李圣君 尚軍亮 雷玉霞 孫燕 王斯鋒(曲阜師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 日照 276826)
人工智能實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)模式探索*
李圣君尚軍亮雷玉霞孫燕王斯鋒
(曲阜師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東日照276826)
摘要:針對(duì)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,積極探索研究性教學(xué)模式,以加強(qiáng)人工智能課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在教學(xué)實(shí)踐中,將興趣教學(xué)、分組教學(xué)、分層次教學(xué)與教研相長(zhǎng)相結(jié)合,形成“多層次循序漸進(jìn)式研究性教學(xué)模式”和“多元化發(fā)展式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系”,激發(fā)了學(xué)生興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,從而起到良好的教學(xué)效果,對(duì)其他課程的研究性教學(xué)實(shí)踐也有很好的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞:人工智能;實(shí)驗(yàn)教學(xué);研究性教學(xué);分層次教學(xué);分組教學(xué);教研相長(zhǎng)
尚軍亮,男,講師,研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼⒋髷?shù)據(jù)挖掘和生物信息學(xué)。
雷玉霞,男,副教授,研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼⒋髷?shù)據(jù)挖掘和概念格的應(yīng)用。
Abstract:In terms of the current situation and defects of Artificial Intelligence experiment teaching, we explore the research-based teaching mode to reform it. We combine the interest-oriented teaching, group teaching, stratified teaching and teaching along with scientific research, and construct "multilevel and progressive research-based teaching mode" and "diversified development learning evaluation system", so as to improve learning interest and innovation a-bility of students, and provide reference for the research-based teaching of other courses.
Keywords:artificial intelligence; experiment teaching; research-based teaching; stratified teaching; group teaching; teaching along with scientific research
人工智能課程是信息與計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程之一,也是自動(dòng)化、信息處理及相關(guān)專業(yè)的重要課程。該課程是一門前沿和交叉學(xué)科,內(nèi)容廣泛,應(yīng)用性和創(chuàng)新性較強(qiáng)。而人工智能課程實(shí)驗(yàn),可以幫助學(xué)生探討人工智能算法和系統(tǒng)的運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)過(guò)程,從而更好地掌握知識(shí),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力很有必要。
目前高校在人工智能的教學(xué)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)所占的學(xué)時(shí)比較少,也有的并沒(méi)有安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。大部分實(shí)驗(yàn)的開展都是相同的題目和進(jìn)度,“一刀切”的教學(xué)方式?jīng)]有考慮學(xué)生的個(gè)性化差異,很容易出現(xiàn)學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣,自主分析問(wèn)題,解決問(wèn)題能力差,創(chuàng)新精神不強(qiáng),教學(xué)質(zhì)量難以發(fā)生根本性變化的問(wèn)題。因此改革教師的教學(xué)方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式很有必要,而研究性教學(xué)就是一種很好的改革方式。即教師從傳統(tǒng)的單純講授式向探究式研究性教學(xué)轉(zhuǎn)變,學(xué)生從傳統(tǒng)的被動(dòng)接受向主動(dòng)探究、研究性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。這樣,學(xué)生真正參與到整個(gè)教學(xué)過(guò)程,主動(dòng)思考,從而提高學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。
研究性教學(xué)是教師以培養(yǎng)學(xué)生的研究意識(shí)、研究能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo),從學(xué)科領(lǐng)域、課程內(nèi)容或現(xiàn)實(shí)生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究,通過(guò)教學(xué)過(guò)程的研究性(教學(xué)與研究的有機(jī)結(jié)合)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)(學(xué)習(xí)與研究的有機(jī)結(jié)合)的教學(xué)[1]。
國(guó)內(nèi)外很多高校紛紛倡導(dǎo)研究性教學(xué)。通過(guò)提供更多的科研和實(shí)踐機(jī)會(huì)、增設(shè)討論課、開設(shè)跨學(xué)科課程、提倡基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)法、實(shí)施大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃等方式,實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的融合。這些都是我們實(shí)施研究性教學(xué)可以借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。研究性教學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大量信息的搜集、分析、判斷、反思和應(yīng)用能力,強(qiáng)調(diào)合作學(xué)習(xí)等方式,鼓勵(lì)學(xué)生開拓思維,重視團(tuán)隊(duì)合作。
