以人工智能魚為抓手探索海洋信息類創(chuàng)新實(shí)踐人才的培養(yǎng)

楊蒙召，袁紅春，周應(yīng)祺，錢衛(wèi)國，謝霞冰，孔祥洪

(上海海洋大學(xué) a.信息學(xué)院；b.海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

如何選定合適的內(nèi)容切合多學(xué)科融合研究和創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)是教學(xué)中一大挑戰(zhàn)[1-2]。許多學(xué)者在各自的教學(xué)領(lǐng)域開展了相應(yīng)的研究，根據(jù)分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和多學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，鄭小堅(jiān)等[3]設(shè)計(jì)了階梯式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體系以適合不同年級和專業(yè)的學(xué)生，從而建立了分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)；白瑞峰等[4]則根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)核心課程的交叉融合，開發(fā)了控制類多學(xué)科融合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。這些學(xué)者僅僅關(guān)注于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，缺乏對整個(gè)教學(xué)模式設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)的系統(tǒng)研究。另外一些學(xué)者[5-6]從研究生培養(yǎng)的角度出發(fā)，討論了核心課程之間的多學(xué)科有機(jī)融合和實(shí)踐人才培養(yǎng)方法，根據(jù)取得課題研究成果，進(jìn)行了研究生培養(yǎng)實(shí)踐,也具有一定借鑒價(jià)值。林健等[7-8]則從宏觀的方面，探討了學(xué)科交叉融合為導(dǎo)向的大學(xué)教學(xué)改革，給出了課程體系建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容形成、實(shí)踐教育教學(xué)體系以及教學(xué)方式等方面的改革建議，探索設(shè)計(jì)培養(yǎng)具有多學(xué)科交叉知識基礎(chǔ)的復(fù)合創(chuàng)新型人才的體系。這些學(xué)者均指出重視交叉學(xué)科研究和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，對新生工科專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)極具重要[9]。

為了實(shí)現(xiàn)我國的海洋強(qiáng)國夢，對海洋信息領(lǐng)域提供科技支撐和學(xué)術(shù)研究，亟待探索培養(yǎng)海洋特色信息類創(chuàng)新實(shí)踐人才[10-11]。2012年，在我校原校長周應(yīng)祺教授的倡議和協(xié)調(diào)下，學(xué)校教務(wù)處聯(lián)合海洋科學(xué)學(xué)院、水產(chǎn)與生命學(xué)院和信息學(xué)院等多位骨干教師組建了上海海洋大學(xué)人工智能魚教學(xué)團(tuán)隊(duì)，這是一個(gè)跨學(xué)科、多層次、創(chuàng)新型的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

該團(tuán)隊(duì)于2014年和2015年分別獲得學(xué)校“人工智能魚人才培養(yǎng)基地建設(shè)項(xiàng)目”和“創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目”的基金資助，依托數(shù)字海洋研究所和人工智能魚實(shí)驗(yàn)室，旨在有機(jī)融合國家一流學(xué)科：水產(chǎn)學(xué)和學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科：海洋學(xué)、魚類學(xué)、魚類行為學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)字媒體技術(shù)等學(xué)科，以人工智能魚的教學(xué)、科研、大賽和科創(chuàng)為抓手[12]，開展多層次一體化教學(xué)設(shè)計(jì)、多學(xué)科融合的課程內(nèi)涵建設(shè)和創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)等相關(guān)教學(xué)和研究，進(jìn)而促進(jìn)多學(xué)科的交融發(fā)展，探索海洋特色信息類的創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)的新機(jī)制。

1 以人工智能魚為抓手的多學(xué)科有機(jī)融合的教學(xué)體系

團(tuán)隊(duì)首先梳理出了“人工智能魚”涉及的核心要素，并據(jù)此制定課程體系和內(nèi)容，使之有機(jī)融合，切合信息類創(chuàng)新實(shí)踐人才的需求。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以“人工智能魚”為抓手的多學(xué)科有機(jī)融合和實(shí)踐人才培養(yǎng)的教學(xué)體系，如圖1所示。

