研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革淺析

生龍+馬曉雨+郭云飛+王星亮

摘要：大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，人工智能不可或缺。研究生《人工智能》課程的教學(xué)方法改革更是迫在眉睫。基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)和采用實(shí)際工程項(xiàng)目的案例式教學(xué)可以促使學(xué)生積極、主動(dòng)地思考。教師提出問(wèn)題并不講解，引導(dǎo)學(xué)生去解決問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)自己的體會(huì)和理解，來(lái)真切地體驗(yàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，促進(jìn)知識(shí)向成果的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：人工智能;啟發(fā)式教學(xué);案例式教學(xué);教學(xué)方法改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G643 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）06-0098-02

人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，是目前科學(xué)技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域之一，其研究范圍涵蓋了所有與人類(lèi)智能活動(dòng)相關(guān)的范疇，是一個(gè)相當(dāng)寬泛的研究領(lǐng)域。它的出現(xiàn)及取得的成就被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的里程碑[1]。

作為我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究生必修課程之一，《人工智能》的教學(xué)目的是使學(xué)生在對(duì)人工智能的發(fā)展、基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域有所認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上，能掌握人工智能的相關(guān)思維方法和技術(shù)手段，并將之應(yīng)用于自身的科研工作之中。

一、研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革的必要性

《人工智能》課程的教學(xué)內(nèi)容主要是講授關(guān)于知識(shí)的科學(xué)，涉及知識(shí)的表示、獲取及應(yīng)用，其中的每一部分均包含大量的基本概念、定理證明和公式推導(dǎo)，具有知識(shí)面廣、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、推理復(fù)雜、符號(hào)表示形式多樣等特點(diǎn)[2-4]。傳統(tǒng)的“灌輸”式教學(xué)方法中，學(xué)生通常是被動(dòng)“聽(tīng)講”，難以在有限的課堂時(shí)間中獲得預(yù)期的教學(xué)效果。如何讓學(xué)生在有限的課堂時(shí)間中深入理解人工智能的思維和方法，掌握人工智能的技術(shù)和手段，同時(shí)能將之熟練應(yīng)用到自身的研究項(xiàng)目當(dāng)中？如何在《人工智能》的教學(xué)過(guò)程中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性？如何激發(fā)學(xué)生對(duì)《人工智能》的學(xué)習(xí)興趣？如何針對(duì)研究生培養(yǎng)的要求和特點(diǎn)開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)？這些問(wèn)題是在《人工智能》課程的講授過(guò)程中必須要考慮和解決的現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題。因此，要提高《人工智能》課程的授課質(zhì)量，使學(xué)生在《人工智能》的學(xué)習(xí)過(guò)程中能真正掌握一條科研思路，學(xué)會(huì)運(yùn)用一種技術(shù)手段，《人工智能》課程的教學(xué)方法改革勢(shì)在必行。

二、研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革的思路

針對(duì)研究生《人工智能》課程的內(nèi)容特點(diǎn)、課程目的和在教學(xué)過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合作者在《人工智能》課程講授過(guò)程中的切身體會(huì)，對(duì)《人工智能》的教學(xué)方法改革提出如下思路：

1.基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)。在《人工智能》教學(xué)過(guò)程中，與學(xué)生溝通后發(fā)現(xiàn)，雖然《人工智能》課程理論前沿、應(yīng)用廣泛，但采用傳統(tǒng)的“老師負(fù)責(zé)講，學(xué)生負(fù)責(zé)聽(tīng)”的“灌輸式”教學(xué)方法，使學(xué)生感到內(nèi)容枯燥，知識(shí)點(diǎn)難以理解，相關(guān)算法用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)困難，更不用說(shuō)將其應(yīng)用于工程項(xiàng)目實(shí)踐中去了。因此，教學(xué)效果一般難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

為了增加學(xué)生在《人工智能》課程教學(xué)過(guò)程中的參與度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。作者嘗試把基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)方法應(yīng)用到《人工智能》中，在一些經(jīng)典問(wèn)題的授課過(guò)程中，達(dá)到了不錯(cuò)的效果。例如：人工智能中的搜索問(wèn)題，本文作者就依據(jù)北京市軌道交通圖里全部18條地鐵線(xiàn)路設(shè)計(jì)了一個(gè)北京乘坐地鐵出行的啟發(fā)式問(wèn)題，具體問(wèn)題如下：

