高年級本科生人工智能課程教學實踐與探究

嚴遠亭，張以文，陳 潔，張燕平

（安徽大學 計算機科學與技術學院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

人工智能（Artif i cial Intelligence）是一門研究如何使計算機模擬人的某些思維過程和智能行為（如學習、推理、規劃等）的綜合性前沿學科。自1956年人工智能一詞出現以來，對人工智能的研究得到持續推進。近年來，隨著大數據、物聯網、深度學習等技術的發展，出現了以Alpha Go、無人駕駛汽車等為代表的一大批人工智能技術的成功應用。人工智能技術突飛猛進，取得了前所未有的關注。

人工智能是一門涉及計算機科學、數學、腦科學等眾多領域的交叉學科。作為計算機學科一個重要分支，我國不少高校都開設了人工智能課程[1-2]。該課程的開設，既能有效提高學生的科學素養和開闊前沿技術視野，又能很好地培養學生的創新思維和技術創新能力[3]。

人工智能不僅涉及眾多學科的內容，而且發展十分迅速，這些不但加大了學生的學習難度，而且對人工智能的教學提出了多方面的挑戰。雖然目前許多高校都開設了人工智能課程，但是在培養應用型、創新型人工智能人才方面，與國外高水平大學相比，仍然存在一些差距和不足。

1 國內人工智能課程存在的不足

1.1 課程設置

作為一門新興學科，人工智能發展十分迅速。新的技術層出不窮，這就要求人工智能課程的設置能夠與學科發展相適應。與國外高水平大學（如斯坦福大學、麻省理工大學等）相比，國內高校在人工智能課程體系設置等方面仍存在著一定的滯后性。

1.2 教學方法與手段

人工智能課程多學科交叉且理論性很強，其教學往往注重對理論知識的講授，而對相關技術的實踐能力培養重視不夠；同時，由于人工智能涉及十分廣泛，僅僅在課堂上進行學習并不夠，還需要強化學生在課后的自我學習。

1.3 創新能力培養

雖然人工智能課程的教學在我國高校已開展多年，但是當前我國學者在人工智能頂級學術 期 刊（如Artif i cial Intelligence、International Journal of Machine Learning Research等）和頂尖學術會議（如IJCAI、AAAI等）上發表學術論文的數量仍然不是很多；有國際影響力的人工智能領域的人才仍相對較少；在創新思維、創新能力的培養方面仍然需要進一步加強。

2 人工智能教學模式改革措施與途徑

針對當前人工智能教學存在的不足，結合筆者的教學實踐，可以歸納總結出圖1所示4個方面的改進內容。

2.1 教學內容優化

圖1 人工智能教學模式改進措施示意圖

由于人工智能涉及面廣，目前在世界范圍內還沒有一個權威性的、相對統一的學科設置。當前，圍繞“智能”這一核心，國外高水平大學從不同層面、不同角度進行課程設置并開展教學，對人工智能的理論、方法進行描述[4]。基于當前人工智能的發展和國內的實際情況，科學確定人工智能課程的知識體系，明確教學內容，確保課程教學內容在保持知識體系一脈相承的同時又兼顧學科的發展趨勢，是需要遵循的一項基本原則。

就我校的具體情況而言，人工智能是計算機相關專業的一門選修課，安排在大三上學期進行學習，因此，在確定教學內容時，我們充分考慮到該課程課時相對較少、學生往往更關注技術應用和相關方法使用的情況，適當對授課內容進行調整，著重強調人工智能發展歷史、各種技術的使用方法以及具體應用，而對于復雜的相關理論的推導和理解方面無需過多強調。這樣不僅更容易激發學生的學習興趣，而且比較契合學生對人工智能技術的關注點。在進行教學安排時，還可以靈活設置幾個學時，在先期授課期間充分征詢學生意見，了解學生的興趣點，然后安排適當的時間對學生感興趣的技術進行相關的講解；也可以邀請計算機企業中具有豐富從業經驗的AI開發人員就AI技術在企業中的實際應用進行介紹。

