基于創(chuàng)新思維的人工智能通識課程教學研究

李海軍，王振嶺，段文秀

(德州學院 計算機與信息學院，山東 德州 253023)

人工智能技術的發(fā)展受到國家的高度重視，高等學校作為培養(yǎng)人才的基地，應擔負起培養(yǎng)適應智能化時代需要的人才重任。2018年，《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》[1]的核心目標之一就是推動高校人工智能領域科技創(chuàng)新體系優(yōu)化和人才培養(yǎng)體系的完善。智能時代信息科學與技術在各學科領域交叉滲透，為了培養(yǎng)合格的智能化人才，必須實現(xiàn)學科交叉融合和跨界整合。學科的交叉融合和跨界整合拓寬了學生的視野，同時也給學生增加了學習內(nèi)容，造成了一定的學習壓力。人工智能通識課程是智能化人才培養(yǎng)的基礎課程，面向各學科大學生開設，人工智能通識課程涉及知識表示、搜索策略、不確定推理、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)、深度學習等多學科知識[2]。如果不進行教學內(nèi)容、教學方法、考核方式的改革，會影響教學效果，為了探索產(chǎn)學結(jié)合的教學方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，應拓展學生的新理論、新知識、新技術，發(fā)揮個人所長制訂個性化教學方案。近年來，我國對人工智能人才的需求越來越大，為了助推智能化人才的培養(yǎng)，教育部積極推動產(chǎn)學合作，大力支持校企協(xié)同育人項目的申報。在教學內(nèi)容改革、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、教師培訓等方面進行推動，開拓了專業(yè)視野，提高了復合型人才培養(yǎng)水平，擴大了學生就業(yè)方向。

很多高校于2003年就開設了人工智能等課程，并將其作為本科生的智能基礎課。很多學者撰文介紹和交流了該課程的教學方法，劉杰認為應講解人工智能最新成果，提高學生學習興趣，鼓勵學生創(chuàng)新，建立多元化考核機制[3]；馬麗等認為人工智能方向的課程教學應采用啟發(fā)式教學方法，充分調(diào)動學生的學習積極性，實施課內(nèi)和課外相結(jié)合的學習方式[4]；周惠巍等面向生物信息學專業(yè)本科生，開展人工智能課程理論與實踐相結(jié)合的教學模式探究，包括基于案例教學法的人工智能理論教學內(nèi)容研究[5]。

1 人工智能通識課程教學存在的問題

1.1 教學內(nèi)容重知識傳授、輕趣味性

部分教師因為課時限制和教學任務要求，過于注重講授知識和完成教學任務。人工智能通識課程涵蓋的內(nèi)容較多，并且大部分內(nèi)容需要用數(shù)學的方法進行推理，導致學生感覺教學內(nèi)容枯燥和抽象，體驗不到人工智能的魅力，產(chǎn)生厭學情緒，造成對講授的知識一知半解。學生學完這門課程，只是感覺枯燥難懂，對于里面的算法、推理記憶模糊，這種教學內(nèi)容和教學方式?jīng)]有激發(fā)學生對人工智能知識的好奇心和探究精神。

1.2 實驗內(nèi)容重驗證性、輕創(chuàng)新思維培養(yǎng)

目前，人工智能通識課程的實驗內(nèi)容主要是根據(jù)教師講解的內(nèi)容，去實驗室進行驗證性實驗，驗證成功則實驗任務結(jié)束，未設置體驗性內(nèi)容并培養(yǎng)學生的探究和試錯能力。課程實驗內(nèi)容大多是根據(jù)教材內(nèi)容布置的，未結(jié)合學生身邊的故事，體驗性實驗內(nèi)容不足。教師在講解課程內(nèi)容時，對于學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)重視不夠，應增加拓展學生想象空間的實驗內(nèi)容，不要過多強調(diào)實驗結(jié)果的量性評價[3]。

1.3 考核方法的改革力度不足

部分高校的課程考核方式不靈活，在課程效果考核方面留給教師進行靈活教學、創(chuàng)新性教學、探究式教學的空間不足。部分高校教務部門統(tǒng)一要求課程考核內(nèi)容，沒有根據(jù)專業(yè)特色、教師授課情況、學生基礎等因素合理、靈活地設置考核任務，導致教師在講授內(nèi)容時發(fā)揮空間較小，限制了教學內(nèi)容、教學方法、考核方式的優(yōu)化改革。

