新工科背景下地方高校人工智能課程體系及實(shí)踐教學(xué)初探

李賀 劉金江 馬曉普 張新剛

摘 要 以南陽(yáng)師范學(xué)院為例，根據(jù)新工科人才要求，結(jié)合地方高校特色對(duì)人工智能專業(yè)課程體系及教學(xué)模式進(jìn)行初探。從探索成效來(lái)看，新工科地方高校人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義，可為地方高校人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)及教學(xué)模式改革提供參考。

關(guān)鍵詞 新工科;實(shí)踐教學(xué);人工智能;地方高校;課程體系

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）09-0126-03

0? 引言

教育部在2017年提出新工科建設(shè)行動(dòng)路線，推動(dòng)傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級(jí)[1]。因此，在這種背景下，地方高校要深化產(chǎn)學(xué)研合作，協(xié)同育人，從而培養(yǎng)出適應(yīng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展的應(yīng)用型人才。我國(guó)現(xiàn)階段發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力量是創(chuàng)新，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎是人工智能，而人工智能教育也將成為人才紅利中的最大紅利。人工智能是科技發(fā)展催生出的專業(yè)，國(guó)家的重大需求和多學(xué)科交叉滲透起到推動(dòng)作用[2]。在人類進(jìn)入智能社會(huì)后，該學(xué)科會(huì)漸漸地向其他學(xué)科和專業(yè)滲透，因此，推動(dòng)新工科建設(shè)的核心驅(qū)動(dòng)力將會(huì)是人工智能。

隨著人工智能的發(fā)展，高等教育的價(jià)值也將進(jìn)一步提高。因此，各高校應(yīng)盡快建立與新工科相一致的人工智能專業(yè)，并深入研究我國(guó)人工智能方面的人才培養(yǎng)體系、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及成果轉(zhuǎn)化等方法，改革傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)學(xué)科的教育教學(xué)方法，形成有新工科特色的人工智能專業(yè)工程教育方法。國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)都意識(shí)到人工智能的重要性，紛紛對(duì)其展開教學(xué)和研究。但是，與“雙一流”高校相比，地方高校由于師資、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、科研平臺(tái)及學(xué)科建設(shè)等力量有限，造成人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)相對(duì)滯后。部分地方高校盲目跟風(fēng)，照搬“雙一流”高校的人工智能課程體系，沒(méi)有考慮師資和科研力量，在沒(méi)有相關(guān)二級(jí)學(xué)科建設(shè)支撐情況下，快速開設(shè)人工智能課程，造成教學(xué)內(nèi)容無(wú)法和社會(huì)接軌，以及教學(xué)質(zhì)量和效果不佳的問(wèn)題。

為了解決這些問(wèn)題，并使地方高校跟上人工智能時(shí)代的腳步，抓住高等教育發(fā)展的新機(jī)遇，本文以南陽(yáng)師范學(xué)院為例，探索在新工科背景下進(jìn)行地方高校人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)。

1? 人工智能對(duì)新工科人才的新要求

1.1? 具備基于人工智能的多學(xué)科交叉知識(shí)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出人工智能學(xué)科。人工智能是多個(gè)學(xué)科交叉而成的一門學(xué)科，同時(shí)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，主要包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制學(xué)、心理學(xué)、信息論、哲學(xué)、語(yǔ)言學(xué)及系統(tǒng)論等[3]。因此，一個(gè)合格人工智能專業(yè)人才需要具備多學(xué)科知識(shí)。

1.2? 具備基于人工智能的多領(lǐng)域應(yīng)用能力

人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，基本包含工業(yè)、農(nóng)業(yè)及社會(huì)生活的各個(gè)行業(yè)（如工業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療、金融、社會(huì)治安、交通領(lǐng)域及服務(wù)業(yè)等）[4]。人工智能技術(shù)主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理、知識(shí)系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、智能搜索及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等。學(xué)生在學(xué)好專業(yè)技術(shù)的前提下也需要掌握這些行業(yè)的相關(guān)知識(shí)，這樣才能增加人工智能在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3? 具備人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神及人文素養(yǎng)