當前網絡課程教育蓬勃發展，涌現出以Coursera、edX、網易公開課等為代表的一大批MOOC資源[5-6]。MOOC中有相當一部分與人工智能課程相關的熱門資源，教師在日常教學過程中可以精選1～2節課的相關內容在課堂上讓學生學習，并就相關的問題進行交流討論；另外，還可以選擇部分經典的課程讓學生課后自學，既能擴大學生的選擇面，又能開闊學生的學習視野。教學內容優化的構成如圖2所示。

圖 2 教學內容優化的構成示意圖

2.2 實踐能力培養

本科生高年級階段的教學與低年級的相比，具有一些新的特點：一方面，高年級本科生在經過低年級階段的學習之后，有一定的專業積累，迫切希望能夠學習本專業的前沿技術與知識以及了解本專業的發展前景；另一方面，部分高年級本科生會選擇繼續攻讀研究生，因此在教學中還必須注重科研素質的培養。

人工智能課程教學內容中包括不少經典問題和熱門方法，如漢諾塔問題、遺傳算法、神經網絡、決策樹、手寫字符識別等。單純講解這些經典問題相對抽象，學生很難理解。為了增強學生對此類方法的理解，激發其學習熱情，對于一些簡單的問題（如漢諾塔問題），可以在課堂上現場編程演示；對另外一些問題（如手寫字符識別），則可以通過事先準備好的演示程序進行課堂上的演示。引入Matlab等仿真軟件進行此類案例的演示，能夠更加直觀地展現此類問題的過程和結果，增強教師與學生的交互，有效激發學生的學習興趣，加深學生對相關理論的理解，從而提高其學習積極性。

近年來，我校開展小學期教學的工作，每年6月底至7月初開始為期4周的小學期課程，在此期間主要以綜合項目訓練為主，著力提高學生的實踐能力；此外，還開展了面向高年級學生的“大學生創新創業訓練計劃項目”，鼓勵學生進行團隊申報，對入選的項目配以指導教師并給予經費支持。人工智能課程的教學應該和創新創業項目緊密結合起來，教師通過擬定合適的題目，鼓勵感興趣的學生積極參加申報，并對相關項目給予指導。這不僅能充分提高學生的學習積極性、主動性和創新意識，還能增強其應用實踐能力。創新創業項目在我校已經取得了較好的成果，涌現出以“口袋小安”為代表的一批優秀成果，該項目于2017年底成功獲得了某上市公司500萬元投資和1 000萬元創投發展基金。

2.3 科研能力培養

在現代化建設過程中，創新型人才發揮著重要作用。近年來，我國研究生招生規模逐年擴大，相當一部分高年級本科生選擇攻讀研究生。加強對高年級本科生科研素質的培養是為我國研究生教育輸送人才的一項重要舉措。

人工智能是近年來計算機相關學科當中最為活躍的研究領域，其涵蓋范圍廣、影響范圍大，如機器學習、模式識別、群體智能等都是當前的研究熱點。在教學中增強對學生科研素質的培養，可以激發學生的研究意識和研究興趣，從而為學生以后從事科研工作奠定堅實的基礎。具體而言，在日常教學過程中，對于特定的問題（如當前十分熱門的神經網絡），不但要介紹神經網絡提出、發展、低潮、復興的發展歷史，而且要對各個階段背后深層次的原因進行剖析，在介紹神經網絡優勢的同時也要指出其存在的不足；同時對其他能夠在某一方面彌補神經網絡不足的技術也要進行相關的介紹，如隨機梯度下降方法能夠從一定程度上避免BP神經網絡梯度下降可能造成的局部最優問題。另外，對當前神經網絡的發展也要進行相關的介紹，如對深度學習主流的CNN、DBN等技術進行相應的介紹和分析，對Tensorf l ow、Theano、Keras等主流的深度學習框架進行介紹，而且最好能就其中一種框架的使用方法進行具體說明，從而更好地激發學生的學習興趣。

