人工智能的國際化—多元化創(chuàng)新教學(xué)模式

摘 要：通過文獻(xiàn)研究方法分析美國一流大學(xué)人工智能課程的開設(shè)情況以及國外經(jīng)典人工智能教材的主要內(nèi)容，提出人工智能國際化—多元化創(chuàng)新教學(xué)模式，包括教學(xué)體系框架、教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新、案例教學(xué)法、全英文授課方式、創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐等方面，闡述國內(nèi)人工智能課程教學(xué)在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的具體改革措施。

關(guān)鍵詞：人工智能；國際化教學(xué)；多元化教學(xué)；創(chuàng)新教學(xué)模式

1 背 景

人工智能是研究智能信息處理和開發(fā)具有智能特性的各類應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)，現(xiàn)已成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿學(xué)科，扮演著越來越重要的角色。世界各國都十分重視人工智能前沿研究、技術(shù)發(fā)展與教育培養(yǎng)。例如，2016年美國白宮科技政策辦公室（OSTP）下屬國家科學(xué)技術(shù)委員會（NSTC）發(fā)布了《為未來人工智能做好準(zhǔn)備》[1]以及《國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》[2]兩份重要報告，明確制定美國人工智能的發(fā)展路線以及行動建議，同時也提出促使人工智能教育成為“全民計(jì)算機(jī)科學(xué)教育”項(xiàng)目的組成部分。國外許多重點(diǎn)大學(xué)都成立了自己獨(dú)立的人工智能研究所，如麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和智能機(jī)器實(shí)驗(yàn)室等，對人工智能的研究涉及現(xiàn)代高新技術(shù)以及邊緣學(xué)科新理論與新技術(shù)。

我國先后有幾十所高等院校專門開設(shè)了智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)。作為該專業(yè)課程體系中的核心課程之一，人工智能課程的地位正隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用得到迅速提升。然而，在培養(yǎng)人工智能創(chuàng)新型人才方面，國內(nèi)的該課程教學(xué)尚存在一些亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）課程體系和教學(xué)內(nèi)容。人工智能課程是一門順應(yīng)時代發(fā)展、知識更新飛快的前沿課程，而當(dāng)前國內(nèi)該課程的知識體系不盡完善，教學(xué)內(nèi)容陳舊，跟不上國際該領(lǐng)域最新動態(tài)發(fā)展的步伐。

（2）教學(xué)方法與教學(xué)手段。人工智能課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容多、難度大，國內(nèi)人工智能教學(xué)往往注重知識要點(diǎn)學(xué)習(xí)，而輕視實(shí)踐應(yīng)用；注重專業(yè)知識傳授，而輕視綜合素質(zhì)與能力培養(yǎng)，理論與實(shí)際相互脫離使得學(xué)生創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足。

（3）國際化創(chuàng)新人才培養(yǎng)。目前，我們雖然有一個很完整、較系統(tǒng)、高起點(diǎn)的人工智能課程基礎(chǔ)教育方案，但是在人工智能國際聯(lián)合大會（IJCAI）等國際頂尖會議以及《人工智能》（Artificial Intelligence）等國際頂尖刊物上，國內(nèi)研究學(xué)者發(fā)表人工智能研究論文為數(shù)不多，具有國際影響力的人工智能領(lǐng)域人才仍較匱乏。

從人工智能學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)和當(dāng)前國內(nèi)課程教學(xué)效果來看，亟須引入新型創(chuàng)新教學(xué)模式。由于人工智能學(xué)科本身的前沿性，追蹤國際動態(tài)是一個必然選擇，我們對國外人工智能教學(xué)體系進(jìn)行深入剖析，充分借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出更新和優(yōu)化我國課程教學(xué)模式的新思路。

2 國外人工智能教學(xué)體系分析

2.1 美國人工智能課程設(shè)置

斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)人工智能課程及其相關(guān)課程設(shè)置情況[3-6]見表1和表2。

