人工智能的國際化—多元化創新教學模式

摘 要：通過文獻研究方法分析美國一流大學人工智能課程的開設情況以及國外經典人工智能教材的主要內容，提出人工智能國際化—多元化創新教學模式，包括教學體系框架、教學內容創新、案例教學法、全英文授課方式、創新教學實踐等方面，闡述國內人工智能課程教學在課程體系、教學內容、教學方法、教學手段等方面的具體改革措施。

關鍵詞：人工智能；國際化教學；多元化教學；創新教學模式

1 背 景

人工智能是研究智能信息處理和開發具有智能特性的各類應用系統的核心技術，現已成為當今科學技術發展的前沿學科，扮演著越來越重要的角色。世界各國都十分重視人工智能前沿研究、技術發展與教育培養。例如，2016年美國白宮科技政策辦公室（OSTP）下屬國家科學技術委員會（NSTC）發布了《為未來人工智能做好準備》[1]以及《國家人工智能研究與發展戰略計劃》[2]兩份重要報告，明確制定美國人工智能的發展路線以及行動建議，同時也提出促使人工智能教育成為“全民計算機科學教育”項目的組成部分。國外許多重點大學都成立了自己獨立的人工智能研究所，如麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室、斯坦福大學人工智能實驗室、加州大學伯克利分校機器人和智能機器實驗室等，對人工智能的研究涉及現代高新技術以及邊緣學科新理論與新技術。

我國先后有幾十所高等院校專門開設了智能科學與技術本科專業。作為該專業課程體系中的核心課程之一，人工智能課程的地位正隨著該技術的不斷發展和廣泛應用得到迅速提升。然而，在培養人工智能創新型人才方面，國內的該課程教學尚存在一些亟待解決的問題，主要表現在以下幾方面。

（1）課程體系和教學內容。人工智能課程是一門順應時代發展、知識更新飛快的前沿課程，而當前國內該課程的知識體系不盡完善，教學內容陳舊，跟不上國際該領域最新動態發展的步伐。

（2）教學方法與教學手段。人工智能課程理論性強、內容多、難度大，國內人工智能教學往往注重知識要點學習，而輕視實踐應用；注重專業知識傳授，而輕視綜合素質與能力培養，理論與實際相互脫離使得學生創新能力嚴重不足。

（3）國際化創新人才培養。目前，我們雖然有一個很完整、較系統、高起點的人工智能課程基礎教育方案，但是在人工智能國際聯合大會（IJCAI）等國際頂尖會議以及《人工智能》（Artificial Intelligence）等國際頂尖刊物上，國內研究學者發表人工智能研究論文為數不多，具有國際影響力的人工智能領域人才仍較匱乏。

從人工智能學科發展特點和當前國內課程教學效果來看，亟須引入新型創新教學模式。由于人工智能學科本身的前沿性，追蹤國際動態是一個必然選擇，我們對國外人工智能教學體系進行深入剖析，充分借鑒國外先進經驗，提出更新和優化我國課程教學模式的新思路。

2 國外人工智能教學體系分析

2.1 美國人工智能課程設置

斯坦福大學、加州大學伯克利分校、卡內基·梅隆大學、麻省理工學院的計算機科學專業人工智能課程及其相關課程設置情況[3-6]見表1和表2。

可以看出：①美國重點大學都非常重視人工智能課程教學，有的還開設了多門人工智能課程，如斯坦福大學計算機科學專業的“人工智能的社會、經濟影響”和“人工智能：原理與技術”，教學內容上涵蓋智能自動化經濟學、計算倫理和軍事應用以及問題求解、知識表達、推理、規劃、不確定知識與推理、學習、Agent、感知與行動性等主要內容；②大部分大學選用Russell and Norvig編著的《人工智能：一種現代方法》[7]作為人工智能課程教材；③從人工智能細分領域來看，其分支包括機器學習、自然語言處理、計算機視覺和機器人[8]，這些領域的研究有著顯著的增多趨勢，因此，除了人工智能課程外，美國大學還從人工智能研究與應用領域中細分出其他人工智能相關課程，如卡內基·梅隆大學不僅開設了“人工智能：表達和問題求解”，還增設了“自然語言處理”以及“機器學習導論”，且課時數均較長，達到12周；④近幾年來，人工智能細分領域中以機器學習的進展最為迅速，美國重點大學都非常重視機器學習的教學與研究，有自己完善的人工智能教學體系和獨立的機器學習教學計劃，如麻省理工學院在人工智能課程中分4次講授機器學習內容，加州大學伯克利分校、卡內基·梅隆大學都專門開設了“機器學習導論”課程，內容涵蓋分類問題、回歸問題的監督學習算法、無監督學習問題、概率模型等主要內容；⑤美國大學教學環節都十分注重項目訓練，以斯坦福大學“人工智能：原理與技術”課程為例，項目訓練內容包括任務定義、基礎設施、研究方法、文獻綜述以及錯誤分析，要求學生提交項目提案、進度報告、海報、同行評議和最終報告，并根據報告質量給出成績。