隨機(jī)給出一個(gè)起始站和一個(gè)終點(diǎn)站，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的智能程序，計(jì)算給出從起始站到終點(diǎn)站的最短（或最便宜或最少換乘）的乘車(chē)方案。

這是一個(gè)典型的尋徑問(wèn)題。在該問(wèn)題中，首先應(yīng)要求學(xué)生以形式化的手段給出明確的問(wèn)題及解空間的描述，包括：出事?tīng)顟B(tài)的描述，后繼行動(dòng)的描述，目標(biāo)測(cè)試和路徑耗散函數(shù);然后要求每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)出各自的搜索算法，并編程實(shí)現(xiàn);最后，度量比較各自搜索算法的性能，并分析原因。

在講授人工智能中的搜索求解策略的章節(jié)中，采用這個(gè)啟發(fā)式的問(wèn)題可以激勵(lì)學(xué)生的積極性，發(fā)揮創(chuàng)造性。讓教師把問(wèn)題求解的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，教師在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給出恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，讓學(xué)生成為課堂的主角。在求解的問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)發(fā)揮自己的創(chuàng)造性思維設(shè)計(jì)出搜索策略，并通過(guò)具體的編程實(shí)踐鍛煉學(xué)生的編程能力，還可以通過(guò)與其他同學(xué)（而不是老師和課本）的比較來(lái)發(fā)現(xiàn)自己的不足與優(yōu)勢(shì)。這樣學(xué)生可以充分發(fā)揮的自己的主觀(guān)能動(dòng)性，更深刻地體會(huì)到如何將人工智能中枯燥的理論知識(shí)和抽象的算法描述轉(zhuǎn)化為工程項(xiàng)目實(shí)際。

在《人工智能》課程的教學(xué)過(guò)程中采用基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)，就是讓學(xué)生積極思考并主動(dòng)參與教學(xué)過(guò)程。通過(guò)學(xué)生自己的體會(huì)和理解，而不是教師的講述，來(lái)真切地體驗(yàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，知識(shí)向成果的轉(zhuǎn)化。

2.案例式教學(xué)。案例式教學(xué)由美國(guó)的哈佛商學(xué)院首創(chuàng)，目前已在經(jīng)貿(mào)、管理、法學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)應(yīng)用中取得了非常顯著的成績(jī)。然而，在案例式教學(xué)方法在工科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)過(guò)程作用應(yīng)用較少，主要是難以獲得兼顧工程真實(shí)性和教學(xué)時(shí)限性要求的教學(xué)案例[5]。而計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)除了對(duì)計(jì)算機(jī)基本原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)和技術(shù)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，《人工智能》課程的教學(xué)目標(biāo)更要注重于“學(xué)以致用”。因此，選擇難度適中、工程實(shí)踐性強(qiáng)的案例用于《人工智能》課程的教學(xué)尤其重要。

游戲產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)支柱性產(chǎn)業(yè)。許多知名的大型IT企業(yè)都投資開(kāi)發(fā)了自己的游戲產(chǎn)業(yè)，如微軟、松下、騰訊、阿里巴巴、百度等等。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展更是為計(jì)算機(jī)游戲產(chǎn)業(yè)提供了新的機(jī)遇，目前掌握人工智能技術(shù)已成為優(yōu)秀計(jì)算機(jī)游戲開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員必不可少的選擇。在我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的《人工智能》研究生課中，為了增強(qiáng)課程的工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，我們選擇了一個(gè)被稱(chēng)為“惡魔洞穴”的人工智能游戲作為引入案例式教學(xué)模式的一種嘗試。游戲內(nèi)容具體描述如下：