2 人工智能通識課程教學改革策略

人工智能學科是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門技術科學，也是一門交叉學科，其包含了計算機科學、腦科學、認知科學、心理學、語言學、邏輯學、哲學等多學科知識。通過講解人工智能通識課程，使學生做到知識融會貫通，并以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維為出發(fā)點。知識是多種多樣的，應使學生的知識涉獵更廣、體系化更強，同時在不斷思考和學習中實現(xiàn)知識的融會貫通以及優(yōu)化組合。為了使課程教學研究內(nèi)容更具有針對性，對理、工、文、體、藝專業(yè)的大一、大二、大三學生進行了問卷調(diào)查，發(fā)放問卷1000份，回收有效問卷666份。

2.1 靈活設置教學內(nèi)容，開展產(chǎn)學結(jié)合

人工智能通識教材版本較多，每個教師可以根據(jù)自己的課題內(nèi)容和研究方向選擇合適的教材，以適用為本，并結(jié)合產(chǎn)學協(xié)同育人項目合作單位在人工智能方面的一些新產(chǎn)品、新技術和培訓案例制訂教學內(nèi)容，真正使教學內(nèi)容與合作企業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源融會貫通、優(yōu)化組合。

為了掌握學生的學習意愿，對理、工、文、體、藝等學科專業(yè)學生進行了調(diào)研，如表1所示。結(jié)果顯示，各專業(yè)學生對于人工智能通識課程有很多期待，希望課程內(nèi)容多一些“生動有趣的案例分析”“講身邊人工智能的應用”的學生比例較大。講解人工智能課程時，可將授課內(nèi)容從看、聽、言、行、思五個方面進行設置[6]。

表1 學生認為人工智能通識課程應該講授的內(nèi)容Tab.1 Contents which students think should be contained in artificial general course

2011年以來，以深度學習為代表的機器學習技術突飛猛進，發(fā)展速度較快，人工智能技術也已經(jīng)滲透到了生產(chǎn)生活的方方面面，為學生認識人工智能和研究人工智能技術提供了范例。人工智能通識課程能夠挖掘很多人工智能技術應用到生活中的趣味故事。例如，教師可以在教學內(nèi)容中引用“機器人群體學習”“機器人足球賽”“AlphaGo戰(zhàn)勝李世石”等趣味性教學案例，激發(fā)學生的學習興趣和好奇心，如圖1所示。

圖1 趣味性教學案例Fig.1 Interest teaching case

教師應多與企業(yè)技術人員溝通，利用產(chǎn)學協(xié)同育人平臺，時刻關注人工智能的成果發(fā)展情況，用最新成果拓展教材內(nèi)容，及時更新教學內(nèi)容，開拓學生視野，調(diào)節(jié)課堂氣氛，使學生保持學習興趣[4]。教師可以根據(jù)學生的關注點，邀請企業(yè)技術人員舉辦講座、演示新產(chǎn)品，將枯燥的算法和生動有趣的體驗性實驗相結(jié)合，使學生體會到人工智能技術的神奇與魅力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，提升學生的學習效果和實踐技能。人工智能領域涉及內(nèi)容較多，教師需要在課堂教學中有效激發(fā)學生的學習興趣和學習主動性，提升學生的探究能力，進而培養(yǎng)更多智能化人才。

2.2 創(chuàng)新教學方式，實現(xiàn)校企聯(lián)動

在教學過程中，教師應該注重創(chuàng)新教學方式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，開拓學生視野，全面提升學生的創(chuàng)新實踐能力[7]，進而培養(yǎng)更多適應智能時代需要的復合型人才，提升學生的綜合素質(zhì)。