2.2 人工智能課程知識體系與教學內容分析

國外經典人工智能教材[7，9-14]及主要內容見表3。文獻[7]以智能化智能體思想為核心，將人工智能定義為從環境中接收感知信息并執行行動智能體的研究；文獻[9]通過人工智能系統和Agent展開人工智能內容；文獻[10]構建智能系統；文獻[11]從不同的抽象層次刻畫智能主題；文獻[12]將智能定義為根據輸入集和各種可能行動條件作出正確決策的能力；文獻[13]主要探討人工智能基本思想和計算智能兩大方面；文獻[14]探討計算機如何進行推理和感知，從知識角度研究人工智能，包括知識表達、知識利用和實際系統構建。可以看出它們的共同點：人工智能學科是圍繞“智能”這個核心，研究人類智能活動規律、模擬人類智能行為的基本理論、方法和技術。由于智能本身所具有的復雜性，難以用單一的理論、方法進行描述，需要從多個不同層面刻畫智能這個主題[15]。

教師可以將人工智能核心教學內容劃分為4個層次：①底層，包括神經網絡、適應性原理與仿生機制等演化計算與輔助感知機制以及與物理世界進行交互的形式理論與方法；②抽象層，圍繞問題求解進行知識抽象、知識表達和知識理解，反映知識在智能中的角色與創建；③高級層，包括學習、規劃和推理的模型和方法；④應用層，構造智能化智能體以及具有一定智能的智能系統。在安排人工智能課程教學內容時，可相應地涵蓋這4個層次的內容。

3 人工智能的創新教學模式

人工智能創新教學體系框架如圖1所示，通過人工智能教學內容創新、案例教學法、全英文授課方式、創新教學實踐等方面體現出國際化、多元化特點。

國際化方面，從4個層面實現國際化目標：①學科國際化，引進國際先進的教學體系，調整人工智能教學內容，使之與國際前沿接軌；②學術國際化，在教學環節中穿插人工智能學術前沿講座；③學者國際化，引進和短期聘請國際著名人工智能專家充實教師隊伍，并實施“1+1”雙課堂教學；④學生國際化，實行全英文授課與考核體系，培養學生成為具有創新能力、國際視野、英語技能的復合型人工智能人才。多元化方面，建立一整套管理和評估制度，實施不同教學思路、不同教學風格、不同教學方法的多元化教學改革措施，保證學科國際化、學術國際化、學者國際化以及學生國際化的順利實施。該教學體系結構體現出教學思想的先進性、教學內容的前沿性和課程實施的科學性，表現出對專業素質和創新能力的高度重視。

3.1 創新教學內容

本著“取舍教學內容，突出課程特點，補充前沿問題”的原則，教師應確定科學的人工智能知識體系以及教學大綱與教學內容，確保所講授的課程內容最大程度地體現出人工智能學科的內涵、發展趨勢以及與相關學科的關系，并且能覆蓋人工智能研究方向所涉及理論、方法、技術的最新國際前沿研究成果，具有足夠的廣度與深度，反映全英文教學在內容上對比于中文教學、雙語教學的差異性和先進性。

3.2 運用案例教學法

人工智能課程包含大量的基本概念，內容抽象且算法復雜，往往使得學生難以理解。教師可以按照人工智能課程知識體系以及知識點，對人工智能教學案例庫進行總體設計以及詳細設計，形成15個規范化教學案例[16]并將案例教學方法引入課程教學中，充分運用多媒體教學手段展示和講解教學案例。在案例教學中，從傳統的以“學會”為中心轉化為以“創新應用”為中心，從傳統的以“課堂教學”為中心轉化成以“課堂教學+實踐活動”并重為中心，不僅可以加深學生對教學內容的理解，提高學生的學習興趣，而且能夠提高學生的實際操作能力以及思考能力。