可以看出：①美國重點(diǎn)大學(xué)都非常重視人工智能課程教學(xué)，有的還開設(shè)了多門人工智能課程，如斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的“人工智能的社會、經(jīng)濟(jì)影響”和“人工智能：原理與技術(shù)”，教學(xué)內(nèi)容上涵蓋智能自動化經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)算倫理和軍事應(yīng)用以及問題求解、知識表達(dá)、推理、規(guī)劃、不確定知識與推理、學(xué)習(xí)、Agent、感知與行動性等主要內(nèi)容；②大部分大學(xué)選用Russell and Norvig編著的《人工智能：一種現(xiàn)代方法》[7]作為人工智能課程教材；③從人工智能細(xì)分領(lǐng)域來看，其分支包括機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器人[8]，這些領(lǐng)域的研究有著顯著的增多趨勢，因此，除了人工智能課程外，美國大學(xué)還從人工智能研究與應(yīng)用領(lǐng)域中細(xì)分出其他人工智能相關(guān)課程，如卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)不僅開設(shè)了“人工智能：表達(dá)和問題求解”，還增設(shè)了“自然語言處理”以及“機(jī)器學(xué)習(xí)導(dǎo)論”，且課時數(shù)均較長，達(dá)到12周；④近幾年來，人工智能細(xì)分領(lǐng)域中以機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)展最為迅速，美國重點(diǎn)大學(xué)都非常重視機(jī)器學(xué)習(xí)的教學(xué)與研究，有自己完善的人工智能教學(xué)體系和獨(dú)立的機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)計(jì)劃，如麻省理工學(xué)院在人工智能課程中分4次講授機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容，加州大學(xué)伯克利分校、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)都專門開設(shè)了“機(jī)器學(xué)習(xí)導(dǎo)論”課程，內(nèi)容涵蓋分類問題、回歸問題的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法、無監(jiān)督學(xué)習(xí)問題、概率模型等主要內(nèi)容；⑤美國大學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)都十分注重項(xiàng)目訓(xùn)練，以斯坦福大學(xué)“人工智能：原理與技術(shù)”課程為例，項(xiàng)目訓(xùn)練內(nèi)容包括任務(wù)定義、基礎(chǔ)設(shè)施、研究方法、文獻(xiàn)綜述以及錯誤分析，要求學(xué)生提交項(xiàng)目提案、進(jìn)度報告、海報、同行評議和最終報告，并根據(jù)報告質(zhì)量給出成績。

2.2 人工智能課程知識體系與教學(xué)內(nèi)容分析

國外經(jīng)典人工智能教材[7，9-14]及主要內(nèi)容見表3。文獻(xiàn)[7]以智能化智能體思想為核心，將人工智能定義為從環(huán)境中接收感知信息并執(zhí)行行動智能體的研究；文獻(xiàn)[9]通過人工智能系統(tǒng)和Agent展開人工智能內(nèi)容；文獻(xiàn)[10]構(gòu)建智能系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]從不同的抽象層次刻畫智能主題；文獻(xiàn)[12]將智能定義為根據(jù)輸入集和各種可能行動條件作出正確決策的能力；文獻(xiàn)[13]主要探討人工智能基本思想和計(jì)算智能兩大方面；文獻(xiàn)[14]探討計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行推理和感知，從知識角度研究人工智能，包括知識表達(dá)、知識利用和實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建?？梢钥闯鏊鼈兊墓餐c(diǎn)：人工智能學(xué)科是圍繞“智能”這個核心，研究人類智能活動規(guī)律、模擬人類智能行為的基本理論、方法和技術(shù)。由于智能本身所具有的復(fù)雜性，難以用單一的理論、方法進(jìn)行描述，需要從多個不同層面刻畫智能這個主題[15]。

教師可以將人工智能核心教學(xué)內(nèi)容劃分為4個層次：①底層，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、適應(yīng)性原理與仿生機(jī)制等演化計(jì)算與輔助感知機(jī)制以及與物理世界進(jìn)行交互的形式理論與方法；②抽象層，圍繞問題求解進(jìn)行知識抽象、知識表達(dá)和知識理解，反映知識在智能中的角色與創(chuàng)建；③高級層，包括學(xué)習(xí)、規(guī)劃和推理的模型和方法；④應(yīng)用層，構(gòu)造智能化智能體以及具有一定智能的智能系統(tǒng)。在安排人工智能課程教學(xué)內(nèi)容時，可相應(yīng)地涵蓋這4個層次的內(nèi)容。

3 人工智能的創(chuàng)新教學(xué)模式

人工智能創(chuàng)新教學(xué)體系框架如圖1所示，通過人工智能教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新、案例教學(xué)法、全英文授課方式、創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐等方面體現(xiàn)出國際化、多元化特點(diǎn)。

