林業院校人工智能課程教學的思考

陳愛斌　蔡自興　李建軍

摘要：近年來隨著“互聯網+”的快速普及，我國傳統林業開始向智慧林業邁進，人工智能課程教學在林業院校越來越受到師生的歡迎。文章總結并分析目前林業院校人工智能課程的教學現狀以及存在的主要問題，結合作者十多年的教學經驗和林業院校專業特色，在教學形式變化、教學內容設置、教學方法改革等方面對林業院校人工智能課程教學提出一些建議。

關鍵詞：林業院校；人工智能；課程教學

1背景

近年來，隨著“互聯網+”的快速普及，互聯網跨界融合創新模式進入林業領域，利用移動互聯網、物聯網、大數據、云計算等技術推動信息化與林業深度融合，開啟了智慧林業的大門。我國林業信息化、智能化建設逐步走上了有序、快步發展的軌道，取得了重要的進展。

2011—2013年，國家林業局先后開展了中國林業信息化體制機制研究和中國智慧林業發展規劃研究，在此基礎上出臺了《國家林業局關于進一步加快林業信息化發展的指導意見》和《中國智慧林業發展指導意見》。2012—2013年，在深入研究的基礎上，林業局編制了《中國林業物聯網發展框架設計》，2016年3月正式發布了《“互聯網+”林業行動計劃》。

國家林業局制定的《中國智慧林業發展指導意見》指出，信息化、智能化在林業中的應用已經從零散的點的應用發展到融合的、全面的創新應用。隨著現代信息技術的逐步應用，能實現林業資源的實時、動態監測和管理，更透徹地感知生態環境狀況、遏制生態危機，更深入地監測預警事件、支撐生態行動、預防生態災害。

人工智能是計算機科學中涉及研究、設計和應用智能機器的一個重要分支。國際上，人工智能的研究已取得長足的進展；在國內，也呈現出極好的發展勢頭，人工智能已得到迅速的傳播與發展，并促進了其他學科的發展。我國已有數以萬計的科技人員和大學師生從事不同層次的人工智能的研究與學習，人工智能已成為一個受到廣泛重視并有著廣闊應用潛能的龐大的、交叉的前沿學科。特別是經過近幾十年的發展，智能技術及其應用已經成為各行業創新的重要生長點，其廣泛的應用前景日趨明顯，如智能機器人、智能化機器、智能化電器、智能化樓宇、智能化社區、智能化物流等，對人類生活的方方面面產生了重要的影響。

近年來，人工智能已經在智慧林業相關領域中得到了廣泛應用，例如，在智能機器人的應用方面，已經有大量的嫁接機器人、水果采摘機器人、農藥噴灑機器人、果實分檢機器人等投入使用；在專家系統的應用方面，森林病蟲害診斷專家系統、病蟲預測預報專家系統、林產品生產管理專家系統、專家咨詢和人員培訓專家系統等也得到了廣泛應用。

隨著人工智能在智慧林業中的廣泛應用，涉林企業和事業單位對智能型林業高技術人才的需求也在不斷加大。為了適應市場對智能型人才的需求，自2003年起，國內諸多林業高等院校在計算機科學與技術專業本科階段、林業相關專業的研究生階段陸續開設人工智能課程，同時不斷加大人工智能課程的比重，因此，人工智能課程教學對于林業院校顯得越來越重要。

2林業院校人工智能課程教學現狀

林業院校開設人工智能課程的專業不多，但有不斷增加的趨勢。以中南林業科技大學為例，該校計算機科學與技術本科專業自2003年起就開設了人工智能課程，所用教材一直是蔡自興教授主編的《人工智能及其應用》；另外，面向部分專業的碩士和博士研究生開設了人工智能相關課程，如農業碩士的農業信息化領域研究生開設了人工智能技術，森林經理和森林培育兩個專業的博士研究生開設了人工智能與專家系統。

針對計算機科學與技術本科專業，人工智能課程主要使用蔡自興教授主編的《人工智能及其應用》教材施教，但由于課時數僅有32學時，關于人工智能的一些高級應用，如神經網絡、專家系統、機器學習等，采用專題的形式組織教學。該專業沒有設置實驗學時，僅在理論課堂上演示了一些仿真軟件，如BP神經網絡仿真環境。

針對農業碩士的農業信息化領域研究生和森林經理及森林培育兩個專業的博士研究生，教學計劃安排的學時數為40學時，沒有指定教材，僅給學生列了蔡自興教授的《人工智能及其應用——研究生用書》等幾本參考教材。課堂主要以專題的形式組織教學，每一講除了相關的理論以外，還介紹一些工程實踐應用的例子，讓研究生能夠了解這些人工智能算法如何在實際中得到具體應用。

