培養(yǎng)具備從事智能系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)處理和智能行為決策能力的工程技術人員,重新序化教學內容,建立逐級遞進、逐層深化的項目體系,設計了基礎任務與專業(yè)任務。依據(jù)人工智能專業(yè)需求,設計案例,課前發(fā)布基于案例的微課程視頻,引導學生做好課前的預習準備工作;課上在教學案例的講解中融入課程知識點和專業(yè)的相關理論知識,提出問題引發(fā)學生思考;課后指導學生分組討論,小組合作完成圍繞專業(yè)方向的拓展案例。

以人工智能專業(yè)建設的指導思想為切入點,面向專業(yè),重新序化教學內容,將教學內容分成基礎模塊、應用模塊、綜合設計模塊和專業(yè)應用模塊[3]。建立逐層遞進的四層項目體系,設計課內案例與課外案例,通過案例引導、任務驅動使學生在學習過程中不僅掌握了本課程相關知識,也提升了學生的專業(yè)應用能力。專業(yè)案例和拓展案例主要選擇一些人工智能算法,主要包括語音識別、圖像識別、人臉識別計算機視覺和機器學習等算法,如圖1。

圖1 教學內容序化

3.2 對接專業(yè)建設需求,設計與專業(yè)契合度高的教學案例

在專業(yè)應用案例設計中,始終以遼寧科技學院人工智能專業(yè)的培養(yǎng)目標作為指導思想,即培養(yǎng)具備從事智能系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)處理、智能行為決策等方面的研究、開發(fā)、應用及管理的工程技術人員。

在案例的設計中我們舍棄了許多傳統(tǒng)程序設計中常用的例子,選取與人工智能專業(yè)相關性高的案例,以此作為后續(xù)專業(yè)課教學的開山之石,讓學生更早地接觸后續(xù)課程所涉及的內容,達到學習過程的循序漸進,減輕后續(xù)專業(yè)課學習過程的負擔。在教學模式的設計上采用項目驅動式教學模式,結合我校人工智能專業(yè)建設情況,將項目分解為不同的任務,以學生為主體,以教師為引導。例如,在函數(shù)的遞歸調用的案例設計中,我們沒有選取傳統(tǒng)的“漢諾塔”問題進行案例的設計,而是選擇了博弈論問題,使學生在案例的分析、設計及實施過程中不但掌握了遞歸調用的相關基礎知識,也對博弈論的理念有了初步的認識,為后續(xù)專家系統(tǒng)等專業(yè)課的學習打下了基礎。對人工智能專業(yè)建設和人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)起到支撐作用。例如,詞云數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)案例設計,這部分任務要求學生掌握Python的詞典分詞方法和統(tǒng)計分詞方法為學生后續(xù)學習Python自然語言處理系列課程奠定了基礎。

課程案例的設計達到下列課程目標。

目標1:面向應用,打破傳統(tǒng)的知識體系,結合專業(yè)建設指導思想講授知識,對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的工程知識目標。

目標2:激發(fā)興趣——變被動學習為主動學習,對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的問題分析目標。

目標3:任務驅動——實現(xiàn)“做中學、學中做”,對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的設計/開發(fā)解決方案和研究的目標。

目標4:提升能力——設置了拓展型案例,提升學生研究學習、合作學習的能力,對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的項目管理目標。

目標5:一體化設計——部分案例采用一體化設計,提高學生的綜合應用能力,對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的個人和團隊目標。

目標6:與專業(yè)結合——課程教學圍繞專業(yè)建設對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的職業(yè)規(guī)范目標。

目標7:與素質教育相結合——注重課程思政建設,既教書又育人,對接人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的終身學習目標及個人和團隊目標。

