新工科背景下基于CDIO+課程思政的人工智能課程教學(xué)改革研究*

羅聲平 郭宇 何科榮

1 南昌師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院 南昌 330032 2 南昌交通學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)科部 南昌 330032

0 引言

隨著我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，我國高等工程教育界達(dá)成“新工科”建設(shè)共識，迫切需要培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，在未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)[1]。人工智能是典型的“新工科”和交叉學(xué)科，是實(shí)現(xiàn)科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)，是普適性技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。國家從戰(zhàn)略層面對人工智能提出了規(guī)劃和要求，例如發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》(國發(fā)〔2017〕35號)和《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》(教技〔2018〕3號)等文件，為我國新一代人工智能發(fā)展提供了政策支撐。但目前高校人工智能課程教學(xué)依然存在與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用脫節(jié)、難以適應(yīng)人工智能技術(shù)快速發(fā)展的需求、創(chuàng)新精神等思政元素與課程內(nèi)容銜接生硬等問題。因此，新工科背景下，人工智能課程的教學(xué)改革勢在必行。

1 人工智能課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

人工智能課程主要包括專家系統(tǒng)開發(fā)、自然語言處理、智能機(jī)器人應(yīng)用三大領(lǐng)域的內(nèi)容，既有系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，又有算法編程調(diào)試，綜合性較強(qiáng)，是典型的“新工科”，但是目前高校人工智能課程教學(xué)普遍存在如下問題。

第一，課程教學(xué)模式有待完善。現(xiàn)有的人工智能課程教學(xué)模式仍以傳統(tǒng)授課方式為主，“三全育人”踐行不足。

第二，課程實(shí)踐內(nèi)容有待規(guī)劃。人工智能技術(shù)的新算法、新手段不斷發(fā)展，實(shí)際需求日新月異，課程實(shí)踐內(nèi)容卻依舊停留在驗(yàn)證性、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)層面，實(shí)踐項(xiàng)目選題的設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步規(guī)劃。

第三，課程實(shí)踐方式有待拓展。現(xiàn)有的人工智能課程未形成“課內(nèi)+課外、線上+線下”的完整教學(xué)生態(tài)鏈，課程的廣度和深度有待進(jìn)一步拓展。

第四，課程考核方式有待完善。

因此，新工科背景下，面對人工智能技術(shù)綜合卓越型人才的迫切需求，各高校亟須積極探索人工智能課程教學(xué)的“三全育人”新途徑，形成一套高效可推廣的課程教學(xué)體系，為我國智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐。

2 基于“CDIO+課程思政”的人工智能課程教學(xué)改革

基于工程能力培養(yǎng)與課程思政的人工智能教學(xué)研究與實(shí)踐，目前國內(nèi)研究成果較少，有較大的探索意義。

CDIO工程教育模式是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等多所高校針對教育模式改革研究出的工程教育新方法。CDIO 是 Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）和 Operate（運(yùn)作）四個(gè)英文單詞的縮寫，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力[2]，可針對性彌補(bǔ)目前人工智能課程中實(shí)踐性、應(yīng)用性低等不足，以主動、實(shí)踐的方式提高學(xué)生人工智能技術(shù)工程能力相關(guān)素養(yǎng)。

課程思政以構(gòu)建全員、全過程、全方位的育人新格局為指導(dǎo)，在專業(yè)課程教學(xué)過程中融入思政教育，深度挖掘和提煉專業(yè)知識體系中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)立德樹人的教育目標(biāo)[3-4]。由于理工類課程專業(yè)性較強(qiáng)，較難實(shí)現(xiàn)思政元素與教學(xué)內(nèi)容的無縫融合，思政元素的針對性挖掘及創(chuàng)新性深度融入模式的探索勢在必行。

將CDIO工程教育理念與課程思政相結(jié)合的教學(xué)模式（“CDIO+課程思政”教學(xué)模式）應(yīng)用于人工智能課程教學(xué)中，可以提高學(xué)生人工智能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的工程能力，同時(shí)達(dá)到提升價(jià)值引領(lǐng)和意識形態(tài)教育效果的目的。

2.1 基于目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)方法改革

本教學(xué)模式以CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)，基于目標(biāo)導(dǎo)向，認(rèn)真研究課程中學(xué)生需掌握的內(nèi)容，針對人工智能技術(shù)中的專家系統(tǒng)開發(fā)、自然語言處理、智能機(jī)器人應(yīng)用三大領(lǐng)域，分別合理設(shè)置提高型、創(chuàng)新型及綜合型三類設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題，共設(shè)計(jì)了9個(gè)高質(zhì)量的思政專題。

同時(shí)，利用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行項(xiàng)目任務(wù)梳理與分節(jié)點(diǎn)實(shí)踐，結(jié)合超星學(xué)習(xí)通等信息化平臺實(shí)現(xiàn)課內(nèi)課外全過程覆蓋，拓展專業(yè)課程的廣度和深度，將知識傳授與價(jià)值引領(lǐng)有機(jī)結(jié)合，整體改革思路如圖1所示。

圖1 基于目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)方法改革

2.2 基于思政導(dǎo)向的實(shí)踐內(nèi)容改革

人工智能技術(shù)的實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)思政元素與專業(yè)內(nèi)容的無縫銜接是一個(gè)難題。本教學(xué)模式對教學(xué)中的實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行改革，通過思政導(dǎo)向，切實(shí)提高人工智能課程教學(xué)體系的“三全育人”功能。本次實(shí)踐內(nèi)容改革設(shè)置9個(gè)思政專題設(shè)計(jì)，并擇優(yōu)參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、中國機(jī)器人大賽等，以賽促學(xué)。具體專題設(shè)計(jì)如下。

