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“全民計算機科學(xué)教育”項目的組成部分。國外許多重點大學(xué)都成立了自己獨立的人工智能研究所，如麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室、斯坦福大學(xué)人工智能實驗室、加州大學(xué)伯克利分校機器人和智能機器實驗室等，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、內(nèi)容多、難度大，國內(nèi)人工智能教學(xué)往往注重知識要點學(xué)習(xí)，而輕視實踐應(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)體系進行深入剖析，充分借鑒國外先進經(jīng)驗，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)院的計算機科學(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)計算機科學(xué)專業(yè)的“人工智能的社會、經(jīng)濟影響”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)濟學(xué)、計算倫理和軍事應(yīng)用以及問題求解、知識表達、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，其分支包括機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、計算機視覺和機器人[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：表達和問題求解”，還增設(shè)了“自然語言處理”以及“機器學(xué)習(xí)導(dǎo)論”，且課時數(shù)均較長，達到12周；④近幾年來，人工智能細(xì)分領(lǐng)域中以機器學(xué)習(xí)的進展最為迅速，美國重點大學(xué)都非常重視機器學(xué)習(xí)的教學(xué)與研究，有自己完善的人工智能教學(xué)體系和獨立的機器學(xué)習(xí)教學(xué)計劃，如麻省理工學(xué)院在人工智能課程中分4次講授機器學(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、文獻綜述以及錯誤分析，要求學(xué)生提交項目提案、進度報告、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[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[9]通過人工智能系統(tǒng)和Agent展開人工智能內(nèi)容；文獻[10]構(gòu)建智能系統(tǒng)；文獻[11]從不同的抽象層次刻畫智能主題；文獻[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[13]主要探討人工智能基本思想和計算智能兩大方面；文獻[14]探討計算機如何進行推理和感知，從知識角度研究人工智能，包括知識表達、知識利用和實際系統(tǒng)構(gòu)建。可以看出它們的共同點：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)性原理與仿生機制等演化計算與輔助感知機制以及與物理世界進行交互的形式理論與方法；②抽象層，圍繞問題求解進行知識抽象、知識表達和知識理解，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)實踐等方面體現(xiàn)出國際化、多元化特點。

國際化方面，從4個層面實現(xiàn)國際化目標(biāo)：①學(xué)科國際化，引進國際先進的教學(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，引進和短期聘請國際著名人工智能專家充實教師隊伍，并實施“1+1”雙課堂教學(xué)；④學(xué)生國際化，實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)生國際化的順利實施。該教學(xué)體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出教學(xué)思想的先進性、教學(xué)內(nèi)容的前沿性和課程實施的科學(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，補充前沿問題”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)的差異性和先進性。

3.2 運用案例教學(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，對人工智能教學(xué)案例庫進行總體設(shè)計以及詳細(xì)設(shè)計，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，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、自我展示式二大實踐機制培養(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的特點，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方面進行多次改革試點。

（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教學(xué)模式，制訂集先進性、實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、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)，以實施全英文教學(xué)為契機，對傳統(tǒng)教學(xué)模式進行重定位，提出集先進性、前沿性和實用性為一體的教學(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)—實踐活動—現(xiàn)實應(yīng)用”有機融合的案例教學(xué)實踐等教學(xué)模式改革的實施關(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加強學(xué)科交叉，邀請外教授課，舉辦前沿講座，強化國際交流，國際影響力顯著提升；⑤尋求學(xué)科生長點，推動國際項目合作，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，對國外人工智能教學(xué)進行全方位、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)模式進行重新認(rèn)知，全面推進人工智能課程教學(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）