基于“立地頂天”教學(xué)理念的人工智能課程建設(shè)

王 艷

（北京物資學(xué)院 信息學(xué)院 , 北京 101149）

0 引言

近年來，隨著深度學(xué)習、大數(shù)據(jù)等支撐人工智能的關(guān)鍵技術(shù)得以突破，人工智能以前所未有的速度與態(tài)勢迅猛發(fā)展，其應(yīng)用逐步滲透到人類生活的很多領(lǐng)域。2017年7月20日國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[1]更是將人工智能提升到國家戰(zhàn)略的高度；10月，人工智能被寫進黨的十九大報告。同時，生物芯片、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、自動駕駛、情感機器人等高端事物的層出不窮，人類已迎來了弱人工智能向強人工智能轉(zhuǎn)變的新時代[2]。在這種時代背景下，社會發(fā)展急需人工智能領(lǐng)域的人才，而現(xiàn)實卻是具備人工智能理念與技術(shù)的綜合應(yīng)用型人才的稀缺。

人工智能教學(xué)不僅僅要從計算機專業(yè)的角度去教授學(xué)生人工智能的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)智能系統(tǒng)的能力，讓學(xué)生具備“立地”的能力，更要結(jié)合時代背景，培養(yǎng)學(xué)生的智能情感與態(tài)度及智能倫理于一體的智能素養(yǎng)，同時讓學(xué)生開拓廣闊的國際視野，清晰領(lǐng)域前沿，能夠獨立思考，具有自覺利用智能理論及技術(shù)解決實際問題的意識與能力，發(fā)展學(xué)生“頂天”的潛力。因此，將“立地頂天”教學(xué)理念融入人工智能課程建設(shè)的實踐中具有重要的理論意義與實用價值。

1 人工智能課程建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

教育部2018年4月制定了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》[3]，明確提出要“支持高校在計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科設(shè)置人工智能學(xué)科方向，推進人工智能領(lǐng)域一級學(xué)科建設(shè)”“加大人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)力度”。在此背景下，對于人工智能教育的思考與教學(xué)模式的探究進入了一個嶄新階段，許多專家學(xué)者對人工智能教育提出了思考[4-6]，為高等教育中的人工智能專業(yè)建設(shè)提出了很多嶄新的觀點[7-9]，這些思考與觀點引領(lǐng)了我國高校人工智能教育的方向，促進了高校人工智能教育的發(fā)展。同時在此背景下涌現(xiàn)出一批對人工智能課程創(chuàng)新的探討與實踐[10-12]，這些項目的研究有的是從教學(xué)大綱入手，研究如何設(shè)置和編排教學(xué)內(nèi)容，能夠讓學(xué)生更好地掌握和理解人工智能的基本原理及相關(guān)技術(shù)；有的研究是通過翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，主要以人類的多元智能為參照，從多元智能空間結(jié)構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)程度、時序結(jié)構(gòu)的技術(shù)框架達成度等方面來分析人工智能的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢。

誠然，這些課題或項目的研究在一定程度上大大促進了人工智能教育，但在某種程度上凸顯出一些弊端。作為高校本科學(xué)生，他們將是我國高端應(yīng)用型人才的主要來源，在人工智能迅速滲透到人們工作、生活各個領(lǐng)域的背景下，人類要想在這個時代中生存、發(fā)展就必須具備掌控甚至超越這個時代的基本素養(yǎng)，因此探索一種高效易行的人工智能課程的教學(xué)模式勢在必行。

綜上所述，本科院校人工智能課程的建設(shè)要綜合考慮學(xué)生的學(xué)情、學(xué)生的興趣、學(xué)生未來發(fā)展相關(guān)智能素養(yǎng)的培養(yǎng)[13]，既要教授學(xué)生人工智能的基本原理、基本方法及技術(shù)，又要開拓學(xué)生對人工智能及其發(fā)展的視野與認識，具備運用所學(xué)知識自主規(guī)避人工智能風險的能力。因此“立地頂天”的教學(xué)理念適合普通本科院校教育。

2 基于“立地頂天”教學(xué)理念的人工智能課程建設(shè)