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展成為我國(guó)現(xiàn)階段發(fā)展的重要力量，人工智能成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎[5]。在大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的號(hào)角下，人工智能技術(shù)成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過(guò)程中的一個(gè)大趨勢(shì)。因此，當(dāng)今新形勢(shì)下培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的人工智能專業(yè)人才，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及大學(xué)畢業(yè)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)具有重要意義。人的內(nèi)在品質(zhì)就是人文素養(yǎng)，人文科學(xué)的知識(shí)水平和研究能力是人文素養(yǎng)的重要組成部分，人文素養(yǎng)是人文科學(xué)體現(xiàn)出來(lái)的以人為研究對(duì)象和中心的精神[6]。人工智能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展對(duì)人類社會(huì)帶來(lái)的是便利還是災(zāi)難，關(guān)鍵是使用者的思想道德和人文素養(yǎng)。因此，培養(yǎng)具有人文精神的人工智能專業(yè)人才具有重要的意義。

2? 地方高校人工智能課程體系建設(shè)

2.1? 地方高校人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)

人工智能是面向前沿高新技術(shù)的基礎(chǔ)性本科專業(yè)，培養(yǎng)品格健全的具有科學(xué)的人文精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和良好的職業(yè)道德品質(zhì)，以及德、智、體、美、勞全面發(fā)展的人才。人工智能專業(yè)的本科畢業(yè)生要求掌握人工智能、信息科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，能夠運(yùn)用智能科學(xué)領(lǐng)域的主流關(guān)鍵技術(shù)，研究和解決軟件開發(fā)、大數(shù)據(jù)、人工智能及其應(yīng)用領(lǐng)域的工程技術(shù)問(wèn)題的能力，成為在工業(yè)、信息、醫(yī)療、教育、電力、金融等行業(yè)從事人工智能學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)研究、教學(xué)及管理工作的復(fù)合型應(yīng)用人才。人工智能專業(yè)的本科畢業(yè)生要求基礎(chǔ)理論扎實(shí)，科學(xué)素養(yǎng)良好，可以綜合運(yùn)用人工智能專業(yè)技術(shù)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

2.2? 地方高校人工智能專業(yè)課程體系

2.2.1? 人工智能課程體系設(shè)計(jì)? 人工智能課程體系主要包括學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程及個(gè)性化課程。

學(xué)科基礎(chǔ)課程主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程、數(shù)字電路及大學(xué)物理等課程。其中，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程主要包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì);計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程主要包括計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與編程、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。

專業(yè)核心課程主要是計(jì)算機(jī)學(xué)科主干課程和人工智能相關(guān)的基礎(chǔ)課程。其中，計(jì)算機(jī)學(xué)科主干課程主要包括Python程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)概論、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法等課程;人工智能相關(guān)的基礎(chǔ)課程主要包括人工智能導(dǎo)論、機(jī)器人學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及智能控制理論等。

為了滿足學(xué)生對(duì)人工智能專業(yè)的不同方向需求以及在各領(lǐng)域的應(yīng)用需求，在個(gè)性化課程中設(shè)置兩個(gè)培養(yǎng)方向，主要有就業(yè)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方向（服務(wù)機(jī)器人、數(shù)字圖像處理、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化、人工智能與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等）和后備學(xué)術(shù)人才方向（數(shù)字圖像處理、R語(yǔ)言數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、算法分析與設(shè)計(jì)、自然語(yǔ)言處理等）。

2.2.2? 優(yōu)化理論及實(shí)踐課程? 在學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課和個(gè)性化課程中加大實(shí)驗(yàn)?zāi)K，增加課程設(shè)計(jì)，建立以理論為基礎(chǔ)、應(yīng)用為導(dǎo)向的人工智能教學(xué)實(shí)踐模式。在專業(yè)基礎(chǔ)方面，除了基礎(chǔ)的理論學(xué)習(xí)，在公共課實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，并增加課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)。在專業(yè)強(qiáng)化階段，除了專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)，還有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、機(jī)器學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等實(shí)驗(yàn);增加企業(yè)和項(xiàng)目實(shí)踐課程，從而提高人工智能專業(yè)本科學(xué)生的實(shí)踐能力。在專業(yè)應(yīng)用階段進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)，以學(xué)生興趣為導(dǎo)向，開展相關(guān)應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)，主要包括機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)、自然語(yǔ)言處理實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)畢業(yè)實(shí)習(xí)（以畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文為導(dǎo)向進(jìn)行），進(jìn)一步提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。

3? 地方高校人工智能教學(xué)模式初探

3.1? 地方高校人工智能專業(yè)教學(xué)模式改革：理論實(shí)踐結(jié)合，突出創(chuàng)新思維

3.1.1? 人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)? 由于人工智能教材理論性強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)覺(jué)得乏味無(wú)聊，當(dāng)實(shí)驗(yàn)課程較少時(shí)，也會(huì)漸漸失去興趣。在新工科建設(shè)背景下，南陽(yáng)師范學(xué)院廣泛應(yīng)用多種人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提高學(xué)生興趣，主要包括百度飛槳（PaddlePaddle）深度學(xué)習(xí)平臺(tái)、希冀一體化人工智能實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和大數(shù)據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。

