基于項目實踐與慕課的人工智能與工科交叉課程教學(xué)探討

李俊芳

摘 要 在人工智能+時代，高校開設(shè)人工智能與工科交叉課程是大勢所趨。本文闡述了借助慕課，結(jié)合項目實踐實現(xiàn)交叉課程良好授課的方法。以《人工智能與軌道交通》課程為例，對課程目標，內(nèi)容與實際授課設(shè)計進行了說明，對比采用與未用項目實踐獲取的教學(xué)效果論證了基于項目實踐與慕課的交叉課程教學(xué)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 項目實踐 慕課 人工智能與工科交叉課程 課程教學(xué)

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1研究背景與問題提出

1.1人工智能+時代

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與計算機硬件系統(tǒng)的提升，人工智能成為引領(lǐng)第四次產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵學(xué)科。2019年全國兩會提出，人工智能要能賦能其它專業(yè)領(lǐng)域，促進其它專業(yè)領(lǐng)域的改造升級。因此，促進人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)工科專業(yè)的深度融合，培養(yǎng)具有人工智能意識和能力的工程科技人才，是當(dāng)前最為緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。因此，開設(shè)人工智能課程成為本科院校的必然趨勢。

1.2慕課的教學(xué)方式

慕課（MOOC）是大規(guī)模開放的在線課程（Massive Open Online Course），其課程特點是“短而精” ，時長約3-5分鐘，是對課程重難點的總結(jié)與強調(diào)，具有解決長時間“滿堂灌”模式下學(xué)生注意力不集中的優(yōu)勢。該特點對于自學(xué)能力強的學(xué)生較適用，但于自學(xué)能力較差未進行課程系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生，其相當(dāng)于碎片化知識，難以理解，效果與傳統(tǒng)課程相比較差。此外，慕課在以師為范，與人交流，合作溝通方面相比傳統(tǒng)課程幾乎沒有優(yōu)勢。所以，有很多學(xué)者采用慕課+翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)方法進行授課，線下通過分組討論使學(xué)生對重難點知識進行深入剖析與討論，使教學(xué)取得良好的效果。

1.3問題的提出

慕課+翻轉(zhuǎn)課堂的形式對理科與文科的學(xué)習(xí)是適用的，但對于需要工程實踐的的工科學(xué)習(xí)是欠缺的。如何對人工智能與工科交叉學(xué)科的慕課課程的混合式教學(xué)方式進行改進以彌補工程實踐環(huán)節(jié)的缺失從而取得較好的教學(xué)效果是亟待解決的問題。

2基于項目實踐的教學(xué)方式

CDIO工程教育模式是由麻省理工學(xué)院與瑞典皇家工學(xué)院于2000年發(fā)起，是全球積極推進工程教育改革，探索創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)模式的最新成果。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達到預(yù)定目標。

基于CDIO“做中學(xué)”的實踐理念，設(shè)計基于項目實踐與慕課相結(jié)合的交叉課程教學(xué)方案。將慕課+翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)方式中翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容進一步提升與改進，在課堂上除了對重難點知識的探討與深入剖析外，加入人工智能在工程項目中的應(yīng)用等實際項目的設(shè)計、預(yù)案、實施與評價或優(yōu)化等問題的探討與研究，并針對學(xué)生在實際項目操作中的反饋，在線下課堂中或群策群力解決疑難問題，或就問題反映的理論進一步鞏固與理解，或探討多種方案引發(fā)思考，或提供參考使學(xué)生深入鉆研尋求最優(yōu)化方案。

3案例分析

筆者所在的上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院運營管理系于2018年9月通過教育部交通運輸專業(yè)工程認證標準，既是對本專業(yè)交通運輸工程教育的肯定，也是工程教育改革的開始。在此背景下，為營造軌道交通學(xué)子信息技術(shù)處理背景，實現(xiàn)軌道交通的智慧化運營與管理，針對人工智能與軌道交通工程的交叉學(xué)科學(xué)習(xí)開設(shè)的《人工智能與軌道交通》課程更應(yīng)該在教學(xué)中緊抓工程實踐的重要環(huán)節(jié)，課程理論講解做到精與簡，摒棄純理論灌輸?shù)目菰锓ξ妒谡n方式，加大實踐環(huán)節(jié)課時，實現(xiàn)學(xué)生“做中學(xué)”的目的。

