研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革淺析

生龍+馬曉雨+郭云飛+王星亮

摘要：大數(shù)據(jù)時代的到來，人工智能不可或缺。研究生《人工智能》課程的教學(xué)方法改革更是迫在眉睫。基于問題的啟發(fā)式教學(xué)和采用實際工程項目的案例式教學(xué)可以促使學(xué)生積極、主動地思考。教師提出問題并不講解，引導(dǎo)學(xué)生去解決問題。學(xué)生通過自己的體會和理解，來真切地體驗理論與實踐的結(jié)合，促進(jìn)知識向成果的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：人工智能;啟發(fā)式教學(xué);案例式教學(xué);教學(xué)方法改革

中圖分類號：G643 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）06-0098-02

人工智能是計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一個重要研究方向，是目前科學(xué)技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域之一，其研究范圍涵蓋了所有與人類智能活動相關(guān)的范疇，是一個相當(dāng)寬泛的研究領(lǐng)域。它的出現(xiàn)及取得的成就被認(rèn)為是計算機(jī)科學(xué)發(fā)展的里程碑[1]。

作為我校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究生必修課程之一，《人工智能》的教學(xué)目的是使學(xué)生在對人工智能的發(fā)展、基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域有所認(rèn)識的基礎(chǔ)之上，能掌握人工智能的相關(guān)思維方法和技術(shù)手段，并將之應(yīng)用于自身的科研工作之中。

一、研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革的必要性

《人工智能》課程的教學(xué)內(nèi)容主要是講授關(guān)于知識的科學(xué)，涉及知識的表示、獲取及應(yīng)用，其中的每一部分均包含大量的基本概念、定理證明和公式推導(dǎo)，具有知識面廣、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、推理復(fù)雜、符號表示形式多樣等特點[2-4]。傳統(tǒng)的“灌輸”式教學(xué)方法中，學(xué)生通常是被動“聽講”，難以在有限的課堂時間中獲得預(yù)期的教學(xué)效果。如何讓學(xué)生在有限的課堂時間中深入理解人工智能的思維和方法，掌握人工智能的技術(shù)和手段，同時能將之熟練應(yīng)用到自身的研究項目當(dāng)中？如何在《人工智能》的教學(xué)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性？如何激發(fā)學(xué)生對《人工智能》的學(xué)習(xí)興趣？如何針對研究生培養(yǎng)的要求和特點開展相應(yīng)的實踐教學(xué)？這些問題是在《人工智能》課程的講授過程中必須要考慮和解決的現(xiàn)實性問題。因此，要提高《人工智能》課程的授課質(zhì)量，使學(xué)生在《人工智能》的學(xué)習(xí)過程中能真正掌握一條科研思路，學(xué)會運用一種技術(shù)手段，《人工智能》課程的教學(xué)方法改革勢在必行。

二、研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革的思路

針對研究生《人工智能》課程的內(nèi)容特點、課程目的和在教學(xué)過程中存在的實際問題，結(jié)合作者在《人工智能》課程講授過程中的切身體會，對《人工智能》的教學(xué)方法改革提出如下思路：

1.基于問題的啟發(fā)式教學(xué)。在《人工智能》教學(xué)過程中，與學(xué)生溝通后發(fā)現(xiàn)，雖然《人工智能》課程理論前沿、應(yīng)用廣泛，但采用傳統(tǒng)的“老師負(fù)責(zé)講，學(xué)生負(fù)責(zé)聽”的“灌輸式”教學(xué)方法，使學(xué)生感到內(nèi)容枯燥，知識點難以理解，相關(guān)算法用計算機(jī)實現(xiàn)困難，更不用說將其應(yīng)用于工程項目實踐中去了。因此，教學(xué)效果一般難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

為了增加學(xué)生在《人工智能》課程教學(xué)過程中的參與度，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。作者嘗試把基于問題的啟發(fā)式教學(xué)方法應(yīng)用到《人工智能》中，在一些經(jīng)典問題的授課過程中，達(dá)到了不錯的效果。例如：人工智能中的搜索問題，本文作者就依據(jù)北京市軌道交通圖里全部18條地鐵線路設(shè)計了一個北京乘坐地鐵出行的啟發(fā)式問題，具體問題如下：

隨機(jī)給出一個起始站和一個終點站，設(shè)計一個高效的智能程序，計算給出從起始站到終點站的最短（或最便宜或最少換乘）的乘車方案。

這是一個典型的尋徑問題。在該問題中，首先應(yīng)要求學(xué)生以形式化的手段給出明確的問題及解空間的描述，包括：出事狀態(tài)的描述，后繼行動的描述，目標(biāo)測試和路徑耗散函數(shù);然后要求每個學(xué)生設(shè)計出各自的搜索算法，并編程實現(xiàn);最后，度量比較各自搜索算法的性能，并分析原因。

在講授人工智能中的搜索求解策略的章節(jié)中，采用這個啟發(fā)式的問題可以激勵學(xué)生的積極性，發(fā)揮創(chuàng)造性。讓教師把問題求解的主動權(quán)交給學(xué)生，教師在適當(dāng)?shù)臅r候給出恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，讓學(xué)生成為課堂的主角。在求解的問題的過程中，學(xué)生可以通過發(fā)揮自己的創(chuàng)造性思維設(shè)計出搜索策略，并通過具體的編程實踐鍛煉學(xué)生的編程能力，還可以通過與其他同學(xué)（而不是老師和課本）的比較來發(fā)現(xiàn)自己的不足與優(yōu)勢。這樣學(xué)生可以充分發(fā)揮的自己的主觀能動性，更深刻地體會到如何將人工智能中枯燥的理論知識和抽象的算法描述轉(zhuǎn)化為工程項目實際。