人工智能是一門前沿課程,內(nèi)容繁多、理論性強(qiáng)、難度較大。為了讓學(xué)生更好地理解抽象的概念和算法,重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)是個(gè)很好的捷徑。而研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)通過(guò)問(wèn)題來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí),強(qiáng)調(diào)親自實(shí)踐、親自體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)科學(xué)真理的認(rèn)識(shí)過(guò)程。因此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入研究性教學(xué),無(wú)疑會(huì)大大提升教學(xué)質(zhì)量。
在人工智能實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)探索中,我們將興趣教學(xué)、分組教學(xué)、分層次教學(xué)與教研相長(zhǎng)相結(jié)合,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,從而起到良好的教學(xué)效果。
1.興趣教學(xué)法:教師自己或者直接讓學(xué)生查閱資料,查閱人工智能實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)的演示動(dòng)畫和實(shí)驗(yàn),鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)使用這些資源,主動(dòng)進(jìn)行人工智能程序設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出更好的作品,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
2.分組教學(xué)法:各個(gè)小組可以根據(jù)自己的興趣選擇實(shí)驗(yàn)題目,小組成員在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)合作完成實(shí)驗(yàn)題目,鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。分組教學(xué)法是研究性教學(xué)在現(xiàn)有教學(xué)條件下比較理想的教學(xué)形式,后面將重點(diǎn)闡述。
3.分層次教學(xué)法:在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)具備研究性和綜合性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目目標(biāo)明確,要求學(xué)生帶著問(wèn)題和任務(wù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但實(shí)驗(yàn)過(guò)程又要有一定的靈活性和開放性,學(xué)生可以根據(jù)自己的認(rèn)知和思考進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。教師對(duì)一些實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行分層設(shè)計(jì),有區(qū)別地設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié),遵循因材施教原則,有針對(duì)性地實(shí)施對(duì)不同類別學(xué)生的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。分層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的較高層次可以參考教師的研究課題設(shè)計(jì)。
4.教研相長(zhǎng):對(duì)于學(xué)有專長(zhǎng)或者有興趣參與研究工作的學(xué)生,可以鼓勵(lì)他們完成分層教學(xué)中較高層次的任務(wù),適當(dāng)布置一些研究性的課題,讓學(xué)生參與到老師的實(shí)際科研工作中來(lái)。學(xué)生不但可以深入理解人工智能的基本理論及其實(shí)現(xiàn),而且可以學(xué)習(xí)科研方法,為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和研究生期間的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而教師也可以在指導(dǎo)學(xué)生的過(guò)程中拓寬教學(xué)和科研的視野。
基于以上分析,我們?cè)谌斯ぶ悄軐?shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中,融合興趣教學(xué)、分組教學(xué)、分層次教學(xué)與教研相長(zhǎng)等,形成“多層次循序漸進(jìn)式研究性教學(xué)模式”和“多元化發(fā)展式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系”,從而充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性,提高了教學(xué)質(zhì)量。
(一)興趣教學(xué)法
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師應(yīng)該在人工智能的課堂上提前講授實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容,以讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求,并能夠調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣[2]。在課堂上,教師應(yīng)該將人工智能的趣味性、前沿性和理論性結(jié)合起來(lái),通過(guò)多種教學(xué)手段的不斷融合,從多方位、多角度調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,加深課堂教學(xué)的感染性,使學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)換到主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考、主動(dòng)探索中來(lái)。