專家系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域：專題一為中國偉大人物圖片識別系統(tǒng)開發(fā)（提高型項(xiàng)目），能正確識別并列出相關(guān)事跡，增強(qiáng)學(xué)生的愛國情懷；專題二為“五常”“八德”知識系統(tǒng)開發(fā)（創(chuàng)新型項(xiàng)目），“五常”為仁、義、禮、智、信，“八德”為孝、悌、忠、信、禮、義、廉、恥，傳播中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，堅(jiān)定學(xué)生的文化自信；專題三為黨史學(xué)習(xí)教育系統(tǒng)開發(fā)（綜合型項(xiàng)目），培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)決擁護(hù)中國共產(chǎn)黨，堅(jiān)持道路自信。

自然語言處理領(lǐng)域：專題一為機(jī)器翻譯技術(shù)——井岡山精神（提高型項(xiàng)目），引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揚(yáng)艱苦奮斗精神；專題二為語音合成技術(shù)——給父母的話（創(chuàng)新型項(xiàng)目），引導(dǎo)學(xué)生常懷感恩之心；專題三為語音識別技術(shù)——我的中國夢（綜合型項(xiàng)目），引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)定理想信念。

智能機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域：結(jié)合機(jī)器人虛擬仿真軟件Gazebo，專題一為中國古代機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)（提高型項(xiàng)目），學(xué)習(xí)古人的精益求精，傳承工匠精神；專題二為智慧農(nóng)業(yè)機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)（創(chuàng)新型項(xiàng)目），從農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r切入，教育學(xué)生發(fā)揚(yáng)袁隆平的開拓進(jìn)取精神；專題三為智慧防疫機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)（綜合型項(xiàng)目），教育學(xué)生弘揚(yáng)團(tuán)結(jié)互助、自強(qiáng)不息的防疫精神。

基于思政導(dǎo)向的實(shí)踐內(nèi)容改革整體思路如圖2所示。

圖2 基于思政導(dǎo)向的實(shí)踐內(nèi)容改革

2.3 基于時(shí)空導(dǎo)向的實(shí)踐方式改革

CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)將綜合能力培養(yǎng)貫穿于課內(nèi)課外全過程，因此，本教學(xué)模式基于時(shí)空導(dǎo)向進(jìn)行改革，利用信息化平臺與開放性實(shí)驗(yàn)室（具備深度學(xué)習(xí)服務(wù)器、智能語音識別模塊、智能機(jī)器人等硬件、軟件條件），以翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，形成“課內(nèi)+課外、線上+線下”的新型實(shí)踐方式，拓展教學(xué)的廣度和深度，如圖3所示。

圖3 基于時(shí)空導(dǎo)向的實(shí)踐方式改革

2.4 基于過程導(dǎo)向的考核方式改革

為培養(yǎng)卓越型人工智能技術(shù)人才，結(jié)合CDIO工程教育標(biāo)準(zhǔn)，課程在考核方式上基于過程導(dǎo)向進(jìn)行改革，重點(diǎn)考核學(xué)生專業(yè)知識的運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力、溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，增加過程考核比重，包括系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試、項(xiàng)目展示、專家系統(tǒng)思政能力測試等方面，全面實(shí)行形成性評價(jià)和綜合性評價(jià)，完善綜合素養(yǎng)考核制度，如圖4所示。

圖4 基于過程導(dǎo)向的考核方式改革

3 “CDIO+課程思政”的人工智能課程教學(xué)模式實(shí)踐成果

3.1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽參與度有效提升

隨著人工智能課程專業(yè)教育與課程思政的同步推進(jìn)，學(xué)生課程團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新意識、工匠精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到有效提升，在“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”“互聯(lián)網(wǎng)+信息技術(shù)服務(wù)”三大領(lǐng)域產(chǎn)生了一些優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。2022年，共有5個(gè)學(xué)生課程團(tuán)隊(duì)參與了第十三屆“挑戰(zhàn)杯”江西省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽、第八屆江西省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，覆蓋人數(shù)達(dá)到35人次，較2021年有較大提升，其中，“安全智駕——基于面部特征的全天候疲勞駕駛檢測及預(yù)警系統(tǒng)的研究及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲第十三屆“挑戰(zhàn)杯”江西省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽銅獎。

3.2 學(xué)科競賽獲獎率明顯提高

本教學(xué)模式基于時(shí)空導(dǎo)向進(jìn)行改革，以翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，形成“課內(nèi)+課外、線上+線下”的新型實(shí)踐方式，在較大程度上促進(jìn)了課程相關(guān)的學(xué)科競賽獲獎率。

2022年，學(xué)院學(xué)生在藍(lán)橋杯軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽中獲江西省一等獎2項(xiàng)、二等獎5項(xiàng)、三等獎12項(xiàng)，獲獎名次和獲獎面都較2021年有較大提高。

4 結(jié)束語

基于課程思政的教學(xué)模式已被用于部分課程的教學(xué)改革，但本教學(xué)模式創(chuàng)新性地將CDIO工程教育理念與課程思政進(jìn)行了深度融合，在人工智能課程中建立“CDIO+課程思政”新教學(xué)模式，以工程教育理念為基礎(chǔ)，在專家系統(tǒng)開發(fā)、自然語言處理、智能機(jī)器人應(yīng)用三大應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)9個(gè)思政專題，將思政內(nèi)容作為作品設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以信息化平臺、開放實(shí)驗(yàn)室為依托，形成“專業(yè)設(shè)計(jì)+思政元素”的實(shí)踐方式，同時(shí)細(xì)化綜合性評價(jià)指標(biāo)、完善綜合素養(yǎng)考核制度，實(shí)現(xiàn)了知識傳授與價(jià)值引領(lǐng)的同步發(fā)展。