工程認證背景下基于對分課堂的人工智能課程改革

鄧 娜，王春枝，葉志偉，張明武，肖 亮

（湖北工業大學 計算機學院，湖北 武漢430068）

0 引 言

以2016年6月2日我國正式成為《華盛頓協議》簽約國為良好契機，各大高校都順應形勢積極申報工程專業認證[1]。根據中國工程教育專業認證協會網站統計，截至2017年12月12日，我國已有781個高校工程專業通過了認證，涉及159所高校，涵蓋計算機科學與技術、軟件工程、紡織工程、地質工程、機械工程和生物工程等51門工程類專業[2]。工程教育認證促使我國的高等教育與國際接軌，全面提高工程類本科畢業生的各項工程能力，使其成為國際認可的高素質人才，同時促進高等教育教學改革，提高教學質量。

工程教育認證標準對工程類本科畢業生提出了12條畢業要求，包括工程知識、問題分析、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理以及終身學習等，這不僅需要我們將這些畢業要求寫進培養目標和培養方案中去，更重要的是，需要思考如何改進教學過程，讓學生真正達到這些要求。

1 人工智能課程教學現狀

人工智能是一門交叉學科，涉及數據挖掘、機器學習、心理學、語言學、控制論、機械學等多門學科，還是一門不斷發展的學科，涉及不同的研究學派，包括符號主義、聯結主義和行為主義。2017年7月國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》將人工智能提高到國家戰略發展層面上[3]，因此，如何為國家輸送高素質高能力的人工智能人才成為高校計算機類教育者亟待解決的問題。

為培養學生對人工智能的興趣，使其了解和掌握人工智能基本的研究方法，并為部分學生的進一步深造夯實基礎，湖北工業大學開設了面向軟件工程專業的人工智能選修課，總共32學時，包括22學時的理論教學和10學時的上機實踐。目前教學現狀如下：①人工智能研究流派多，研究分支龐雜，在短短22個理論學時里面講授所有的內容是不現實的，因此，教師應有側重地選擇授課內容。②與其他專業必修課不同的是，人工智能是一門較前沿的課程，最新的理論、方法大多以論文，尤其是外文論文的形式出現。因此對教授課程的老師提出了語言能力的要求。③人工智能相關的操作語言眾多，例如Python、R、Prolog、Lisp語言等，不同的語言適合不同的研究流派或問題領域。因此，教師應根據實際情況選擇操作語言。

2 對分課堂的特點

為解決傳統教學教師滿堂灌、學生被動式學習的問題，文獻[4]提出對分課堂的理念，即將課堂時間一分為二，一半時間由教師來講授，一半時間交給學生進行討論。與傳統的以教師為主導的教學模式相比，對分課堂有著如下特點。針對教師而言：①由于教師授課時間壓縮為原來的一半，因此，教師需要精煉講授內容，突出重點難點。②教師需要精心設計討論的問題，討論的問題不僅要有寬度，還要有深度。在寬度上，問題的解決需要學生掌握較全面的知識；在深度上，問題應能激發學生的求知欲，促使學生主動查閱資料。③教師可以在學生討論的過程中，及時了解學生對知識的掌握情況，適時調整教學進度和安排。針對學生而言： ①對分課堂能提高學生學習的積極性。在傳統教學中，大部分學生可能只有在期末考試前才能有學習的壓力和動力。然而，在對分課堂，由于每次討論前都需要學生自主學習，包括搜集資料、思考問題、總結歸納等，因此，對分課堂能讓學生緊跟教學進度，主動溫故知新。②能極大地鍛煉學生的表達和交流能力。③學生能在討論以及教師的點評中，發現自己的薄弱環節，查缺補漏，也能借鑒同小組內其他同學解決問題的方式方法，取長補短。

