人工智能背景下計算機及信息類大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐

張宇昂，鄭向偉

（山東師范大學 信息科學與工程學院，山東 濟南 250014）

0 引言

當前，以人工智能[1-2]為代表的新技術方興未艾，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已初見端倪。如何順應時代發(fā)展，緊緊圍繞國家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展需要，提高學生創(chuàng)新實踐能力，提升國家硬實力和國際競爭力，對于大學教育，尤其是理工類學科的人才培養(yǎng)，帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。

2018 年，教育部發(fā)布了《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[3]，指出“深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，把深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革作為推進高等教育綜合改革的突破口，面向全體、分類施教、結合專業(yè)、強化實踐，促進學生全面發(fā)展”，強調大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力的培養(yǎng)，并能與社會需求對接。同時“加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范高校建設，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導師培訓，發(fā)揮‘互聯(lián)網(wǎng)+’大賽引領推動作用，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育水平”。在2018 年教育部、工業(yè)和信息化部和中國工程院聯(lián)合發(fā)布的《關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0 的意見》[4]中，也明確指出：“要健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系。推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育緊密結合，注重培養(yǎng)工科學生設計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。深入實施大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，努力使50%以上工科專業(yè)學生在校期間參與一項訓練項目或賽事活動”。

由此可見，在當今大學生培養(yǎng)方面，尤其是計算機及信息類相關專業(yè)教育，需要相應地做出調整和改變，“面向工業(yè)界、面向世界、面向未來”，緊密聯(lián)系實際，不斷更新學生知識體系，以“加快培養(yǎng)適應和引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才”。

1 當前課堂教育存在的不足

1）重理論，輕實踐。

計算機及信息類專業(yè)很多核心課程理論性非常強，從課程體系的角度，它們是重要的基礎，是進一步學習其他課程的先導課程。比如計算機科學與技術的計算機組成原理、通信工程的通信原理等。學生通過這些課程，打好理論基礎非常重要。然而，不可否認的是，在教學的設計中，往往存在“輕實踐”的問題。一方面，實踐所占的比例都很輕，安排實驗課時較少；另一方面實踐的內容也很“輕”，大多是驗證性實驗，并且只是觀察一個或幾個知識點，與實際應用聯(lián)系并不緊密。學生在學習過程中，容易感到枯燥，提不起興趣，不知道學的知識有什么用，更無法主動將所學知識用于解決現(xiàn)實問題。

2）課程體系老化，知識更新慢。

課程體系的建立是一個審慎的過程，對課程體系的更新，往往需要較長的周期。然而，現(xiàn)代技術和知識更新速度越來越快。以計算機為例，在摩爾定律[5]的驅動下，每約18 個月，集成電路的集成度提高一倍。從20 世紀40 年代計算機發(fā)明，到現(xiàn)在不到80 年的時間，計算機硬件架構、計算機網(wǎng)絡協(xié)議、計算機軟件應用等，均已發(fā)生了巨大的變化，深刻影響了人類社會。更不要說，近十幾年掀起的深度學習[6]浪潮、5G 技術[7]等，已開始影響世界，新一次科技革命已顯出端倪。但是反觀課程體系，部分相關內容要么是缺失的，要么是停留在20 多年前，無論課程的建設還是教材的更新，都明顯遠遠滯后于學科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，培養(yǎng)引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越人才也就無從談起。

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐案例分析

針對當前課堂教學存在的兩個問題，從近幾年的教學與大學生創(chuàng)新實踐中，筆者剖析一只“麻雀”，通過分析近幾年指導本科創(chuàng)新實踐的經(jīng)驗，探討計算機及信息類專業(yè)創(chuàng)新性教學的途徑，并希望能夠提出一條解決思路，以供參考。

2.1 創(chuàng)新實踐項目背景

近幾年，筆者指導的創(chuàng)新性實踐項目，是以綠色智慧建筑這一應用為背景，為計算機、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生設置，目的是綜合利用人工智能、計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、電子電路等技術，實現(xiàn)對室內燈光、空調、風扇等電器的智能控制，降低能耗，構建綠色宜居的建筑環(huán)境。本項目是以應用為驅動，重點解決將新技術運用到實際問題中，為解決現(xiàn)實問題提供模型或方案，具備了前沿性、新穎性以及可操作性。由于本項目目標明確，應用特色鮮明，與最新技術以及學生專業(yè)背景聯(lián)系緊密，因此很快吸引了多名學生的加入，并建立起團隊。

2.2 創(chuàng)新實踐項目的組織與實施

項目團隊設立了組長1 名，副組長1 名，組員多名，總人數(shù)不超過10 人。定期匯報進展及存在的問題，做好分工，又群策群力，共同探討解決，其形式類似于企業(yè)中的項目團隊。圖1 給出了本創(chuàng)新實踐項目的實施模式。