圖1 以人工智能魚為抓手的多學(xué)科有機(jī)融合教學(xué)體系

該教學(xué)體系以面向海洋特色的跨學(xué)科信息類實(shí)踐人才培養(yǎng)為驅(qū)動(dòng)，梳理“人工智能魚”研究領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)知識體系和脈絡(luò)，選取海洋學(xué)院的海洋學(xué)和海洋流體學(xué)、水產(chǎn)與生命學(xué)院的魚類學(xué)和魚類行為學(xué)、以及信息學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)字媒體技術(shù)等，深化多學(xué)科知識有機(jī)融合的課程內(nèi)涵建設(shè)，以人工智能魚教學(xué)團(tuán)隊(duì)為依托，建立重點(diǎn)突出、層次分明的人才培養(yǎng)體系，以開設(shè)的人工智能魚和數(shù)字動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論兩門課程為基礎(chǔ)，探索人工智能魚第二課堂“四位一體”的教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)自2012年起連續(xù)舉辦上海海洋大學(xué)人工智能魚設(shè)計(jì)大賽，以課程育大賽，以大賽促課程，全過程互動(dòng)貫徹始終，加強(qiáng)大賽和教學(xué)的深度融合，借助于各類大賽、科創(chuàng)項(xiàng)目和本研一體化建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)“人工智能魚”方向的教學(xué)模式

團(tuán)隊(duì)以創(chuàng)新和實(shí)踐為目標(biāo)，以人工智能魚大賽為抓手，以校企、校際合作為機(jī)會(huì)，以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主要形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情，鞏固其所學(xué)知識，鍛煉其技能。教師要發(fā)揮“教練”的作用，對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和指導(dǎo)，并且通過對創(chuàng)新進(jìn)行總結(jié)，鞏固創(chuàng)新的成果，為學(xué)生提供一個(gè)良好的實(shí)踐平臺(tái)。為此，團(tuán)隊(duì)面向全校開設(shè)人工智能魚公共選修課，由海洋科學(xué)學(xué)院、水產(chǎn)與生命學(xué)院和信息學(xué)院等多位骨干教師，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和專業(yè)特長聯(lián)合授課，如圖2所示。

圖2 多學(xué)科骨干教師聯(lián)合授課方案

基于多學(xué)科有機(jī)融合，采用多位老師特色授課和指導(dǎo)、專業(yè)機(jī)房邊授課邊實(shí)踐、人工智能魚實(shí)驗(yàn)室情景化授課的方式，革新了人工智能魚的教學(xué)方式，提高了學(xué)生的理解和實(shí)踐能力。

以人工智能魚課程和數(shù)字動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論新生研討課為載體，先后共近300多名學(xué)生選修兩門課程，新生研討課中又組織學(xué)生前往上海軟件園上海河馬動(dòng)畫公司、張江高科園區(qū)等數(shù)字動(dòng)畫公司進(jìn)行參觀和體驗(yàn)，增進(jìn)了學(xué)生們對該領(lǐng)域的興趣。團(tuán)隊(duì)還邀請上海市兄弟院校的老師為顧問，進(jìn)入校園和課堂，為同學(xué)們講解生物仿真和制作、數(shù)字動(dòng)畫創(chuàng)作和虛擬現(xiàn)實(shí)，有些現(xiàn)場配置VR裝備的互動(dòng)體驗(yàn)，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。對于在人工智能魚大賽中獲獎(jiǎng)的同學(xué)，團(tuán)隊(duì)選送他們到相關(guān)實(shí)習(xí)基地和單位進(jìn)行再培訓(xùn)，由專業(yè)技術(shù)骨干指導(dǎo)其進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)能力，使得作品更加完善，為參加各類大賽和申請科創(chuàng)項(xiàng)目做準(zhǔn)備。

3 切實(shí)提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力

以人工智能魚教學(xué)團(tuán)隊(duì)為依托，以“教、賽、研、創(chuàng)”為內(nèi)容，切實(shí)提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，學(xué)生在上海市大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目、國家和省市各類大賽、研究生培養(yǎng)等方面，都取得了優(yōu)異成績。

