應用型高校人工智能課程的實踐探索

王佛琴

廣州城市理工學院計算機工程學院 廣東廣州 510800

一、概述

隨著人工智能專業(yè)的興起，不僅僅是各大高校，世界上部分國家的發(fā)展戰(zhàn)略都將人工智能納入作為強國的希望，致力于大范圍的產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)化、全面化的人才培養(yǎng)。

作為計算機科學分支，人工智能的目標是了解智能的本質，進而創(chuàng)造一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器。人工智能領域的研究包括語音機器人、文字識別、自然語言處理、計算機視覺和專家系統(tǒng)等，做相關研究學習的人需要學習各方面專業(yè)知識，在心理學和哲學方面也要有一定的要求，到一定的階段研究員都會專注在一個或兩個方向。

目前，我國人工智能行業(yè)已經(jīng)進入一個新階段——產(chǎn)業(yè)化，科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的主要陣地集中在全國各地高校，對人才的培養(yǎng)是尤為重要的，尤其在應用型大學里，對此類課程進行研究探索，以獲取更合適的教學方式是必要的。

二、人工智能專業(yè)方向現(xiàn)狀及問題

據(jù)不完全統(tǒng)計，通過查閱各種資料可以發(fā)現(xiàn)，截至2020年，成功申報人工智能專業(yè)的有215所高校[1]，由此可見，人工智能專業(yè)的申報工作專業(yè)建設已成為主流趨勢。為了有利于人工智能專業(yè)發(fā)展，需要了解高校人工智能專業(yè)課程的開設情況，以便在制定人工智能專業(yè)培養(yǎng)計劃時多做參考少走彎路。有多家機構針對人工智能專業(yè)現(xiàn)狀開展了調研，如右圖所示，某機構的網(wǎng)絡問卷調查結果展示了人工智能專業(yè)課程的開課情況。此次調研不僅涉及教育局已公布的215所已申報人工智能專業(yè)的高校，還包括另外219所開設人工智能相關課程的高校。

如右圖所示，已經(jīng)開設相關課程的高校占81%，剩下的19%的高校里面，大部分也處于正在建設或計劃建設的過程當中。特別地，在調研結果中，一些非人工智能、非計算機專業(yè)(機械工程、電氣自動化、電子信息工程等)也在其專業(yè)與人工智能學科的跨專業(yè)課程融合方面做出努力，可見人工智能課程的建設正在全國范圍內如火如荼地進行當中。

多所高校人工智能專業(yè)課程開課統(tǒng)計圖

(一)本科生特點

當代大學生生長在一個科技發(fā)展相對成熟的環(huán)境當中，多數(shù)從小就接觸學習過類似的知識，比如，當今社會十分火熱的各種少兒編程班，所以他們具備不少的計算機基本常識，人工智能的概念更是在他們腦海中根深蒂固。隨著社會的發(fā)展，高校中計算機類專業(yè)也越來越受歡迎，學生也在各方面的影響下更加關注人工智能的最新進展及新型技術的出現(xiàn)，對人工智能類專業(yè)知識有更強烈的涉獵需求。

針對學生的這種情況，教師需要強調專業(yè)基礎課程的重要性，而且人工智能是需要多探索多嘗試的一門學科，需要掌握的基礎知識有很多[2]。學生需要在實踐類課程之前，早早夯實基礎，才能盡快步入人工智能研究正軌。除此之外，教師應該注意新知識的更新?lián)Q代，在整個過程中應用最新知識，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新和團結協(xié)作等能力，在應用型大學中尤為重要。