國際化方面，從4個層面實(shí)現(xiàn)國際化目標(biāo)：①學(xué)科國際化，引進(jìn)國際先進(jìn)的教學(xué)體系，調(diào)整人工智能教學(xué)內(nèi)容，使之與國際前沿接軌；②學(xué)術(shù)國際化，在教學(xué)環(huán)節(jié)中穿插人工智能學(xué)術(shù)前沿講座；③學(xué)者國際化，引進(jìn)和短期聘請國際著名人工智能專家充實(shí)教師隊(duì)伍，并實(shí)施“1+1”雙課堂教學(xué)；④學(xué)生國際化，實(shí)行全英文授課與考核體系，培養(yǎng)學(xué)生成為具有創(chuàng)新能力、國際視野、英語技能的復(fù)合型人工智能人才。多元化方面，建立一整套管理和評估制度，實(shí)施不同教學(xué)思路、不同教學(xué)風(fēng)格、不同教學(xué)方法的多元化教學(xué)改革措施，保證學(xué)科國際化、學(xué)術(shù)國際化、學(xué)者國際化以及學(xué)生國際化的順利實(shí)施。該教學(xué)體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出教學(xué)思想的先進(jìn)性、教學(xué)內(nèi)容的前沿性和課程實(shí)施的科學(xué)性，表現(xiàn)出對專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的高度重視。

3.1 創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

本著“取舍教學(xué)內(nèi)容，突出課程特點(diǎn)，補(bǔ)充前沿問題”的原則，教師應(yīng)確定科學(xué)的人工智能知識體系以及教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容，確保所講授的課程內(nèi)容最大程度地體現(xiàn)出人工智能學(xué)科的內(nèi)涵、發(fā)展趨勢以及與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系，并且能覆蓋人工智能研究方向所涉及理論、方法、技術(shù)的最新國際前沿研究成果，具有足夠的廣度與深度，反映全英文教學(xué)在內(nèi)容上對比于中文教學(xué)、雙語教學(xué)的差異性和先進(jìn)性。

3.2 運(yùn)用案例教學(xué)法

人工智能課程包含大量的基本概念，內(nèi)容抽象且算法復(fù)雜，往往使得學(xué)生難以理解。教師可以按照人工智能課程知識體系以及知識點(diǎn)，對人工智能教學(xué)案例庫進(jìn)行總體設(shè)計(jì)以及詳細(xì)設(shè)計(jì)，形成15個規(guī)范化教學(xué)案例[16]并將案例教學(xué)方法引入課程教學(xué)中，充分運(yùn)用多媒體教學(xué)手段展示和講解教學(xué)案例。在案例教學(xué)中，從傳統(tǒng)的以“學(xué)會”為中心轉(zhuǎn)化為以“創(chuàng)新應(yīng)用”為中心，從傳統(tǒng)的以“課堂教學(xué)”為中心轉(zhuǎn)化成以“課堂教學(xué)+實(shí)踐活動”并重為中心，不僅可以加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠提高學(xué)生的實(shí)際操作能力以及思考能力。

3.3 采取全英文授課方式

全英文課堂授課不能一味追求全英文形式而忽視教學(xué)效果，需要把握專業(yè)與英語的比例。實(shí)際教學(xué)中，教師可以采取“1+1”雙課堂教學(xué)模式，將教學(xué)課時分兩個階段進(jìn)行。首先，國內(nèi)教師講授人工智能基本原理和方法，采取集中授課、案例教學(xué)、課堂實(shí)踐等教學(xué)方式；其次，邀請國際知名學(xué)者講解人工智能國際前沿，包括專題講座和專題研討環(huán)節(jié)。經(jīng)過基礎(chǔ)學(xué)習(xí)后，學(xué)生一般都能掌握人工智能基礎(chǔ)知識，因此對于國外教師講授的學(xué)科前沿能夠較容易地準(zhǔn)確理解和把握。與單純采用全英文方式或邀請國外教師授課相比，該模式具有較好的預(yù)期效果。

