研究性教學在人工智能課程教學中的探索與實踐

張彥鐸　李　迅　魯統偉

摘要：本文從計算機專業人工智能課程的自身特點和實際需要出發，為了課程教學和人才培養質量的提高，根據研究性教學的規律，在課程教學實踐中深入實施研究性教學，并取得良好的教學效果，對其他課程的研究性教學實踐有積極的啟示。

關鍵詞：研究性教學；人工智能課程；計算機專業

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

為了探索創新人才培養的有效途徑，以研究性教學(研究性學習)理論研究為指導、以機器人足球技術為平臺、以計算機專業課程和實踐教學環節為對象，開展了一系列理論探索與教學實踐。在此基礎上，逐步樹立了學生實踐與創新能力培養的教育教學理念，形成了典型創新平臺(機器人足球)上的突出特色，取得了眾多的人才培養成效。

1指導思想

2005年教育部發布的旨在提高我國本科教育質量的教高[2005]001號文中提出明確要求：“積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力”，為課題研究指明了主要方向。

實踐能力的提高和探索精神的加強，作為創新人才培養中相互聯系、相互促進的兩個重要方面，是圍繞研究性教學進行理論研究和教學實踐的主要目的。充分利用機器人足球這一典型實踐與創新平臺，在傳統課程和實踐環節的教學中積極鼓勵和引導學生自主的尋找、發現、分析和解決問題，成為開展研究性教學實踐的主要途徑。

同時，在政策、機制方面的保證，教師對教學工作的高度投入和教學理念的逐步更新，是取得成果的主要基礎。

2研究性教學

在歷史上，研究性教學三次大規模的倡導，見證了現代大學本質含義的演變。第一次發生在18世紀末至19世紀初的歐洲，代表人物是盧梭，把人的精神從中世紀的蒙昧、迷信、盲從中解放出來，讓理性的光輝照亮人的心靈。第二次發生于19世紀末至20世紀初的美國，主要倡導者有杜威、康茨等人，使大學適應了工業化時代和社會民主化的發展要求。第三次發生于20世紀50年代末至70年代的美歐諸國及亞洲的韓國、日本等，以美國的布魯納為代表，雖然適應了“冷戰”時期的科技、軍事與空間競爭的需要，但不可避免地因世界政治、經濟與軍事格局的改變而消退。

20世紀90年代至今，世界各國都把教學方式的轉變視為教育課程改革的重要內容。歐洲的“主題探究”與“設計學習”活動、日本的“綜合學習時間”，法國90年代初開始的“研究性學習課程”、美國的“以項目為中心學習”和“以問題為中心學習”、我國香港的“終身學習、全人發展”，都驗證了“研究性教學”順應了世界課程改革的發展趨勢，符合時代發展的要求。

一方面，現代意義的研究性教學是當代教學改革、創新人才培養的必然要求。

首先，從教學理念的角度，其教學的目的是培育個性健康發展的人，而不僅是理性的人，也不僅僅強調智力的卓越性；其教學的內容要面向學生的整個生活與科學世界，而不僅面向學生的學科和知識結構；其教學的出發點是認為每個學生的學習都是其獨特個性的體現，課程的內容結構也應遵循每個學習者學習方式的獨特性，而不是追求普遍的通用于所有學生的模式。

再者，從知識觀的角度，它強調了緘默知識在學生實踐與創新中的重要作用，并密切了顯性知識與緘默知識的內在聯系；它突出了私人知識在學生知識體系中的地位，促進了社會知識與私人知識之間的相互轉化；它注重人類知識內容的整體性、發現過程的重要性和為“創”而知的目的性，并加速了由“小知”向“大知”(強調整體、重視過程、旨在創新)的過渡過程。

最后，從主體觀的角度，它有利于學生從“邊際人”(傳統教學理論是基于青少年學生不成熟的假設和規定而建立的)到“年輕的成人”(自我調控、自己賦予自己活動的意義、自我超越以及成為自己的主人)、從“不成熟的認識主體”到“知識的批判者與生產者”、從“受教育者”到“學習者”的轉變。