(二)現(xiàn)有教學方法及主要缺陷

人工智能專業(yè)多于2018至2021年逐漸興起，目前來看，還是個新興專業(yè)，全國范圍內都在探索更有效的教學方法。

經(jīng)調查研究[3]，多位人工智能研究學者說過，要研究機器學習，應盡量多學數(shù)學課程。各高校的人工智能本科教學的初級階段是開設各類數(shù)學基礎課程，例如，高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論、最優(yōu)化原理、矩陣分析等。先夯實基礎，其間還要學習各種計算機基礎課，例如：計算機組成原理、各種高級程序設計語言(C、C++、Java、C#、Python等)、數(shù)據(jù)結構、算法設計等，學習過程中鍛煉邏輯思維能力，培養(yǎng)良好編碼習慣，為后續(xù)課程做好準備，其中，Python語言的學習對人工智能的后續(xù)課程尤為重要。具有上述的計算機專業(yè)基礎知識后，機器學習課程會讓學生對人工智能有細節(jié)上的初步認識，從最簡單的機器的學習模型了解其學習過程，后續(xù)再逐步深化，學習深度學習、圖像處理、語音處理等高階課程。在學習高階課程的同時，會開設一些人工智能實踐課程，讓學生自己動手解決項目型課題。

由此可見，數(shù)學知識對人工智能的學習至關重要，但對于應用型大學，考慮到自身的局限性，大部分畢業(yè)生從事相關工作，但大部分不會去做深層次的模型算法研究，所以課程內容不需要太過深入但要全面，如表1所示。不僅如此，還需要了解校企合作企業(yè)日常工作中必備知識，整合后結合學生的特點，完成培養(yǎng)計劃的制訂，教學大綱的編寫、教學的正常進行，真正做到“夠用”“適合”的原則。綜合上述缺陷，可以從兩個方面去改善，一方面是針對教師的產(chǎn)教研融合的人工智能師資培訓，另外一方面就是針對學生的學習方式的改變。

針對教師的產(chǎn)教研融合的人工智能師資培訓，主要是為了解決人工智能缺少專業(yè)師資的難題，據(jù)調研了解，這幾年的人工智能師資培訓班百花齊放，如表1所示，大致列舉出了如下幾個經(jīng)典的案例。這類培訓讓高校去了解企業(yè)，解決了學習缺乏教學資源、平臺、師資等難題。部分高校也已經(jīng)和企業(yè)達成合作，增設校企合作學院，一起培育出更適合社會、企業(yè)的應用型人才。

表1 師資培訓情況

針對學生的學習方式的改變所面臨的挑戰(zhàn)更大，理論課程+項目實踐+比賽訓練的模式是目前各界認為比較好的培養(yǎng)學習方法。首先要以計算機科學專業(yè)為基礎，將人工智能理論研究或實踐操作都融入計算機學科培養(yǎng)過程中，更利于對人工智能的學習融會貫通。在經(jīng)過大學前兩年的數(shù)學基礎課和計算機專業(yè)核心課的歷練后，大三開始有多個人工智能研究方向的多門課程可選，主要有計算機視覺、生物計算、語音信息處理、人機交互、系統(tǒng)理論、個性化設計等。每個專業(yè)方向會有一兩門入門型課程、兩三門與所選方向關聯(lián)性很強的課程以及多門范圍廣泛的高階選修課，讓學生可以有多種選擇發(fā)掘自己的優(yōu)勢與興趣所在。

三、教學方式的優(yōu)化方向

目前全國高校都在努力探索，本文旨在研究應用型大學的人工智能課程及教學方式的探索，所以把重點放在項目實踐及比賽方面。

首先，由于培養(yǎng)計劃課時的限制再加上學生需要全面性培養(yǎng)，所以采用線上線下融合的方式。目前國內有很多在線學習平臺，主要包括中國大學慕課(MOOC)、網(wǎng)易云課堂、智慧樹、騰訊課堂、優(yōu)課聯(lián)盟、學堂在線、創(chuàng)客學院等在線教學平臺，大多數(shù)主流平臺上都有豐富而優(yōu)秀的課程。很多平臺或多或少仍存在一些問題，如文獻[4]中所述，網(wǎng)絡環(huán)境差、教學平臺不夠完善存在技術隱患等，但是快速更新發(fā)展的科學技術手段應該可以較快地解決這些問題。在平臺選擇和課程設計上需要多下功夫，以免出現(xiàn)問題無法短時間內快速解決拖慢整個培養(yǎng)進度，最好是利用學校已有的設備自己錄制一些實操課，因材施教才是關鍵。