人工智能是一門前沿交叉學(xué)科,教師應(yīng)該及時(shí)跟蹤人工智能發(fā)展,關(guān)注人工智能領(lǐng)域的最新案例,特別是有趣的實(shí)例。比如,播放Kinect應(yīng)用實(shí)例,比如虛擬試衣在衣服銷售中的應(yīng)用,讓學(xué)生領(lǐng)略虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的魅力,激發(fā)學(xué)生探索背后原理的興趣。淘寶的“掃臉”支付,涉及到人臉識(shí)別等多方面技術(shù),引起了學(xué)生的熱烈討論,從而引出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)方法。機(jī)器人是人工智能的重要領(lǐng)域之一。有關(guān)機(jī)器人的視頻也有很多,適當(dāng)選擇,及時(shí)更新,從精彩的機(jī)器人足球賽到栩栩如生的美女機(jī)器人,從“手機(jī)機(jī)器人”到南京市瑯琊路小學(xué)的“機(jī)器人大廚”,讓學(xué)生欣賞技術(shù)發(fā)展的同時(shí),適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注機(jī)器人背后的原理。并穿插介紹機(jī)器人世界杯(FIRA)、飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽等,鼓勵(lì)學(xué)生參加。
在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生可以根據(jù)自己的思考和興趣對(duì)實(shí)驗(yàn)課題和任務(wù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,靈活的選題方式可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的研究興趣,達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。
(二)分層次教學(xué)
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,考慮到學(xué)生的個(gè)體差異,教師制訂統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)大綱,但是設(shè)定具有很大發(fā)揮空間的實(shí)驗(yàn)題目,對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)題目都進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶哟卧O(shè)計(jì),這樣學(xué)生就可以在動(dòng)手實(shí)踐中不斷探索并不斷提高自己的目標(biāo)。這種模式有利于教師統(tǒng)一管理,以便不同層次的學(xué)生都有熱情參與,最后根據(jù)學(xué)生的最終結(jié)果進(jìn)行考評(píng)。分層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的較高層次可以參考教師的研究課題。參考各類實(shí)際項(xiàng)目中的子課題、各類競(jìng)賽中的課題也是個(gè)不錯(cuò)的選擇[3]。
比如,針對(duì)人工智能課程中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),我們?cè)O(shè)計(jì)了如下六個(gè)層次的實(shí)驗(yàn):
由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用很廣,而且一直在發(fā)展中。我們希望學(xué)生在理解基本原理的基礎(chǔ)上,可以在某一項(xiàng)具體應(yīng)用上應(yīng)用算法,學(xué)有余力的同學(xué)可以對(duì)基本的BP算法進(jìn)行改進(jìn)。鑒于此,項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)層次如下:
(1)理解基本的BP算法。(2)實(shí)現(xiàn)基本的BP算法,建議使用Matlab語(yǔ)言。(3)對(duì)BP算法中的參數(shù)討論分析。(4)將BP算法應(yīng)用到具體的問(wèn)題上,比如用于圖像壓縮、分類等。(5)嘗試改進(jìn)基本的BP算法。(6)在理解BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用的基礎(chǔ)上,拓展學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)等新的研究熱點(diǎn)方法。
以上六個(gè)層次中,前四項(xiàng)是必做,最后兩項(xiàng)可以供有興趣的同學(xué)在教師的指導(dǎo)下利用課余時(shí)間開展研究,或者在后續(xù)的畢業(yè)論文中選題完成。
(三)分組教學(xué)法
分組教學(xué)法是我們?nèi)斯ぶ悄軐?shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的主要模式[4]。
分組教學(xué)即小組合作學(xué)習(xí)。小組合作可以培養(yǎng)學(xué)生收集和利用信息的能力,通過(guò)探索性、研究性的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。
首先對(duì)在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,分組教學(xué)法的各個(gè)要素及其關(guān)系進(jìn)行描述分析。
1.分組教學(xué)法基本要素
研究性教學(xué)的分組教學(xué)法的最基本要素包括:小組、課題、量規(guī)。
(1)小組
在分組教學(xué)法中,分組基本是學(xué)生自愿自由組合,但是要有明確的分工。因?yàn)樵诟鷮W(xué)生的交流中發(fā)現(xiàn),在一些比賽的分組中,有學(xué)生“掛名”,工作量很少但是可以坐享成果的情況也是存在的。組長(zhǎng)可以推選產(chǎn)生,也可以毛遂自薦。組長(zhǎng)應(yīng)能夠營(yíng)造輕松快樂(lè)的學(xué)習(xí)氛圍,提高組員的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。在開展課題研究過(guò)程中,課題研究小組成員既有分工,也有合作;各展所長(zhǎng),協(xié)作互補(bǔ)。
(2)課題
教師在人工智能基本理論的教學(xué)中,可以把課程實(shí)施研究性教學(xué)的內(nèi)容以問(wèn)題的形式呈現(xiàn),提出與課程內(nèi)容直接相關(guān)的研究問(wèn)題指引,以激發(fā)學(xué)生的探究欲望和引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的研究課題。也可以在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題,進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生去解決問(wèn)題。接著,師生一起共同討論并確定研究課題。這種選題方式能夠促使教師努力做好學(xué)生選擇研究課題的指導(dǎo)工作,還能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造想象,使學(xué)生真實(shí)掌握教師所傳授的選題知識(shí)和選擇合適的實(shí)驗(yàn)課題。課題的選擇鼓勵(lì)進(jìn)行開放式選題。在討論中,教師也可以集思廣益,在預(yù)先設(shè)定的大框架下,對(duì)實(shí)驗(yàn)課題進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以便于更好的因材施教。
(3)量規(guī)