3 對分課堂對工程認證的適用性

工程認證標準要求學生具備解決復雜工程問題的能力，解決復雜工程問題又要求具備扎實的工程知識、問題分析能力、深度研究能力、團隊協作能力以及終身自主學習習慣等，這些不太容易在傳統的教學模式中培養出來，但與對分課堂有很好的契合度：①教師在對分課堂的講授部分會精煉理論內容，突出重點難點，為學生打下堅實的工程知識基礎；在討論環節，教師通過提出問題或讓學生做試題的形式考查學生對工程知識的掌握程度。②教師布置的討論任務需要學生自主去查閱資料、分析問題、解決問題、總結歸納問題，在這個過程中，學生的問題分析能力和深度研究能力得到鍛煉，也幫助他們養成良好的自主學習習慣。此外，查閱資料經常涉及英文文獻，同時提升了學生的英文水平，為工程認證與國際接軌做好鋪墊。③教師有時布置的任務需要學生以小組的形式共同完成，在任務完成的過程中，學生的表達交流能力和團隊協作能力得到了提高。

4 教學過程設計案例

以謂詞邏輯的歸結演繹推理為例，介紹基于對分課堂的教學設計過程（見表1）。假設每次課2課時，每節課45分鐘。

在這個案例中，共分成3個時間段。在上課前3天，教師給學生布置討論問題。為解決這些問題，學生自主復習、預習或查閱資料。在第一節課，教師花5分鐘時間復習上次課的內容：將謂詞邏輯化為子句集，再一次強調這部分內容的重要性，因為化子句集是歸結演繹推理的一個重要步驟，然后以一個具體的自然語言描述的問題為例，講解謂詞邏輯的歸結演繹推理過程。由于學生已經進行了預習，所以教師可以在跟學生互動的過程中，了解學生的掌握程度，適時調整授課節奏。在第二節課的前20分鐘，學生以5～8人小組為單位，討論教師布置的3個問題：①鍛煉學生的總結歸納能力，要求學生總結出歸結演繹推理的4個步驟。②考察學生的思辨能力，在大部分教材中沒有提及量詞去掉順序的影響，但存在量詞和全稱量詞去掉順序的不一樣卻會導致完全不同的語義。因此，希望學生通過查資料和思考研究來解決這個問題。③檢查學生應用理論知識解決實際問題的能力。在學生討論的過程中，教師可以旁聽學生的討論過程，控制討論流程和進度。在第二節課的后20分鐘，教師從每組中選一名或多名代表闡述觀點和問題的解決辦法。為使每位學生都有表達的機會，并且打破“積極的學生總是積極的，不積極的學生總是不積極的”的陋習，教師可以隨機來選擇學生。在第二節課的最后5分鐘，教師對該課的內容進行總結，對學生討論的情況進行點評，強調學生容易出錯和值得進一步思考的地方。這兩節課在時間上被分為兩部分，一部分以教師為主導，講授知識；另一部分以學生為主導，分組討論。這正是對分課堂與傳統教學模式最大的不同。

表1 基于對分課堂的人工智能課程教學設計過程

在用傳統的教學模式對歸結演繹推理這一章節進行授課時，大多是教師用PPT或黑板進行演示，學生在下面看和聽。由于歸結演繹推理步驟復雜，涉及理論多，學生很容易聽得云里霧里。這個案例體現出來的對分課堂模式能讓學生提前預習相關理論，在課堂上落到實處，真正掌握推理的方法，并在討論和教師總結環節中查漏補缺，進一步強化知識。

2017年下半年筆者首次運用對分課堂的模式對人工智能課程進行教學改革，取得了良好的教學效果，學生的學習積極性得到提高，動手分析能力也得到鍛煉，團隊協作能力和表達能力都有所提升。

5 結 語

工程認證要求學生有問題分析、深度研究、團隊協作的能力以及終身自主學習習慣等，這些不太容易在傳統教學模式中培養出來，而人工智能又是一門多流派、多操作語言的前沿課程，使用對分課堂對人工智能課程傳統的教學模式進行改革，課堂上一半的時間由教師主導、一半的時間由學生主導，使學生解決復雜工程問題的能力得到鍛煉和培養，更符合中國學生的特質和課堂“國情”。