再者，現(xiàn)今主流的人工智能培養(yǎng)模式都是在一些軟件平臺去實踐，對應用型大學來講，可考慮使用硬件來做，將嵌入式課程也融入其中，有利于學生的全面發(fā)展。本文探討關于在經(jīng)典的STM32上的教學研究，采用的FS-MP1A應用STM32MP157A處理器，基于Cortex-A7 32bit RISC核心加Cortex-M4 32bit RISC核心的高性能雙核心處理器可以作為個人學習和工業(yè)控制的多功能開發(fā)平臺。FS-MP1A可以應用多種場景，可以在各方面訓練學生的學習能力和實踐能力，但需要各方面的基礎知識，例如，需要具有Linux開發(fā)能力、SQLite等，基礎課程的學習進度如表2所示。

表2 STM32基礎學習安排

如上所述，有了上述開發(fā)基礎，還需要有綜合項目實踐課程，例如，獲取系統(tǒng)信息：設計一個實時獲取本機系統(tǒng)信息的軟件，包括獲取IP地址、內核版本號、網(wǎng)絡接收和發(fā)送速度、CPU利用率、磁盤讀寫速度等信息，以下幾個綜合實踐項目也可以納入其中。

音樂播放器：該軟件是在Linux環(huán)境下使用QT開發(fā)的一款簡易的音樂播放器軟件。該播放器具有如下功能：批量從本地導入歌曲到歌曲列表中；清空歌曲列表；刪除歌曲列表中選中的歌曲；用進度條顯示歌曲播放的進度，并顯示時間；用“播放/暫停”“停止”“上一曲”“下一曲”四個按鈕對歌曲進行控制；用滑動器對歌曲音量進行控制；右鍵會彈出菜單，可以對程序進行相應的控制；提取歌曲的歌詞，并解析歌詞，根據(jù)歌曲的播放進度顯示歌詞。串口調試工具：串口調試工具支持以文本或者十六進制方式顯示讀取到的數(shù)據(jù)，也可以以文本或者十六進制方式存儲讀取到的數(shù)據(jù)到指定的文件中。不需要以讀文件的方式讀寫串口，用QT5提供的QSerialPort類讀寫串口，并且用connect函數(shù)把QSerialPort的信號和定義的槽函數(shù)連接起來。修改左上角串口設置，設置串口初始化，進行簡單的勾選操作，就可把數(shù)據(jù)寫入文件中。

智慧家庭：智能家居作為一個新生產(chǎn)業(yè)，處于一個導入期與成長期的臨界點，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，培育起消費者的使用習慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景光明。本文中設計的智慧家庭板塊主要包括Wi-Fi模塊、天氣預報模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、設備控制模塊、智能監(jiān)測模塊、連接百度云模塊等。智能語言/圖像識別：主要是調用百度AI開發(fā)平臺API進行語音、圖像識別，進行語音控制傳感器的聯(lián)動。智慧醫(yī)療：設計一個軟件，使用心率/脈搏傳感器采集數(shù)據(jù)，通過算法計算得到心率和血氧。智能安防：實時監(jiān)控，當有火災發(fā)生時，火焰?zhèn)鞲衅鲗z測到信息，觸發(fā)蜂鳴器，實現(xiàn)火災報警，遮擋光電開關，會自動彈出門禁系統(tǒng)。

諸如上述的各種實踐項目都是基于STM32 MP157A處理器來操作的，最高工作頻率為800MHz。Cortex-A7處理器為每個CPU內置一個32 kbyte L1指令緩存，一個32 kbyte L1數(shù)據(jù)緩存為每個CPU內置一個256 kbyte 2級緩存，同時Cortex-A7處理器是一個低功耗的應用處理器，旨在為高端可穿戴設備以及其他低功耗嵌入式和消費應用提供豐富的性能，軟硬件相結合的方式更利于重難點的學習，采用功能強大的開發(fā)板助于對細節(jié)及時調整。