“惡魔洞穴”的世界是一個(gè)由眾多房間組成，房間之間用通道連接起來(lái)的洞穴。在洞穴的某個(gè)房間中隱藏著一只惡魔，它會(huì)吃掉進(jìn)入它所在房間的任何移動(dòng)目標(biāo)。由洞穴探索者設(shè)計(jì)的智能體可以射殺惡魔，但智能體只能攜帶一發(fā)子彈用來(lái)射殺惡魔。并且，洞穴的某些房間內(nèi)有陷阱，任何智能體移動(dòng)到這些房間，將會(huì)被陷阱摧毀。然而，據(jù)說(shuō)洞穴中的某個(gè)房間中存在著價(jià)值連城的寶物，吸引這洞穴探索者進(jìn)行一次次的嘗試。

在該案例的實(shí)踐過(guò)程中，教師首先會(huì)引導(dǎo)學(xué)生一起給出任務(wù)環(huán)境的精確定義，如智能體的性能度量、洞穴的環(huán)境描述、執(zhí)行器的描述和傳感器的描述;之后，由學(xué)生自己依據(jù)任務(wù)定義編程實(shí)現(xiàn)各自的“惡魔洞穴”;然后，在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)和推理機(jī);最后，學(xué)生依據(jù)所學(xué)的智能搜索算法設(shè)計(jì)出一個(gè)智能體程序?qū)Α皭耗Ф囱ā边M(jìn)行探索。

以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)游戲的發(fā)展程度來(lái)衡量，“惡魔洞穴”游戲相當(dāng)乏味，然而它的難易度卻正好能為《人工智能》課程實(shí)踐提供一個(gè)優(yōu)秀的試驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境，成為《人工智能》案例式教學(xué)的一個(gè)合適案例。

三、研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革的探討與分析

人工智能是二戰(zhàn)以后興起的一門(mén)新的學(xué)科，在20世紀(jì)90年代之前，國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)有相關(guān)教學(xué)大綱和教材等教學(xué)資料，此時(shí)《人工智能》作為一門(mén)課程，只給出了課程的初步框架。隨著人工智能研究的深入和發(fā)展，到20世紀(jì)90年代中期，人工智能的研究已經(jīng)從符號(hào)（邏輯）主義一枝獨(dú)秀發(fā)展到符號(hào)主義、連接主義和行為主義多家爭(zhēng)鳴的新局面。同時(shí)，模糊邏輯、計(jì)算機(jī)神經(jīng)科學(xué)、支持向量機(jī)和遺傳算法等機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和模式識(shí)別的內(nèi)容也被列入到《人工智能》的課程體系當(dāng)中，極大地充實(shí)了《人工智能》課程的教學(xué)內(nèi)容。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人工智能學(xué)科的研究領(lǐng)域又有了新的發(fā)展，智能化智能體、多智能體技術(shù)以及人工智能的道德倫理研究都被納入到了《人工智能》的教學(xué)內(nèi)容之中，《人工智能》課程的教學(xué)內(nèi)容得到了進(jìn)一步的豐富。近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0、《中國(guó)制造2025》和“互聯(lián)網(wǎng)+”等政策和號(hào)召的出臺(tái)，人工智能已從實(shí)驗(yàn)室逐步深入到了社會(huì)發(fā)展的方方面面，其正從書(shū)本上的理論概念落地成為切實(shí)的社會(huì)生產(chǎn)力。人工智能的發(fā)展速度之快和研究領(lǐng)域之廣令人咋舌。《人工智能》課程教學(xué)方法的改革已經(jīng)勢(shì)在必行，傳統(tǒng)的理論教學(xué)必須與工程實(shí)踐相結(jié)合，尤其是作為一門(mén)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的研究生必修課。

參考文獻(xiàn)：

[1]斯圖爾特·羅素，彼得·諾維格.人工智能——一種現(xiàn)代的方法[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]肖春景，李建伏，楊慧.《人工智能》課程教學(xué)方法改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013，（9）.

[3]汪明慧.人工智能課程教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，32（8）.

[4]吳淑婷.人工智能課程教學(xué)初探[J].福建電腦，2013，29（4）.

[5]宋金玉，郝文寧，陳剛，廖湘琳.案例教學(xué)方法在課程內(nèi)容建設(shè)方面的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（z2）.