經(jīng)人工智能魚教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師全方位指導(dǎo)，以人工智能魚大賽作品為主題，完善并推薦到各類大賽，近5年來在國家、市、校各級大賽上獲得獎(jiǎng)項(xiàng)近80余項(xiàng)，諸如：全國海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽、全國機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽、中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽、中國大學(xué)生原創(chuàng)動(dòng)漫大賽、藍(lán)橋杯全國程序設(shè)計(jì)大賽、上海市計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力大賽、上海市匯創(chuàng)青春大賽、上海市浦東新區(qū)滴水湖創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)論壇、上海市“臨港杯”水下智能機(jī)器人大賽、上海海洋大學(xué)人工智能魚設(shè)計(jì)大賽、上海海洋大學(xué)人工智能魚設(shè)計(jì)大賽、上海海洋大學(xué)移動(dòng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽等多個(gè)大賽上獲獎(jiǎng)。

近3年來，學(xué)生以人工魚為主題，申請獲得了5項(xiàng)上海市大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目：人工魚感知與行為的真實(shí)感設(shè)計(jì)與仿真、基于骨骼蒙皮技術(shù)的人工智能魚設(shè)計(jì)、基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)感海底環(huán)境仿真、基于VR交互技術(shù)的人工智能魚設(shè)計(jì)、基于Unity 3D的虛擬海洋環(huán)境與魚類行為模擬研究等。借助于大創(chuàng)項(xiàng)目，夯實(shí)了學(xué)生的科創(chuàng)能力和實(shí)踐能力。團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)1名學(xué)生獲得2015年學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新聯(lián)合大作業(yè)項(xiàng)目：“基于魚類行為學(xué)的人工智能魚仿真”，并通過該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和積累，該生進(jìn)一步又獲得了2016年 “上海海洋大學(xué)駱肇蕘大學(xué)生科技創(chuàng)新基金”項(xiàng)目：基于生物仿真的人工智能魚設(shè)計(jì)，全面提升了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，在2018年畢業(yè)時(shí)，該生因其創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)，以高薪應(yīng)聘一家上海單位，并被評選為信息學(xué)院的優(yōu)秀畢業(yè)生。我校元鼎學(xué)院是通過選拔全校精英學(xué)生組建的，團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)元鼎學(xué)院的1名優(yōu)秀學(xué)員，以人工智能魚為主題撰寫的國際論文，獲得2017年度元鼎學(xué)院優(yōu)秀學(xué)員結(jié)業(yè)三等獎(jiǎng)，培養(yǎng)了其科研能力和論文撰寫能力。

團(tuán)隊(duì)老師于2015年，獲得了學(xué)校“基于導(dǎo)師的本研一體化教學(xué)團(tuán)隊(duì)”建設(shè)項(xiàng)目的資助，進(jìn)一步開展了多層次本科生和研究生一體化的相關(guān)教學(xué)研究和探索，2017年團(tuán)隊(duì)獲得學(xué)校優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)稱號。近3年，人工智能魚教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)4名研究生，分別在真實(shí)感海洋模擬和人工智能魚仿真方面，發(fā)表了4篇EI國際論文，已培養(yǎng)1名研究生畢業(yè)[13]。

4 教學(xué)改革和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)等成果豐碩

該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過6年積累，各類教改項(xiàng)目、教學(xué)成績、大賽獲獎(jiǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐成果豐碩。團(tuán)隊(duì)獲得了2017年度上海市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)和校教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，基于導(dǎo)師的本研一體化教學(xué)團(tuán)隊(duì)獲得了2017年校級優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。出版人工智能魚教材3部：《應(yīng)用魚類行為學(xué)》《魚兒游泳的人工模擬教程》和《MEL腳本語言-魷魚游動(dòng)的人工模擬教程》[14-15]；團(tuán)隊(duì)教師獲得校級以上教研成果獎(jiǎng)9項(xiàng)；發(fā)表教學(xué)改革論文20余篇；主持校級教學(xué)改革項(xiàng)目3項(xiàng)；獲得了上海市高校本科重點(diǎn)教學(xué)改革項(xiàng)目1項(xiàng)；面向全校新開課兩門：人工智能魚和數(shù)字動(dòng)畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論，先后近300名學(xué)生選修，教學(xué)評價(jià)優(yōu)秀。

