面向新工科的“人工智能”課程精準分層式教學研究

摘要：本文針對電子信息工程專業工程認證人才培養計劃要求，將精準評估教學策略與“人工智能”課程建設相融合，從授課方式、教學模式和知識點布局上改進教學手段，從專業課程知識結構的廣度和深度上進行改革，幫助學生發現問題、整理分析問題，最終解決問題，提升學生學習主動性。同時，針對課程特點，深挖專業課程內容中潛在的思政教學元素，實現思政教育指導下的全過程育人。通過教學實踐，證明了針對新工科人才培養方案的“人工智能”課程精準分層式教學方法對提高大學生工程實踐能力起到了良好的推動作用。

關鍵詞：新工科；人工智能；精準分層教學；課程思政

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）08-0097-04

傳統的工科教育注重理論知識和技術技能的傳授，但在當前的社會背景下，工科人才需要具備更廣泛的能力和素養。為了培養具備創新精神、跨學科能力和實踐能力的工程技術人才，教育部提出了新工科的理念和目標。新工科強調跨學科融合、工程實踐和創新創業能力的培養，旨在培養具備系統思維、創新意識和團隊合作能力的工科人才，以適應科技創新和社會發展的需求。[1]

同時，為適應傳統經濟向新經濟轉變對人才培養的新需求，教育部開展了新工科教育研究與建設，從調整專業課結構入手，增設了一批人工智能、智能制造等新的專業課程[2]，筆者所在學校電子信息工程專業也面向大三的學生開設了“人工智能”專業課程，該課程涉及《離散數學》《機器學習》《數字信號處理》及《計算機導論》等多門學科的知識，具有極強的理論性、設計性和實踐性的特點。

精準分層式教學方法是由奧格登·林斯利最先提出的[3]，它是一種為教師教學決策和學習者學習改進提供科學依據的方法，同時它也是我國古代“因材施教，因人而異”理論的新探索。受益于相關學者的研究成果[4]，筆者以所在學?！叭斯ぶ悄堋闭n程教學改革為例，充分考慮課程的知識體系與教學難點，提出了“分組+階段+特長”的精準分層教學模式及課程思政全過程育人方案，以期為電子信息工程、物聯網工程等專業相關課程改革及人才培養提供有益的借鑒。

“人工智能”課程教學實踐過程中存在的問題

1.在教學內容上，數學基礎要求高，學生畏難情緒強

大多數“人工智能”課程的教材以機器學習和圖像處理相關算法為主，涉及許多數學和統計概念，如線性代數、概率論、統計學等，但以教師采用多媒體講述為主的傳統教學方式，很難調動學生的創新熱情，使其產生畏難情緒。

2.在教學方式上，以教師灌輸為主，沒有兼顧學生個體差異

由于受到學科建設、招生規模與生源水平等因素的影響，筆者所在學校的生源質量存在較大差異，同時，由于師資條件有限，教學過程采用平行的行政班級形式，導致專業基礎較為薄弱的學生因基礎知識和能力欠缺而難以迅速理解和掌握各種智能方法的編程思想和算法設計。

3.課程考核形式固化，缺乏綜合能力測試

通過對比和研究國內多所大學“人工智能”課程的教學大綱及考核標準，筆者所在課題組發現目前大多數高校的“人工智能”課程考核方式依然是以傳統考核方式為主，雖然附加了線上教學的形式，但依然缺乏創新能力的考核，同時，無法顧及課程思政教育成效的綜合考查，與新工科人才培養理念不相符。

構建“分組+階段+特長”三位一體的教學體系

筆者以“新工科”人才培養目標為向導，以工科專業認證為推手，同時結合所在學校和學院的辦學特色，在專業課建設與改革過程中，充分體現“三全育人和全過程育人”的教學理念，融合式植入思政元素，建設了“分組+階段+特長”的課程教學新體系。體系結構如圖1所示。

創新實踐培養重在培養學生的專業實踐能力和創新思維能力，而精準分層教學模式的建立，正是通過形成“建立目標、教學實施、評估分析和反饋改進”四個環節保證教學效果與教學質量。[3]體系的工作流程如上頁圖2所示。以“人工智能”課程的教學為例，精準分層式教學模式主要分為以下幾個步驟。

1.水平精準評估與分組

在指定教學目標之前，教師需要對學生的已有知識體系和創新潛力進行綜合評估與測試，并根據結果進行分組。在“人工智能”課程中，評估可以包括一些基本的編程能力測試、數學和統計知識的考查，以及對人工智能概念的了解程度的評估。根據評估結果，再將學生分為不同的層次或能力組，如初級、中級和高級。

2.基于創新實踐的分段式教學設計

在創新實踐環節，將教學過程分為基礎講解、實踐提高、綜合創新實踐三個階段：在基礎講解階段，依然采用集中教授的方法加固學生的基礎知識和專業理論知識；在實踐提高和綜合創新實踐階段，利用“理論+實踐”，引導不同組的學生完成相應難度的功能模塊設計，逐步培養學生發現問題、解決問題的能力。