課程案例目標對專業(yè)建設目標的支撐如表1。

表1 課程案例目標對專業(yè)建設目標的支撐

3.3 利用現(xiàn)有網(wǎng)絡平臺輔助教學過程的實施

在案例化教學的實施過程中,我們充分利用了我?，F(xiàn)有網(wǎng)絡教學平臺輔助推進課程教學,我們在網(wǎng)絡教學平臺為學生提供了全面的學習材料,包括相關學習資料、教學微課、章節(jié)案例作業(yè)、分組指導等。例如在學期初我們在網(wǎng)絡平臺中為學生提供相關軟件資料,并將開發(fā)環(huán)境的安裝及配置過程以案例教學的形式錄制成微課,指導學生完成軟件的安裝。學生在實際操作過程中遇到問題可以反復回看學習微課程相關內容。教師通過教學平臺自動采集學生學習行為數(shù)據(jù),量化展示學生學習軌跡,實時監(jiān)控教學效果,實現(xiàn)教學監(jiān)測由“經(jīng)驗驅動”到“數(shù)據(jù)驅動”的轉換,有效地推進了基于專業(yè)建設的案例化教學的實施。

3.4 以專業(yè)建設為指導的考核方式

專業(yè)課程是專業(yè)體系的靈魂,對實現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)目標,提高專業(yè)核心競爭力,支撐應用型人才能力培養(yǎng)起著決定作用?；谌斯ぶ悄軐I(yè)的人才培養(yǎng)方案,設計符合Python課程教學大綱、課程目標定位、課程教學內容的考核辦法。使課程考核方式和內容更加符合專業(yè)建議的指導思想,適應課程特點和專業(yè)特點,強調學生對基本知識、基礎理論、實際技能、綜合能力、職業(yè)能力、創(chuàng)新能力等方面的考核[4]。充分表達課程考核全程化、多元化思想,改變傳統(tǒng)的一卷定乾坤的考核方式。建立了基于人工智能專業(yè)建設目標的模塊化、目標化的開放性考核體系。專業(yè)基礎課重在培養(yǎng)學生的專業(yè)能力,注重過程的完整性和有效性。課程考核包括平時成績和期末成績。平時成績細化到考勤、課堂實踐、創(chuàng)新實踐成績等。課程考核的每一個過程都對應學生對該門課程的掌握情況,量化分數(shù),使學生明確本課程考核的目標。

3.5 案例教學過程中注重學生動手能力及團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)

案例的設計及教學推進過程始終以學生作為教學的主體,課程的安排貫穿課前的自主學習,課堂上的小組討論協(xié)作學習,課后的舉一反三拓展訓練。注重啟發(fā)學生的創(chuàng)新性思維,注重引導和肯定學生提出的創(chuàng)新性設計。讓學生在不斷地進行案例的拓展過程中形成扎實的操作能力。為學生設計與人工智能專業(yè)高度契合的拓展案例。讓學生在團隊合作完成項目的過程中養(yǎng)成自主探究、分工合作的團隊合作意識,提升學生的團隊合作能力,激發(fā)學生的學習熱情。

3.6 思政教育貫穿教學全過程

在案例的選取和設計過程中始終堅持立德樹人,以社會主義核心價值觀為基石,在Python課程的教學中有機地引入愛國、誠信、責任、創(chuàng)新等相關內容[5]。激發(fā)學生的學習動力,幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。對學生進行科學思維方法的訓練,強化專業(yè)素養(yǎng)教育,激發(fā)學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的社會責任感和使命感[6]。培養(yǎng)學生嚴謹求真的科學態(tài)度以及精益求精的大國工匠精神,落實“價值引領、知識傳授和能力培養(yǎng)”三位一體的育人目標[7]。

4 結語

基于人工智能專業(yè)建設的Python案例化教學課程,改變了以往程序設計類課程千篇一律,刻板枯燥、無法體現(xiàn)專業(yè)特點的狀態(tài)。Python課程的案例選取與人工智能專業(yè)的培養(yǎng)目標相關聯(lián)。案例內容的設計圍繞人工智能專業(yè)建設的培養(yǎng)目標。讓學生在潛移默化中了解和掌握行業(yè)技能及相關專業(yè)素養(yǎng),使學生明確自己要達成的目標。通過在教學過程中的個性化評價,讓學生能及時發(fā)現(xiàn)自身存在的問題,并隨時調整自己的學習方法?；谌斯ぶ悄軐I(yè)建設的Python案例化教學以學生作為教學實施的主體,注重培養(yǎng)學生的團隊合作能力、自主學習及持續(xù)學習能力,提升了學生的專業(yè)素養(yǎng)。