自2012年起連續(xù)成功舉辦6屆校級人工智能魚設(shè)計(jì)大賽，全校共有600余名學(xué)生參加大賽，獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)50余個(gè)；指導(dǎo)學(xué)生以人工智能魚為主題創(chuàng)作的作品累計(jì)獲獎(jiǎng)近80余項(xiàng)，其中國家及上海市等大賽獲獎(jiǎng)30余項(xiàng)；指導(dǎo)學(xué)生獲得市校兩級大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目共8項(xiàng)；指導(dǎo)4名人工智能魚方向研究生(1名已畢業(yè))，發(fā)表EI檢索論文4篇；建成了上海海洋大學(xué)人工智能魚實(shí)驗(yàn)室；聯(lián)合上海河馬動(dòng)畫公司拓展和建立1個(gè)動(dòng)畫類實(shí)踐人才實(shí)訓(xùn)基地。

5 教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐過程的創(chuàng)新點(diǎn)

團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)和實(shí)施以人工智能魚為抓手探索多學(xué)科有機(jī)融合教學(xué)體系和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)中，形成如下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1) 多學(xué)科知識有機(jī)融合的課程內(nèi)涵建設(shè)。結(jié)合海洋特色學(xué)科，梳理“人工智能魚”研究領(lǐng)域的多學(xué)科知識脈絡(luò)，切合海洋特色信息類人才的培養(yǎng)要求，從教師聯(lián)合研討授課、配套教材編寫、教改項(xiàng)目研究、人工智能魚大賽和人工智能魚實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等多方面，豐富了多學(xué)科有機(jī)融合的課程內(nèi)涵建設(shè)。

(2) “理論、實(shí)踐、體驗(yàn)、再培訓(xùn)”四位一體的教學(xué)體系。由跨學(xué)科多位教師聯(lián)合授課，以人工智能魚實(shí)驗(yàn)室為實(shí)踐環(huán)境，并組織學(xué)生前往動(dòng)畫公司參觀、體驗(yàn)，進(jìn)一步選拔優(yōu)秀學(xué)生去兄弟院校和實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行再培訓(xùn)，真正實(shí)現(xiàn)了“理論、實(shí)踐、體驗(yàn)、再培訓(xùn)”四位一體的教學(xué)體系。

(3) 大賽與教學(xué)深度融合的創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)模式。以人工智能魚設(shè)計(jì)大賽、國家、市、校各級大賽和創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，針對性地設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容和方式。以大賽促課程，以課程育大賽，賽中有教，教中有賽，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生實(shí)踐能力，探索了一條行之有效的大賽與教學(xué)深度融合的創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)之路。

6 結(jié) 語

我校人工智能魚團(tuán)隊(duì)結(jié)合學(xué)校的優(yōu)勢和特色，以人工智能魚的教學(xué)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐為抓手，開展魚類仿真制作、數(shù)字動(dòng)畫與虛擬海洋等相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)和實(shí)踐，進(jìn)而推動(dòng)多學(xué)科的有機(jī)交融發(fā)展，創(chuàng)新海洋信息類特色人才培養(yǎng)的模式，探索本研一體化多層次信息技術(shù)人才的教育教學(xué)改革，在各類教學(xué)改革和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)方面，取得了一系列豐碩成果，探索了一條適合自身特點(diǎn)的行之有效的人才培養(yǎng)之路。

雖然取得了一些成果，但團(tuán)隊(duì)也清醒地認(rèn)識到存在許多問題和不足，比如：“人工智能魚”涉及到的學(xué)科和技術(shù)門類比較多，對學(xué)生課外進(jìn)行創(chuàng)新的知識和技能要求較高，學(xué)生往往需要克服較多困難才能取得一定的成果，而如何發(fā)揮教師的作用，加強(qiáng)對課外創(chuàng)新的指導(dǎo)工作，使學(xué)生能夠?qū)⒅饕性诰唧w的創(chuàng)新上，而不是基礎(chǔ)的知識和技能學(xué)習(xí)上，是迫切要解決的問題。