3林業院校人工智能課程教學存在的問題

全國各高等院校的人工智能課程教學都或多或少地存在一些問題，林業院校更有區別于其他類型院校的顯著特征，而且林業院校開設該課程教學相對較晚，因此林業院校的人工智能課程教學存在更多的問題。

（1）師資短缺。在林業院校，林學相關專業開設該課程往往由林學相關專業的教師主講。這些非計算機相關專業的教師雖然曾從事過人工智能個別算法或領域研究，但不具備全面的人工智能相關專業知識，在講授不熟悉的人工智能知識點時顯得力不從心。

（2）教學內容專業性不強。人工智能是計算機科學的一個分支學科，一般的人工智能教材都比較適合計算機相關專業的學生使用，但是農業信息化、森林經理、森林培育等專業的學生不管是專業基礎還是行業應用背景均與計算機類專業學生不同，如果我們仍然按普通的教材施教，教學內容就缺乏林科特色，顯得專業性不強，無法吸引學生的聽課興趣。

（3）教學難度過大。林業院校涉林專業的學生一般只有計算機文化基礎、C語言等簡單的計算機課程基礎，缺乏算法思想。而人工智能課程涉及很多高級、復雜的算法，不論從算法思想，還是從算法實現和算法應用，對非計算機類專業學生來說難度過大。因此，在教學內容和教學要求上要做一些取舍。

除此之外，還存在諸如缺少實驗環節、教學手段單一、教學案例缺乏等其他普遍性問題。

4林業院校人工智能課程教學改革建議

通過分析林業院校人工智能課程教學存在的問題，結合自己近十余年來從事人工智能教學的經驗，我們提出了一些改革建議。

（1）推行專題式教學，解決師資缺乏的問題。在師資缺乏的情況下，由一名教師完成整個人工智能課程教學比較困難，同時，可能有多名教師分別在人工智能的不同方面進行過深入研究。因此，可以將該課程按章節分成各個不同的模塊，每一個模塊設一個專題，如神經網絡專題、專家系統專題、機器學習專題等，再由多名教師分別承擔自己熟悉的專題進行講授。這樣既可以解決一位教師的知識不足，又可以讓各位教師結合自己的科研將每一個熟悉的專題講授得更加詳細、更加有趣。

（2）教學內容與涉林專業緊密結合，解決專業性不強的問題。事實上，人工智能的各領域應用在林業行業都能找到對應的應用實例。例如，林果采摘機器人就是機器人在林業中的應用；林火識別和林木病蟲害監測就是模式識別在林業中的應用；林火蔓延預測可以用到隱馬爾科夫模型；PAID50專家系統平臺就是專家系統在農林業中的應用典范等。因此，在教學過程中，我們可以考慮將人工智能知識與林業應用結合進行講解，這樣學生更容易接受也更樂意接受。更進一步，如果能夠結合這些林業應用編寫一本《人工智能及其林業應用》教材，將會更加適合涉林專業的學生學習這門課程。

（3）應用計算機仿真軟件解決教學內容難度大的問題。非計算機類專業的學生計算機基礎較差，編程能力不強，算法訓練不足，對各種人工智能高級算法難以理解，更難以編程實現。針對這個實際問題，我們可以主動提供一些相關算法的計算機仿真軟件，在課堂上通過演示這些仿真軟件，讓學生直觀地理解算法，甚至能夠通過仿真軟件應用這些算法解決本專業相關的問題。例如可以開發如圖1和圖2所示的BP神經網絡算法仿真軟件，通過該仿真可以把神經網絡的結構、訓練時的權值偏差變化、訓練過程中總誤差的變化等信息完全呈現在學生面前，學生通過這個仿真過程就不難理解BP神經網絡算法，甚至可以使用這個仿真軟件來解決本專業相關的一些問題。

5結語

隨著“互聯網+林業”、智能制造、智慧林業等的不斷發展和不斷普及，林業智能化和其他行業智能化一樣迫切，培養更多的智能型高技術林業人才是社會賦予林業院校的歷史使命，林業院校將會有越來越多的涉林專業開設人工智能相關課程。我們通過總結林業院校人工智能教學過程中存在的諸多問題，提出了一些教學改革思路和建議。如果我們在以后的教學過程中能夠結合自己的教學經驗不斷發現問題、及時改革教學方法，林業院校的人工智能教學必將走上一個新的臺階，對其他院校的人工智能教學改革的參考意義也將是深遠的。

（編輯：孫怡銘）