3.4 創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐

由于使用英文教材，加上中外教育背景、學(xué)生英語水平的差異等因素，我們在實(shí)行國際化教學(xué)過程中對英語教學(xué)方法作一定的調(diào)整和改進(jìn)，包括英文授課形式、案例教學(xué)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等方面：配合“1+1”雙課堂模式，采取“二三二”模式教學(xué)方法即過渡式雙語和沉浸式全英文二大英語教學(xué)方式，激勵自主式、啟發(fā)互動式、體驗(yàn)學(xué)習(xí)式三大學(xué)習(xí)方法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，參與學(xué)習(xí)式、自我展示式二大實(shí)踐機(jī)制培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力；同時，針對本科生可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)，從本科生開始培養(yǎng)學(xué)術(shù)型學(xué)生，鼓勵學(xué)生參加課外科研和科技活動，注重“鼓勵學(xué)生創(chuàng)新精神、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)業(yè)意識、保護(hù)學(xué)生創(chuàng)造能力”。

4 成果應(yīng)用與成效

我們對國際軟件學(xué)院2010級、2011級、2012級軟件工程專業(yè)國際班學(xué)生以及2013級留學(xué)生班從以下3方面進(jìn)行多次改革試點(diǎn)。

（1）國際化教學(xué)：追蹤國外一流大學(xué)人工智能課程體系與教學(xué)方法，通過對比研究，尋找中外人工智能課程的教學(xué)體系差距，找到可借鑒的國外先進(jìn)教學(xué)模式，制訂集先進(jìn)性、實(shí)用性和前沿性為一體的人工智能知識體系、教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容以及國際化人才培養(yǎng)方案，推動學(xué)科國際化、學(xué)術(shù)國際化、學(xué)者國際化、學(xué)生國際化4個層次國際化辦學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（2）多元化教學(xué)：通過問卷調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)全英文教學(xué)存在的亟待解決的關(guān)鍵問題；通過引進(jìn)、消化和吸收國外經(jīng)典教材內(nèi)容，從整體上確定人工智能教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，在教學(xué)時間有限的條件下，讓學(xué)生重點(diǎn)學(xué)習(xí)具有不同教學(xué)思想、模式與特色的內(nèi)容，同時讓學(xué)生領(lǐng)略國內(nèi)外不同教學(xué)方法和教學(xué)風(fēng)格，滿足國際化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求。

（3）創(chuàng)新性教學(xué)：以培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、國際視野、英語技能的復(fù)合型人才為目標(biāo)，以實(shí)施全英文教學(xué)為契機(jī)，對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行重定位，提出集先進(jìn)性、前沿性和實(shí)用性為一體的教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新、“1+1”雙課堂教學(xué)模式、“二三二”模式教學(xué)方法、“案例教學(xué)—實(shí)踐活動—現(xiàn)實(shí)應(yīng)用”有機(jī)融合的案例教學(xué)實(shí)踐等教學(xué)模式改革的實(shí)施關(guān)鍵。

人工智能課程教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果：①以學(xué)生為中心的教學(xué)理念和多元化教學(xué)模式，促使選修人工智能課程的學(xué)生人數(shù)不斷攀升；②以教學(xué)實(shí)效為衡量標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生滿意為評價指標(biāo)，學(xué)生好評如潮；③打造具有國際品牌效應(yīng)的人工智能全英文教學(xué)語境，國際班、留學(xué)生班招生人數(shù)逐年上升；④加強(qiáng)學(xué)科交叉，邀請外教授課，舉辦前沿講座，強(qiáng)化國際交流，國際影響力顯著提升；⑤尋求學(xué)科生長點(diǎn)，推動國際項(xiàng)目合作，學(xué)院人工智能學(xué)科特色和優(yōu)勢愈加明顯。

5 結(jié) 語

瞄準(zhǔn)世界知名大學(xué)在人工智能學(xué)科的前沿研究與人工智能課程的開設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對國外人工智能教學(xué)進(jìn)行全方位、科學(xué)的分析與總結(jié)，從國外教學(xué)體系中得到啟示，從而對國內(nèi)人工智能教學(xué)模式進(jìn)行重新認(rèn)知，全面推進(jìn)人工智能課程教學(xué)在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的改革，在創(chuàng)建國際化—多元化創(chuàng)新教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，踐行知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展和綜合提高的原則，培養(yǎng)學(xué)生成為科學(xué)應(yīng)用前沿技術(shù)、方法和手段的國際化創(chuàng)新人才。

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（編輯：宋文婷）