《人工智能與軌道交通》課程目標是（1）記憶并理解人工智能內(nèi)涵、算法、模型與技術(shù)（原理、步驟、使用方法）;（2）分析人工智能解決軌道交通規(guī)劃與管理專業(yè)實際問題的思維與模式;（3）應(yīng)用所學(xué)人工智能方法解決軌道交通規(guī)劃與管理專業(yè)的實際問題;（4）根據(jù)人工智能綜合知識，針對軌道交通實際問題，提出創(chuàng)新方案。目標1通過學(xué)生預(yù)習(xí)與慕課課程的學(xué)習(xí)實現(xiàn)，目標2～4通過實踐環(huán)節(jié)實現(xiàn)，其中2主要在翻轉(zhuǎn)課堂中通過學(xué)生討論進行深入剖析獲取，3通過查閱資料，算法演算與代碼編寫在實驗課時中進行項目實操，4是針對學(xué)生實踐的反饋問題，在教師的引導(dǎo)下通過查閱文獻，觀摩案例，鉆研代碼語句進行深入或超前學(xué)習(xí)。

《人工智能與軌道交通》包含三個項目實踐內(nèi)容，通過應(yīng)用人工智能算法與模型解決軌道交通實際問題。搜索算法實踐對應(yīng)實際軌道交通乘客出行最短路徑問題，在起始點間尋找可行路徑（繞開障礙物）并求解最短路徑，要求學(xué)生分別用深度優(yōu)先、廣度優(yōu)先、迭代加深三種無信息搜索算法以及A*有信息搜索算法進行實訓(xùn)。貝葉斯與效用模型（下轉(zhuǎn)第4頁）（上接第1頁）實踐對應(yīng)軌道交通客流受多種因素影響下如何進行有效預(yù)測，要求學(xué)生構(gòu)建軌道交通車站與線路客流預(yù)測貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型并根據(jù)實際數(shù)據(jù)對模型進行擬合，獲取參數(shù)用于預(yù)測。決策樹以及機器學(xué)習(xí)實踐對應(yīng)軌道交通乘客的出行行為，在乘客多特征及出行特征約束下，（1）構(gòu)建決策樹預(yù)測乘客的出行決策;（2）構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測乘客的出行行為;（3）構(gòu)建支持向量機預(yù)測乘客的出行行為。以上項目的完成需要對算法進行深入理解，并結(jié)合軌道交通實際問題構(gòu)建模型，進行求解算法代碼編寫。經(jīng)過項目實操，學(xué)生獲取知識由被動記憶理解變?yōu)橹鲃永斫馀c吸收。該課程實際授課兩學(xué)期，第一學(xué)期按照項目式教學(xué)方法，較好地貫徹了“做中學(xué)”的理念。第二次授課由于疫情影響，視頻討論效果沒有現(xiàn)場授課好，僅將項目實踐作為課后作業(yè)發(fā)布給學(xué)生。以貝葉斯項目為例，第一次授課學(xué)生59名中54名均較好實現(xiàn)軌道交通客流的預(yù)測，在私下聊天以及學(xué)生反饋中，均反映經(jīng)項目實操后，對知識的理解更加深刻，記憶更加牢固，應(yīng)用起來更加得心應(yīng)手，對于新的實際問題能較快構(gòu)建模型，但二次授課由于討論效果打折扣，項目進展緩慢，問題也沒有及時進行反饋，實際“做中學(xué)”的理念沒有貫徹到位。最后10名學(xué)生實際提交完整項目報告的學(xué)生人數(shù)僅有2，教學(xué)效果較差。

4結(jié)論

本文闡述了借助慕課，結(jié)合項目實踐實現(xiàn)人工智能與工科交叉課程良好授課的方法。以《人工智能與軌道交通》課程為例，設(shè)計了記憶理解-分析-應(yīng)用-創(chuàng)新逐步遞進的課程目標，包含軌道交通實際問題的實踐課程內(nèi)容與基于項目實踐與慕課的實際授課方法，對比采用與未用項目實踐教學(xué)方法背景下學(xué)生項目任務(wù)的完成度證了該教學(xué)方法的優(yōu)越性。

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