3.3 采取全英文授課方式

全英文課堂授課不能一味追求全英文形式而忽視教學效果，需要把握專業與英語的比例。實際教學中，教師可以采取“1+1”雙課堂教學模式，將教學課時分兩個階段進行。首先，國內教師講授人工智能基本原理和方法，采取集中授課、案例教學、課堂實踐等教學方式；其次，邀請國際知名學者講解人工智能國際前沿，包括專題講座和專題研討環節。經過基礎學習后，學生一般都能掌握人工智能基礎知識，因此對于國外教師講授的學科前沿能夠較容易地準確理解和把握。與單純采用全英文方式或邀請國外教師授課相比，該模式具有較好的預期效果。

3.4 創新教學實踐

由于使用英文教材，加上中外教育背景、學生英語水平的差異等因素，我們在實行國際化教學過程中對英語教學方法作一定的調整和改進，包括英文授課形式、案例教學、教學內容、教學手段等方面：配合“1+1”雙課堂模式，采取“二三二”模式教學方法即過渡式雙語和沉浸式全英文二大英語教學方式，激勵自主式、啟發互動式、體驗學習式三大學習方法激發學生學習興趣，參與學習式、自我展示式二大實踐機制培養學生的綜合素質與創新能力；同時，針對本科生可塑性強的特點，從本科生開始培養學術型學生，鼓勵學生參加課外科研和科技活動，注重“鼓勵學生創新精神、培養學生創業意識、保護學生創造能力”。

4 成果應用與成效

我們對國際軟件學院2010級、2011級、2012級軟件工程專業國際班學生以及2013級留學生班從以下3方面進行多次改革試點。

（1）國際化教學：追蹤國外一流大學人工智能課程體系與教學方法，通過對比研究，尋找中外人工智能課程的教學體系差距，找到可借鑒的國外先進教學模式，制訂集先進性、實用性和前沿性為一體的人工智能知識體系、教學大綱和教學內容以及國際化人才培養方案，推動學科國際化、學術國際化、學者國際化、學生國際化4個層次國際化辦學目標的實現。

（2）多元化教學：通過問卷調查與分析，發現國內全英文教學存在的亟待解決的關鍵問題；通過引進、消化和吸收國外經典教材內容，從整體上確定人工智能教學體系結構，在教學時間有限的條件下，讓學生重點學習具有不同教學思想、模式與特色的內容，同時讓學生領略國內外不同教學方法和教學風格，滿足國際化創新型人才培養要求。

（3）創新性教學：以培養具有創新能力、國際視野、英語技能的復合型人才為目標，以實施全英文教學為契機，對傳統教學模式進行重定位，提出集先進性、前沿性和實用性為一體的教學內容創新、“1+1”雙課堂教學模式、“二三二”模式教學方法、“案例教學—實踐活動—現實應用”有機融合的案例教學實踐等教學模式改革的實施關鍵。

人工智能課程教學取得了良好的教學效果：①以學生為中心的教學理念和多元化教學模式，促使選修人工智能課程的學生人數不斷攀升；②以教學實效為衡量標準，以學生滿意為評價指標，學生好評如潮；③打造具有國際品牌效應的人工智能全英文教學語境，國際班、留學生班招生人數逐年上升；④加強學科交叉，邀請外教授課，舉辦前沿講座，強化國際交流，國際影響力顯著提升；⑤尋求學科生長點，推動國際項目合作，學院人工智能學科特色和優勢愈加明顯。

5 結 語

瞄準世界知名大學在人工智能學科的前沿研究與人工智能課程的開設經驗，對國外人工智能教學進行全方位、科學的分析與總結，從國外教學體系中得到啟示，從而對國內人工智能教學模式進行重新認知，全面推進人工智能課程教學在課程體系、教學內容、教學方法、教學手段等方面的改革，在創建國際化—多元化創新教學模式的基礎上，踐行知識、能力、素質協調發展和綜合提高的原則，培養學生成為科學應用前沿技術、方法和手段的國際化創新人才。

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（編輯：宋文婷）