另一方面，研究性教學回應了現代高等教育的本質規定性和時代性的要求。

研究性教學強調通過問題來進行學習，把問題看做是學習的動力、起點和貫穿學習過程的主線；也強調通過學習來生成問題，把學習過程看成是問題的尋找、發現、分析和解決的過程。因此，符合大學教學本質上的探索性。

研究性教學超越了接受性的學習，而強調親自實踐、親自體驗發現科學真理的認識過程。只有通過實踐內化了的知識，才是真正為學生所掌握，才能發展起知識學習、接受、批判、遷移的能力，促進創新精神和能力的發展。

研究性教學從學習內容、學習方式、活動空間上都具有開放性，這是學生從被動向主動、從消極向積極、從他律向自律轉變的前提，而這一轉變正是現代大學教學的要求。

這樣，通過研究性教學，學生就可以獲得豐富的知識經驗和情感體驗，形成永不滿足、追求卓越的科學態度和克服困難、超越自我的意志力；通過個性、特長的張揚，獲得一種成功的體驗，進而升華出對自身精神價值的肯定和不斷發展與完善自我的追求；通過與他人、社會、自然的交流而產生對個人生命價值的肯定和定位，明確自己的使命與責任，從而自覺地使德、智、體、美、勞等得到全面提高和發展。

3課堂教學中的研究性教學

“人工智能”課程在計算機專業人才培養方案中占據著重要的位置。從專業理論上，它承續了離散數學中的邏輯知識；從專業方法上，是數據結構、算法分析與設計的繼續：從專業工具上，是面向對象程序設計的生動實例。因而以此課程為依托，通過以下四種途徑在傳統課程中實施研究性教學。

(1)提出開放性論題，供學生思考與討論。例如“人工智能會給未來社會帶來什么?”、“人工智能會給我們作為一個物種的人類自身帶來什么?”、“機器人會戰勝人類嗎?”等本身具有開放性的問題，并注意將一些封閉性的問題轉變為開放性的問題。例如將“簡述人工智能的應用領域”這一常見問題轉變為“請你舉出一個人工智能現在沒有應用并且將來也無法應用的領域”。

(2)提煉開放性課題，供學生研究與實踐。在搜索與推理技術的教學中，提煉傳統的數字魔方、華容道和現代的風靡世界的數獨游戲等課題；在進化計算的教學中，給出經典的旅行商為題和指派問題；在自然計算的教學中，推出自動聚類問題等。這些課題，既是經典問題，又具有研究上的前沿性。

(3)引入開放性平臺，供學生自由介入與發揮。我校開展了仿真、半自主、全自主和類人等機器人足球的研究活動，并且本科生一直是其中的主干力量。學生們對這項活動的喜愛，既源于他們對科學技術的向往與期望，又是自身在科學技術上進步的需求。在這樣一個適宜進行研究性學習的開放性的平臺基礎上，衍生了眾多典型的課題，而這些課題大部分是學生在其中研討、實踐了相當長一段時間后自己擬訂的。

(4)引導開放性教學，時間向課后延伸、內容向縱深

推進。學生的課程學習還促進了學生對眾多科學技術問題的廣泛興趣、對科學研究工作的內在熱情，進而圍繞著人工智能課程，學生自主地進行了眾多的時間、空間、內容、深度上的拓展。

以上四種途徑同樣為其他課程(如面向對象程序設計、數據結構、數字圖像處理等)所借鑒、應用。

4實踐環節中的研究性教學

(1)以機器人足球比賽為基本平臺

機器人足球是現代信息技術的高度集成，又借助于體育的競爭形式，成為學生喜聞樂見的實踐平臺。提煉其中的各種典型課題，如圖像處理、模式識別、搜索與推理、知識表達與處理、機器學習、智能運動控制，等等，進行研究性教學，使學生們能夠分工合作、又能相互競爭。