為了評(píng)價(jià)和督促學(xué)生順利開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng),需要制定相應(yīng)的量規(guī),也就是研究性學(xué)習(xí)的規(guī)則。一般以表格的形式呈現(xiàn)。比如小組活動(dòng)記錄表、課題研究方案、互評(píng)表等是最基本的量規(guī)。
三個(gè)基本要素中,課題是核心,小組是主體,量規(guī)是保證。在三要素共同作用下,研究性學(xué)習(xí)才能最終完成。
2.分組教學(xué)法開展模式
小組合作的具體模式可以靈活多樣,比如小組可以通過(guò)組建群來(lái)進(jìn)行網(wǎng)上的討論和交流,也可以利用實(shí)驗(yàn)課或者其他時(shí)間進(jìn)行集中討論。在制定小組的課題研究方案的基礎(chǔ)上,查找文獻(xiàn)、確定方案、編程實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、研究總結(jié),由學(xué)生協(xié)作完成。組長(zhǎng)應(yīng)該根據(jù)組員特點(diǎn),進(jìn)行合理分工,組員集中完成自己的任務(wù),并且與其他成員及時(shí)溝通討論。
小組課題完成后,可以進(jìn)行課堂的展示評(píng)價(jià),即以小組為單位展示課題的研究方法、主要技術(shù)及成果、特色,并且客觀評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題和收獲;也可以將研究成果上傳到網(wǎng)上,小組之間進(jìn)行互評(píng)。互評(píng)表可以從課題基本完成情況、創(chuàng)新點(diǎn)、成果展示評(píng)價(jià)等多方面構(gòu)建。學(xué)生通過(guò)研究成果的展示,能夠分享研究成果,可以學(xué)會(huì)客觀地分析和辯證地思考,并且可以在同學(xué)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善成果。
3.多元化發(fā)展式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系
在研究性教學(xué)中,學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)要重視形成性評(píng)價(jià),學(xué)生如何進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)要比評(píng)價(jià)單純的研究結(jié)果更為重要。因此,必須把評(píng)價(jià)與研究性學(xué)習(xí)過(guò)程整合在一起,注重過(guò)程的評(píng)價(jià),對(duì)研究過(guò)程的客觀評(píng)價(jià)會(huì)激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的熱情。
因此,評(píng)價(jià)規(guī)范應(yīng)該能夠正確評(píng)價(jià)小組成員個(gè)人的貢獻(xiàn),注重階段性評(píng)價(jià)、多次評(píng)價(jià),也要正確對(duì)待非預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果,形成“多元化發(fā)展式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系”。在該體系下,小組自我評(píng)價(jià)、組組互評(píng)以及教師評(píng)價(jià)相融合,全方位多角度的對(duì)小組成員及其作品進(jìn)行綜合評(píng)分。教師要對(duì)非預(yù)期的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行及時(shí)評(píng)價(jià),對(duì)整個(gè)班級(jí)的研究性活動(dòng)進(jìn)行總結(jié),鼓勵(lì)學(xué)生開展下一步的工作,并對(duì)研究性教學(xué)模式進(jìn)行及時(shí)的反思調(diào)整,做好記錄。
(四)教研相長(zhǎng)
在高校中,科研是為教學(xué)服務(wù)的。研究性教學(xué)要求教師有較好的科研基礎(chǔ),教師把握學(xué)科前沿動(dòng)態(tài),從而及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容,也能在潛移默化中向?qū)W生傳授科學(xué)研究的基本方法,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的研究興趣,訓(xùn)練學(xué)生的研究能力。
此外,研究性教學(xué)要求教師經(jīng)常反思教學(xué)中存在的問(wèn)題,從潛力無(wú)限的學(xué)生身上集思廣益,獲取靈感,從而進(jìn)一步提升自身的科研能力及綜合素質(zhì)。
近幾年陸續(xù)有學(xué)有所長(zhǎng)的學(xué)生加入我們的科研團(tuán)隊(duì),幫助課題組做了不少工作,而學(xué)生自己也得到了基本的科研訓(xùn)練,在如何查找、閱讀文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,熟悉論文的寫作,提高表達(dá)能力等方面都得到了提高。有同學(xué)在本科階段就發(fā)表了較高水平的學(xué)術(shù)論文,有多個(gè)同學(xué)在已開展研究工作的基礎(chǔ)上獲得大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目等各種立項(xiàng)。這些同學(xué)利用與老師共同科研的機(jī)會(huì),獨(dú)立的主動(dòng)的進(jìn)行思考和研究,培養(yǎng)了科學(xué)素養(yǎng),提高了創(chuàng)新能力。
在研究性教學(xué)中,我們鼓勵(lì)學(xué)生參與各種比賽或者項(xiàng)目開發(fā);對(duì)參加比賽的同學(xué)進(jìn)行各種實(shí)戰(zhàn)培訓(xùn),培養(yǎng)學(xué)生的自主思考和自主創(chuàng)新的能力,從而提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。
在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入研究性教學(xué)模式,可以使學(xué)生以課題為中心,深入探索,更能培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新能力。在研究性教學(xué)營(yíng)造的動(dòng)態(tài)、開放、多元的教學(xué)環(huán)境下,人工智能實(shí)驗(yàn)得到了順利的開展,教學(xué)質(zhì)量得到提高的同時(shí),也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。
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中圖分類號(hào):G642
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):2096-000X(2016)03-0236-03
*基金項(xiàng)目:曲阜師范大學(xué)校級(jí)精品實(shí)驗(yàn)(實(shí)訓(xùn))項(xiàng)目(jp2015005),曲阜師范大學(xué)科技計(jì)劃項(xiàng)目(xkj201524).
作者簡(jiǎn)介:李圣君,女,講師,研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼⒛J阶R(shí)別等。