2.1 精選教學(xué)內(nèi)容

人工智能的基本理論包括狀態(tài)空間圖的搜索技術(shù)，與或圖搜索及博弈樹，謂詞邏輯及歸結(jié)原理，知識表示，機器學(xué)習，智能計算等內(nèi)容。以上教學(xué)內(nèi)容是人工智能理論與技術(shù)的基本理論，為人工智能深入研究夯實基礎(chǔ)，無法再進行刪減。作為專業(yè)選修課，人工智能課程是32-48學(xué)時，對于教學(xué)內(nèi)容應(yīng)根據(jù)學(xué)情精心設(shè)計，否則不但無法在指定時間內(nèi)完成既定的教學(xué)內(nèi)容，而且學(xué)生會感受到學(xué)習過程枯燥無味，缺乏興趣。上述教學(xué)內(nèi)容中，狀態(tài)空間圖的搜索較為簡單，主要介紹深度優(yōu)先與廣度優(yōu)先搜索策略及部分啟發(fā)式搜索算法，考慮到研究生的學(xué)習能力一般較強，這部分可以課堂簡單介紹，主要通過引導(dǎo)學(xué)生課下設(shè)計具體案例及解決方案深入理解并掌握。但搜索算法中的A*算法是人工智能領(lǐng)域中的一個具有可納性的基本的啟發(fā)式搜索算法，是今后人工智能算法開發(fā)的基礎(chǔ)，需要課堂著重講解并給出學(xué)生相應(yīng)的具體案例，讓其運用所學(xué)知識解決。與或圖及博弈樹是人工智能領(lǐng)域中的重要基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容在解決實際問題及競技對弈類游戲中有廣泛應(yīng)用，因此需要著重講授。但考慮到課時限制，可以通過引導(dǎo)學(xué)生課后分組完成類似于跳棋、五子棋等簡單棋類游戲的開發(fā)來加強學(xué)生對理論的理解及增強學(xué)生學(xué)習興趣。謂詞邏輯及歸結(jié)原理大部分內(nèi)容在人工智能的選修課程——離散數(shù)學(xué)的數(shù)理邏輯部分有所介紹，但對于有些學(xué)校計算機專業(yè)學(xué)生而言，由于沒有開設(shè)離散數(shù)學(xué)課程，所以不能省略，可以通過課上講解理論、課下完成趣味推理或刑偵判斷等類似案例的方式加強學(xué)生對理論的理解與提升運用理論解決實際問題的能力。知識表示是知識工程和自然語言理解的基礎(chǔ)，考慮到學(xué)生不同的研究方向，這部分只介紹比較常用的產(chǎn)生式系統(tǒng)、語義網(wǎng)絡(luò)、框架等知識表示方法。機器學(xué)習是當前人工智能領(lǐng)域一個比較熱門的研究方向，可能會成為一部分學(xué)生將來的研究課題，因此需要著重將機器學(xué)習部分的基本框架及幾種常用的機器學(xué)習的思想講授。同樣，計算智能也是當前的一個研究熱門，要著重將幾種常用的算法思想向?qū)W生講授。為了避免理論性過強，后面這幾部分教學(xué)內(nèi)容需要精選案例，讓學(xué)生在課下實踐中掌握相關(guān)方法與技能。

2.2 “立地”教學(xué)理念下案例設(shè)計

人工智能的基本理論和技術(shù)是培養(yǎng)具有智能素養(yǎng)的應(yīng)用型人才的基礎(chǔ)，但僅僅通過課堂講授不僅由于課時限制而無法完成相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，而且學(xué)生學(xué)起來也非常枯燥乏味，更無法真正將所學(xué)知識融入具體的應(yīng)用中，因此在確保教學(xué)內(nèi)容“立地”的前提下實用性、趣味性、代表性較強的案例設(shè)計必不可少。根據(jù)各章節(jié)內(nèi)容，需要設(shè)計課堂案例，以促進學(xué)生對所學(xué)知識和技術(shù)的理解與掌握，同時為了密切配合課堂所講內(nèi)容，充分利用課余時間，引導(dǎo)學(xué)生課下自己設(shè)計或以分組模式完成課下案例，以加強對所學(xué)知識的復(fù)習與鞏固，并熟悉人工智能知識與技術(shù)的實際應(yīng)用場景。