(2)以實踐教學環節為基本對象

結合各種環節的不同特點，在機器人足球平臺上規范了一些基本和前沿課題，通過不同工作量和工作難度的建議，供學生在生產實習、畢業實習、課程設計、畢業設計等實踐教學環節選擇，從而是研究性教學延伸到實踐環節之中。

(3)以課外科技活動為重要途徑

對于學有余力的學生，通過課外科技活動的方式，在機器人足球平臺上進行大量的研究實踐，獲得了豐碩的科研成果、比賽成果和人才培養方面的收獲。

因此，在實踐教學之中的研究性教學，充分的印證了“教學相長”的基本規律，圍繞著機器人足球平臺，不僅進行了卓有成效的研究性教學工作，也使教師科研水平逐步提高。

5實施的效果分析

從2003年以來，武漢工程大學計算機學院參加有關課程學習的學生有728名；參加有關實踐環節的學生有274名，其中參加畢業設計環節的學生有52名；指導課外科技活動91人，全校參加機器人足球比賽的人數達到270余人次。效果體現在學生具有更高的學術追求和學術水平，例如計算機專業考研率逐年提高，近四年分別為5.1％、9.3％、12.2％30 17.7％，特別是考研學生的復試錄取比例為100％。學生的實踐能力得到社會的認可，就業率保持在93％左右。04級本科生楊鴻武，畢業后直接進入美國Worcester Polytechnic Instirnte(WPI)攻讀計算機學科的博士學位。

對以上結果進行分析，研究性教學的效果如下。

5.1從教學的視角來看

(1)促進了教師對現代教學理念的接受、掌握與運用。構建了從傳統課程教學與實踐教學向研究性教學轉變的機制，形成了行之有效的具有吸引力的實踐途徑，衍生的標志性成果也增強了教師對現代教學理念和學生主動學習等方面的信心。

(2)改變了教學與課程分離的狀況。課程與教學的分離，使教學呈現出教師一知識一學生相分離、相對立的局面，成為教學過程中的現實困境。研究性教學的實踐，促進了教學與課程的融合，以問題為中心、以課題為線索，打破了傳統課程只傳授確定性知識的局面；建立了民主的師生關系，使學生成為真正的教學主體。當教學與課程逐漸融合以后，課程就不再會先定于學生而存在，而成為師生共同建構的一種過程。

(3)超越了傳統的教學時空界線。時空的開放性是現代教學的一個重要特點。研究性教學主要是在教師指導下，學生在學習生活與社會生活中進行選擇的結果，突破了傳統的教學時空界線。學生將不僅在一節課的有限時間內，還可以自由地安排自己的學習時間，也將不再局限在教室之內，還可以在實驗室、圖書館等更廣闊的空間中，從而營造了一種動態、開放、多元的教學環境。

5.2從學生的視角來看

(1)有利于發展學生的主體性。研究性教學，帶動了教育觀念的轉變，實現了以教師為主體向以學生為主體的轉變，促進了教學形式從單一型向多樣型的轉變，教學內容從傳統桎梏中的解放，從而在更深層次上保證了學生的主體性。

(2)有利于智力資源從類主體向個體的轉化。研究性教學，由學生自己探索、尋找解決問題的理論與工具支持，使學生在更廣闊的智力資源中、在實踐活動中進行探索，有利于人類智力資源較好地轉化成個體的智力資源。

(3)有利于培養學生可持續發展的能力。通過研究性教學，學生學會了選題、制定計劃、搜集資料、利用信息、自我調整、自我評價；學生探究的欲望能夠得到滿足，由此逐步形成對科學、對社會、對自己的積極情感。

(4)有利于學生養成嚴謹務實的良好作風。

6結束語

研究性學習是現代教育理念的集中體現，反映和回應了時代對教育的需求，必將成為課程與教學運行的重要理念與策略。

希望本文的研究能夠對高校的創新人才培養具有一定的參考意義，渴望研究性教學能夠從成果形態轉變成高等教育中的一般性教學形態。