根據學生的分組情況，教師制訂相應的教學計劃。以搜索技術的教學實踐為例，針對初級組的學生，教學計劃可從搜索基本概念和應用開始，重點介紹盲目式搜索和啟發式搜索的基本原理和特點；針對中級組的學生，教學計劃可要求學生完成典型啟發式算法的編程實例，并以小組討論的形式加深學生的理解；針對高級組的學生，教學計劃可從教師科研出發，劃分出簡單而具體的程序設計任務，以興趣小組的形式督促學生完成算法設計，激發學生創新能力，也為參加相關學科競賽打下基礎。在實踐教學過程中，教師會根據學生反饋及時調整學生分組，最大限度激發學生學習熱情。

3.教學實施與跟進階段

在教學過程中，教師根據教學計劃分階段地教授相關內容，并密切關注學生的學習進展情況，通過學生的作業、實驗及定期小組學習匯報，提供指導和反饋。根據學生的學習情況，教師應隨時調整教學策略和資源，確保每個學生都能夠在適合自己水平的教學環境中進步。

4.基于數據挖掘和統計學習的教學效果評估

單純利用傳統教學方法很難達到精確的、有層次的教學效果評估與決策。隨著信息技術的發展，教師可以利用“雨課堂”、微信公眾號和微信小程序等應用平臺及時考查學生對“人工智能”課程知識點的掌握情況，同時，利用平臺收集的數據分析和評估課程的教學效果，發現教學過程的短板和瓶頸，為精準調整教學策略提供可靠的依據。

5.整合教材，深挖思政元素，增加思政育人目標，注重全過程育人

教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，立德樹人成效是檢驗高校一切工作的根本標準。[4]落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體，不可割裂。在本課程改革與建設實施過程中，筆者采用“三段式”教學方法將課程思政元素融入到教學實踐中。

課前，挖掘和整合本課程蘊含的思政元素，關注社會熱點和專業領域研究前沿，搜集相關的視頻或學習資料，針對每章節教學內容將其凝煉成一套完整的課程思政教學切入點。通過學習終端向學生推送調查問卷或研討話題，開拓學生視野，增強學生的愛國主義精神，弘揚新工科建設背景下的工程意識與工匠精神。

課中，在講解到相關知識點時，可以從電子信息工程專業的前沿知識和國內外研究現狀入手進行分析和引導，增強學生的民族自豪感和自信心，樹立為國效力、甘于奉獻的家國情懷。

課后，在知識點拓展和實踐環節，可通過調查問卷和研討會的形式，鼓勵學生談談專業理解和志向，在教師的引導下學習規劃自己的人生和職業發展軌跡，更加全面地提升綜合素質。

“人工智能”課程教學新體系實施成效

通過不斷梳理知識體系、改革教學方法，有效端正了學生的學習目的，提高了學生的學習主動性，使學生在多層面、多元化地掌握人工智能基本理論和方法的同時，發揮主觀能動性，嘗試自主思考與創新。同時，鼓勵學生參與各類學科競賽，真正做到學以致用。近五年來，課程組教師指導學生參加學科競賽多次獲得好成績。學科競賽的優秀成果，是激發和提升學生學習潛力和學習興趣的重要手段，學生在參賽過程中，有效培養了較為全面的工程意識和分析問題、解決問題的能力，這對學生進一步求學深造或參加工作都是寶貴的實踐經驗和積累。

結語

本文以筆者所在學?！叭斯ぶ悄堋闭n程的教學改革為例，提出了以新工科背景下學生的創新實踐能力培養為驅動的“分組+階段+特長”的精準分層教學模式，該模式依據學生的學習潛力進行導向式的教學培養，幫助學生整理分析問題、發掘問題和解決問題的思路，并借助信息技術發展的成果為教學評估提供更智能化的手段，希望這些研究成果能為其他專業課程的教學改革提供有益的借鑒。

參考文獻：

[1]王金平，薛銳，崔曉波，等.“新工科”背景下能源與動力工程專業課程體系改革探索[J].中國電力教育， 2021（07）：77-79.

[2]鄭旭淳，黎清萬.基于學科融合的人工智能品質課堂教學實踐與研究[J].中國信息技術教育，2023（04）：104-107.

[3]盧晶琦，師向群，孟慶元.新工科分層自主學習的教學設計與實踐——以《移動通信》課程為例[J].中國教育信息化，2019（01）：80-82.

[4]黃媛，劉天琪，邱曉燕，等.課程思政下《電力系統分析理論》改革探索[J].中國電力教育，2022（06）：3.

作者簡介：凌菁（1982—），女，工學博士，碩士研究生導師，副教授，研究方向為智能控制系統應用及教學方法。劉世安（1972—），男，工學碩士，講師，通信工程專業負責人，研究領域包括電子信息工程、通信工程專業教學方法研究。鐘君柳（1981—），男，工學博士，碩士生導師，副教授，研究方向為人工智能應用及教學方法。趙瑩琦（1983—），女，工學碩士，副教授，研究方向為智能信息處理。

基金項目：2023年度廣州市高等教育教學質量與教學改革工程課程思政示范課程項目（2023KCSZ039）；2022年度廣州市高等教育教學質量與教學改革工程電子技術課程教研室建設項目（2022KCJYS018）；2022年度廣州市高等教育教學質量與教學改革工程高等教育教學改革項目（2022JXGG096）。