在《人工智能》課程的教學(xué)過程中采用基于問題的啟發(fā)式教學(xué)，就是讓學(xué)生積極思考并主動參與教學(xué)過程。通過學(xué)生自己的體會和理解，而不是教師的講述，來真切地體驗理論與實踐的結(jié)合，知識向成果的轉(zhuǎn)化。

2.案例式教學(xué)。案例式教學(xué)由美國的哈佛商學(xué)院首創(chuàng)，目前已在經(jīng)貿(mào)、管理、法學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)應(yīng)用中取得了非常顯著的成績。然而，在案例式教學(xué)方法在工科專業(yè)的教學(xué)過程作用應(yīng)用較少，主要是難以獲得兼顧工程真實性和教學(xué)時限性要求的教學(xué)案例[5]。而計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)除了對計算機(jī)基本原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，重點是培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的知識和技術(shù)解決實際工程問題的能力。在云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，《人工智能》課程的教學(xué)目標(biāo)更要注重于“學(xué)以致用”。因此，選擇難度適中、工程實踐性強(qiáng)的案例用于《人工智能》課程的教學(xué)尤其重要。

游戲產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為計算機(jī)領(lǐng)域的一個支柱性產(chǎn)業(yè)。許多知名的大型IT企業(yè)都投資開發(fā)了自己的游戲產(chǎn)業(yè)，如微軟、松下、騰訊、阿里巴巴、百度等等。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展更是為計算機(jī)游戲產(chǎn)業(yè)提供了新的機(jī)遇，目前掌握人工智能技術(shù)已成為優(yōu)秀計算機(jī)游戲開發(fā)設(shè)計人員必不可少的選擇。在我校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)的《人工智能》研究生課中，為了增強(qiáng)課程的工程實踐環(huán)節(jié)，我們選擇了一個被稱為“惡魔洞穴”的人工智能游戲作為引入案例式教學(xué)模式的一種嘗試。游戲內(nèi)容具體描述如下：

“惡魔洞穴”的世界是一個由眾多房間組成，房間之間用通道連接起來的洞穴。在洞穴的某個房間中隱藏著一只惡魔，它會吃掉進(jìn)入它所在房間的任何移動目標(biāo)。由洞穴探索者設(shè)計的智能體可以射殺惡魔，但智能體只能攜帶一發(fā)子彈用來射殺惡魔。并且，洞穴的某些房間內(nèi)有陷阱，任何智能體移動到這些房間，將會被陷阱摧毀。然而，據(jù)說洞穴中的某個房間中存在著價值連城的寶物，吸引這洞穴探索者進(jìn)行一次次的嘗試。

在該案例的實踐過程中，教師首先會引導(dǎo)學(xué)生一起給出任務(wù)環(huán)境的精確定義，如智能體的性能度量、洞穴的環(huán)境描述、執(zhí)行器的描述和傳感器的描述;之后，由學(xué)生自己依據(jù)任務(wù)定義編程實現(xiàn)各自的“惡魔洞穴”;然后，在教師的指導(dǎo)下設(shè)計知識庫和推理機(jī);最后，學(xué)生依據(jù)所學(xué)的智能搜索算法設(shè)計出一個智能體程序?qū)Α皭耗Ф囱ā边M(jìn)行探索。

以現(xiàn)在計算機(jī)游戲的發(fā)展程度來衡量，“惡魔洞穴”游戲相當(dāng)乏味，然而它的難易度卻正好能為《人工智能》課程實踐提供一個優(yōu)秀的試驗平臺環(huán)境，成為《人工智能》案例式教學(xué)的一個合適案例。

三、研究生《人工智能》課程教學(xué)方法改革的探討與分析

人工智能是二戰(zhàn)以后興起的一門新的學(xué)科，在20世紀(jì)90年代之前，國內(nèi)外均未見有相關(guān)教學(xué)大綱和教材等教學(xué)資料，此時《人工智能》作為一門課程，只給出了課程的初步框架。隨著人工智能研究的深入和發(fā)展，到20世紀(jì)90年代中期，人工智能的研究已經(jīng)從符號（邏輯）主義一枝獨秀發(fā)展到符號主義、連接主義和行為主義多家爭鳴的新局面。同時，模糊邏輯、計算機(jī)神經(jīng)科學(xué)、支持向量機(jī)和遺傳算法等機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和模式識別的內(nèi)容也被列入到《人工智能》的課程體系當(dāng)中，極大地充實了《人工智能》課程的教學(xué)內(nèi)容。進(jìn)入21世紀(jì)以來，人工智能學(xué)科的研究領(lǐng)域又有了新的發(fā)展，智能化智能體、多智能體技術(shù)以及人工智能的道德倫理研究都被納入到了《人工智能》的教學(xué)內(nèi)容之中，《人工智能》課程的教學(xué)內(nèi)容得到了進(jìn)一步的豐富。近年來，隨著工業(yè)4.0、《中國制造2025》和“互聯(lián)網(wǎng)+”等政策和號召的出臺，人工智能已從實驗室逐步深入到了社會發(fā)展的方方面面，其正從書本上的理論概念落地成為切實的社會生產(chǎn)力。人工智能的發(fā)展速度之快和研究領(lǐng)域之廣令人咋舌。《人工智能》課程教學(xué)方法的改革已經(jīng)勢在必行，傳統(tǒng)的理論教學(xué)必須與工程實踐相結(jié)合，尤其是作為一門計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的研究生必修課。

參考文獻(xiàn)：

[1]斯圖爾特·羅素，彼得·諾維格.人工智能——一種現(xiàn)代的方法[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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[5]宋金玉，郝文寧，陳剛，廖湘琳.案例教學(xué)方法在課程內(nèi)容建設(shè)方面的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36（z2）.