人工智能課程教學(xué)內(nèi)容課堂及課下案例如表1所示。

表1 人工智能各章節(jié)所選案例

2.3 “頂天”教學(xué)理念下多元化教學(xué)模式實踐研究

僅僅掌握了人工智能的基本理論及技術(shù)對于當代研究生而言是遠遠不夠的，高校畢業(yè)生是我國高端應(yīng)用型人才的主要來源，應(yīng)清晰領(lǐng)域前沿，具有廣闊國際視野，能夠獨立思考，具有自覺利用智能理論及技術(shù)解決實際問題且具有較高的智能素養(yǎng)。因此，在傳授人工智能基本理論及技術(shù)的同時，必須讓學(xué)生緊跟時代節(jié)奏，清晰明確人工智能的發(fā)展及瓶頸。這樣，需要挑選一些與人工智能技術(shù)相關(guān)的案例或觀點，通過討論、辯論、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式進行交流，促進學(xué)生對人工智能技術(shù)及發(fā)展的認識，提高學(xué)生學(xué)習興趣。同時可以引導(dǎo)和組織學(xué)生積極參與世界機器人大會等人工智能相關(guān)的展會實習，不但能夠使學(xué)生開闊視野，同時還能增強學(xué)生學(xué)習的成就感，明確學(xué)習人工智能的方向。前期的教學(xué)經(jīng)歷表明，探究式、討論式、寫作式等合適的多元化教學(xué)模式能夠大大提高學(xué)生學(xué)習及探究的興趣，明顯提升教學(xué)效果。

2.4 多元化過程性考核設(shè)計

過程性考核是對學(xué)生所學(xué)知識的檢驗，也是對教師教學(xué)模式及教學(xué)過程的檢驗。“立地頂天”教學(xué)理念下的人工智能課程主要讓學(xué)生通過理解與掌握人工智能的基本理論及相關(guān)技術(shù)，能夠自覺利用所學(xué)知識解決實際問題，并具有國際視野。在過程性考核中，學(xué)生平時所掌握的知識、技能必須能夠得以體現(xiàn)，因此可以采用期末與平時成績相結(jié)合的方式，期末考試采用開卷形式，考試題目與平時課堂及課下案例類似，只有掌握了相關(guān)理論與技術(shù)才能靈活運用解決問題。同時為了體現(xiàn)平時學(xué)習效果，將“頂天”理念下的相關(guān)話題讓學(xué)生分組或獨立以論文形式完成，突出本組或自己的思想，同時讓學(xué)生在論文撰寫技巧及規(guī)范上得以提升，培養(yǎng)學(xué)生與他人合作的工作作風。對于平時任務(wù)完成較好的小組或個人，給予一定的獎勵。

3 結(jié)語

總體上“立地頂天”教學(xué)理念下的人工智能課程建設(shè)取得了一定成果，通過精選教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計教學(xué)案例，實踐多元化教學(xué)模式，完善多元化過程性考核評價體系等教學(xué)手段，使得不同層次的學(xué)生在課時非常有限的狀態(tài)下均有不同的收獲，符合既定的課程目標，讓學(xué)生了解和掌握了人工智能的基本技術(shù)、基本原理及發(fā)展趨勢，并將在他們今后的工作中有所應(yīng)用。除此之外，由于這門課程具有融合多門學(xué)科知識的特征，使得部分學(xué)生對人工智能相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的知識產(chǎn)生了濃厚的興趣，開闊了學(xué)生的就業(yè)前景。

今后，要進一步精化教學(xué)內(nèi)容，努力提升教學(xué)案例的趣味性及實用性，以增強學(xué)生的學(xué)習興趣，從而愿意在課下拿出更多的時間學(xué)習和研究人工智能的相關(guān)知識，密切關(guān)注人工智能的發(fā)展勢態(tài)，為今后學(xué)生的工作或?qū)W習儲備更多的知識與技能，為我國科技發(fā)展輸送高水平的應(yīng)用型人才。