2.2.1 發(fā)揮教師的引導作用

在信息技術飛速發(fā)展的今天，課堂教學已不再是教師一人教、學生多人聽的模式，教師和學生的角色正在發(fā)生改變。隨著網(wǎng)絡資源、慕課資源的不斷豐富，教師應該成為課堂教學和學生學習的組織者、引導者、合作者。敏銳洞察人工智能技術對于人們生產(chǎn)方式、生活方式的改變，注重講身邊故事，為學生提供更多的想象空間，有效挖掘和激發(fā)學生自身的好奇心和求知欲[8]。教師在組織課堂活動時，要重點做到“引”“領”的作用，從現(xiàn)實生活中人們熟悉的案例入手，與學生分享一些人工智能技術在日常生活中生動有趣的應用和故事，通過講趣味故事—形象化描述—感知—推理—生成(語音、圖片、文字)這個過程使學生從趣味故事入手，激發(fā)學生的學習興趣和想象空間，增強學生的創(chuàng)新意識[9]。

2.2.2 增加實驗教學內(nèi)容，引入逆向思維

教師應根據(jù)學生的實際情況，靈活設置實驗教學內(nèi)容，做到因材施教，為了更好地了解學生對于實驗課的認識以及對實驗教學內(nèi)容的需求，調(diào)查了學生對人工智能通識課程實驗教學內(nèi)容的需要，如圖2所示。結(jié)果顯示，希望增加“體驗性實驗內(nèi)容”的學生平均占比46.5%、“實驗仿真操作”占比54.5%、“實驗內(nèi)容增強趣味性”占比61%、“最新人工智能技術模擬操作”占比64.5%。對于編程能力較強的學生，可以讓其選擇一些典型算法進行模擬—運行—改進(或用不同程序語言實現(xiàn)或改進程序框架)—比較。對于編程能力較弱但是空間想象力較強的學生，可以讓其從認識自己開始，比如開展人臉識別算法實驗如圖3所示，通過臉部輪廓—臉部特征—人臉檢測—人臉識別—在實際中的應用案例等過程進行人臉識別過程的分析與算法的應用，算法的描述可以用偽代碼表示。根據(jù)學生的不同愛好、興趣點，劃分成項目小組，布置小項目，小組成員分工協(xié)作，完成任務[10]。

引入逆向思維方式，讓學生根據(jù)智能技術處理的結(jié)果進行大膽地否定或改造，根據(jù)結(jié)果制訂處理方案，突破常規(guī)方法，激發(fā)創(chuàng)新思維。例如，對于圖3中人臉、眼、鼻、嘴巴等的識別，同學們可以觀察自己或者同伴的臉部特征，創(chuàng)造各種奇思妙想的解決方案，以全新的視角和突破口解決實際問題。

圖2 學生對人工智能通識課程實驗教學內(nèi)容的需要Fig.2 Demands of students on the experiment teaching content of artificial intelligent general course

圖3 實驗教學引用案例Fig.3 Reference case of experiment teaching

2.3 改革考核模式，激發(fā)創(chuàng)新思維

合理的考核方法能夠激發(fā)學生學習的積極性、連續(xù)性，增強學生的求知欲和創(chuàng)新思維。設置靈活多樣的分級分層考核方式，不僅能夠有效檢測學習效果，還能實現(xiàn)因材施教的教學目標。人工智能課程的考核應注重學生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的階段性、連續(xù)性，重點考查學生創(chuàng)新思維的綜合運用能力。根據(jù)學生所學專業(yè)設置相關考核題目，教師可以與企業(yè)技術人員合作，通過視頻的方式組織學生答辯，也可以建立信息平臺，讓學生將文檔資料和自己所做題目的目標、方法、步驟、思考角度錄制成視頻上傳。評估小組可以從學生題目的目標、思考方法、靈活性、獨創(chuàng)性等角度進行評分。

3 結(jié)語

在人工智能發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略的背景下，如何培養(yǎng)智能化創(chuàng)新型人才已經(jīng)成為各高校和專業(yè)建設的迫切任務。人工智能系列課程必須做好教學改革，優(yōu)化課程內(nèi)容，改進教學方法，并結(jié)合身邊故事進行學習內(nèi)容設置，探索學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)方法，以推動人工智能教育走上新臺階，促進交叉學科的深度融合發(fā)展，以期為人工智能的通識教育和有關的系列課程教學提供借鑒。