3.1.2? 采用案例教學(xué)法? 建立人工智能實(shí)踐教學(xué)案例庫(kù)，主要包括人工智能經(jīng)典模擬實(shí)驗(yàn)（包括覆蓋網(wǎng)絡(luò)搜索、隨機(jī)梯度下降、P-R曲線、RMSProp、動(dòng)量法、隨機(jī)梯度下降、監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)降維、推薦系統(tǒng)、特征工程等）、深度學(xué)習(xí)算法（深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、深度學(xué)習(xí)計(jì)算、TensorFlow基礎(chǔ)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）實(shí)驗(yàn)及自然語(yǔ)言處理（全局向量的詞嵌入、機(jī)器翻譯、文本情感分類、編碼器—解碼器、束搜索、注意力機(jī)制、詞向量）機(jī)器人實(shí)驗(yàn)等;改革教學(xué)方法，以案例導(dǎo)入進(jìn)行教學(xué);以人工智能綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)例導(dǎo)向進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.2? 地方高校人工智能專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

3.2.1? 校企合作? 在教學(xué)資源有限的情況下，利用自身有限的師資增強(qiáng)教學(xué)效果，建立起具有學(xué)科特色的人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)模式，校企合作是關(guān)鍵。校企深度合作，在企業(yè)方面，積極邀請(qǐng)教師進(jìn)企業(yè)進(jìn)修，了解企業(yè)需求，并提高教師的工程能力，從而培養(yǎng)出適合社會(huì)發(fā)展的人才;同時(shí)，學(xué)校積極邀請(qǐng)企業(yè)中實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的人才到校任教或任職，改革教學(xué)策略及教學(xué)方法，建立具有地方區(qū)域特色的師資隊(duì)伍及校企協(xié)調(diào)的新工科教學(xué)模式，從而避免人工智能專業(yè)實(shí)踐與企業(yè)實(shí)際脫節(jié)。

3.2.2? “雙導(dǎo)師”負(fù)責(zé)制? 實(shí)行“雙導(dǎo)師”制，通過(guò)校企之間建立教師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，以項(xiàng)目為牽引，將企業(yè)實(shí)踐作為第二課堂學(xué)分，制定人工智能專業(yè)相關(guān)的學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，積極引導(dǎo)學(xué)生參加各項(xiàng)計(jì)算機(jī)和人工智能相關(guān)的比賽，從而提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐方面的能力。

4? 初探經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

4.1? 初探成效

南陽(yáng)師范學(xué)院自開展人工智能專業(yè)課程體系及教學(xué)模式探索以來(lái)，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不斷提高，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2019年獲得中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國(guó)軟件信息技術(shù)大賽、中國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽、ACM亞洲區(qū)域賽及省“挑戰(zhàn)杯”作品競(jìng)賽等國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)14人次，省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)26人次。

4.2? 初探啟示

地方高校應(yīng)對(duì)自身發(fā)展和人工智能人才培養(yǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，根據(jù)學(xué)科建設(shè)與當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)聯(lián)度，探索實(shí)踐適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新工科人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)科建設(shè)方法。教師是新工科人工智能人才培養(yǎng)中的主導(dǎo)，教師積極性的調(diào)動(dòng)至關(guān)重要，出臺(tái)合理的教育教學(xué)激勵(lì)辦法非常關(guān)鍵。另外，要加大師資力量建設(shè)，積極鼓勵(lì)教師進(jìn)修，提高教師綜合素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，積極引進(jìn)企業(yè)中有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人才到高校任職，使高校人才培養(yǎng)與企業(yè)發(fā)展相適應(yīng)。學(xué)生是新工科人工智能人才培養(yǎng)中的主體，自主學(xué)習(xí)是成才的核心。通過(guò)有效的教學(xué)改革，建立合理的課程體系及具有特色的實(shí)踐實(shí)習(xí)平臺(tái)，這是調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要?jiǎng)恿Α?/p>

南陽(yáng)師范學(xué)院接下來(lái)將進(jìn)一步研究教學(xué)資源有限情況下的新工科人才培養(yǎng)機(jī)制，不斷完善人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)改革、課程體系及工程實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)，進(jìn)一步加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)企業(yè)的合作交流，以新工科理念繼續(xù)進(jìn)行人工智能專業(yè)課程體系及人才培養(yǎng)模式的探索。■

參考文獻(xiàn)

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