我校開展的“安徽大學大學生科研訓練計劃項目”通過指導教師申請立項，指導教師與學生雙向選擇的方式進行。該項目的開展取得了不錯的成績，如2011年共有146名學生參加大學生科研訓練計劃項目，其中有85人考取碩士研究生，占參與學生總數的58%，在校期間，他們以第一作者發表學術論文60篇，其中SCI、EI和CSCD分別收錄7篇、4篇和6篇；參與發表論文24篇，其中SCI、EI和CSCD分別收錄14篇、1篇和 2篇；申請發明專利7項，獲實用新型專利1項。

本科生群體非常具有創新潛力，需要指導教師積極引導。人工智能課程教師可以通過合適的選題申報該項目，在指導本科生參與科研項目研究并獲得預期效果的同時，也能從項目實施過程中得到許多啟發。師生的交流互動，能幫助教師更準確地發現問題并及時加以指導解決。這不僅能夠提升學生的理論與實踐相結合能力，還可以提高教師的指導水平，有效實現教學相長。大學生科研訓練計劃能夠有效培養學生的實踐能力與創新精神，促使其更早、更多地接受科學研究基本訓練，創造優秀拔尖人才脫穎而出的條件，實現科研資源與本科生人才培養的有機結合。

2.4 考核方式創新

人工智能課程理論性強、內容涵蓋范圍廣。傳統的單一通過試卷考核的方式對此課程適用性不是很好，因此，對該課程的考核要本著以學生為中心的理念，設置多元化的考核方式，這有利于鼓勵學生自主學習。在教學過程中，鼓勵學生積極發言提問和發表個人看法，有助于活躍課堂氣氛、引導學生自由思考；此外，平時的出勤率、隨堂作業也可以納入最后考核的參考指標。學生可以通過PPT的形式匯報MOOC學習的成果，或者自主選擇人工智能某一個技術并匯報自我學習的收獲等，這些都可以作為考核的重要考慮因素；允許學生通過自我編程實現一些驗證性的設計，如經典的手寫字符識別、車牌識別等；對于從事人工智能相關研究課題的學生，也可以以階段性的成果作為考核的參考指標。總之，為使學生通過這門課程的學習能有所收獲并兼顧學生的個性化發展，教師不必拘泥于某一兩種固定的形式，而應該建立一個多元化的考核形式。

3 多元化、長周期的能力培養

在人工智能課程教學過程中，對學生實踐能力和科研素質的培養是核心目標。前文總結的培養措施之間并不是相互孤立的，一種措施的作用是多元化的，如大學生創新創業項目、大學生科研訓練計劃項目、畢業設計等都具有多元化、長周期的特征。多元化指的是措施功能的多元，如人工智能的教學還可以和畢業設計聯系起來，教師可以在充分了解學生意愿和興趣點的基礎上，指導給出相關研究點和大致的研究內容，給學生以一個較長的時間開展相關工作，通過定期的交流溝通，發現不足，不斷完善，從而形成一個高質量的畢業設計，不必局限在大四學年才進行畢業設計的研究工作。相關設計的內容也可以根據學生的興趣，以實踐性為主，也可以偏研究性。長周期指的是這些措施的開展往往需要有一個相對長的時間，才能在學生能力提升上取得較好的效果，如大學生創新創業項目和大學生科研訓練計劃項目往往都需要兩年的時間，對于大三的學生來說這基本貫穿了其之后本科階段的求學生涯。

4 結 語

我們雖然探討人工智能課程在本科教學中4個方面的改革措施并就如何建立多元化、長周期的能力培養模式進行闡述，但是仍然存在不足。當前人工智能的發展面臨著諸如動態任務、非確定性任務、多領域任務等難題，如何引導學生對相關問題進行思考，激發學生的探索熱情，發揮青年學生的創造力，對于解決人工智能面臨的關鍵問題具有十分重要的意義。希望在之后的教學實踐與探索中，針對此類關鍵問題，不斷完善教學手段和方法，將人工智能課程的教學改革推向新的發展。