圖1 創(chuàng)新實踐項目實施模式

項目實施過程中，學生能夠獨立解決問題，并不斷迭代方案，最終確定了以YOLOv3[8]目標識別算法為核心，以Wi-Fi 為網(wǎng)絡通信手段的系統(tǒng)框架，采用單片機建立了原型系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上進行了驗證，基本解決了基于室內攝像頭對燈光等設備的智能控制。圖2 給出了該系統(tǒng)的框圖。

圖2 智能燈光控制系統(tǒng)框圖

2.3 創(chuàng)新實踐項目的效果及進一步的改進方向

該創(chuàng)新實踐項目的效果可分為以下幾個方面。

1）通過創(chuàng)新實踐，提高了學生的綜合素質。

在實踐過程中，學生形成了獨立思考問題的能力、檢索能力、閱讀文獻能力、團隊協(xié)作能力、編程能力等。通過完整地接觸一個項目，并采用最新的科學技術解決實際問題，培養(yǎng)學生設計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

2）以賽促創(chuàng)，形成正反饋激勵模式。

近年來，從國家各級部門到高校，都很重視對學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，因此設立了“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、創(chuàng)青春、挑戰(zhàn)杯等一系列創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事?；诒緞?chuàng)新實踐項目的基礎和研究計劃，教師積極申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，指導學生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽等賽事，并獲得了“建行杯”第四屆山東省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎等獎項。參加競賽的過程中，學生不但學會如何創(chuàng)新，還受到創(chuàng)業(yè)的訓練，了解到一個項目應該如何落地、預算怎么做、怎么才能盈利等。通過一系列的實物成果和比賽獎項，進一步激發(fā)了學生的創(chuàng)新興趣和勇攀科研高峰的決心，形成了很好的正反饋激勵模式。

通過近3 年的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動，也發(fā)現(xiàn)了進一步的努力方向。

1）教育學生“創(chuàng)新永無止境”的理念。

比如項目實施過程中，教師很快會發(fā)現(xiàn)別的高校也有類似項目出現(xiàn)，這就需要不斷調整項目的創(chuàng)新點，甚至出現(xiàn)難以找到參考、需要獨立解決較大難度問題的情況。對本科生來說，剛剛開始接受創(chuàng)新訓練，往往會產(chǎn)生畏難心理，不愿意解決難問題。當然，這是受學生知識體系還不健全、平時學業(yè)負擔較重的影響。但是要對學生進行積極引導，建立“創(chuàng)新永無止境”的理念，這也是國家解決“卡脖子”問題，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級所需要的。

2）從實踐中提煉科學問題，為學生創(chuàng)造科研條件。

從產(chǎn)業(yè)界可以知道，越是有競爭力的公司，越是重視在科研上的投入，這樣才能在技術上先人一步，比如美國的微軟、英特爾，我國的華為等。因此，要能從工程實踐中提煉科學問題，并給有能力的學生創(chuàng)造科研條件，讓學生有機會接受科研訓練，培養(yǎng)學生獨立創(chuàng)新的能力，撰寫學術論文的能力，將創(chuàng)新應用于實踐的能力，為真正成為“引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才”提供條件。

3 創(chuàng)新教學解決對策及方案探討

從以上的分析可知，當前課程設計中，知識體系更新較慢，對學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)有所欠缺，而實踐類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育可以較好的彌補這些不足。如何處理創(chuàng)新教育和傳統(tǒng)課程教育的關系，形成人才培養(yǎng)上的互補，并避免出現(xiàn)頭重腳輕，輕視基礎課程的問題。結合近幾年教學和學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練的經(jīng)驗，我們提出層次化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)框架。

1）合理設計基礎主干課程創(chuàng)新實踐教學。

對于任何一個專業(yè)，一定有一批核心課程構成專業(yè)的基礎。本科生教育，首先要打好基礎，培養(yǎng)其專業(yè)素養(yǎng)，其次才是創(chuàng)新。否則一味追求創(chuàng)新，反而喧賓奪主，本末倒置。但是基礎課程如果有實驗的，應該加強實驗建設，設計一部分綜合型和挑戰(zhàn)性實驗項目。另外，并不是說，主干課程就不能有創(chuàng)新性教育，例如，即便高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論等基礎理論性數(shù)學類課程，仍然可以開設不同層次的數(shù)學實驗、數(shù)學建模類課程，將數(shù)學理論與外部世界聯(lián)系起來。

2）基礎課程可以增加部分創(chuàng)新性項目。

在某些基礎課程中，應加入一定量的項目任務，并作為考核的重要標準之一。例如，數(shù)字電路課程可以與硬件描述語言結合起來，講授電路原理的同時，可以給學生布置若干個電路設計實現(xiàn)作業(yè)，讓學生知道數(shù)字電路是如何設計和實現(xiàn)的、集成電路如何設計等。講授計算機組成原理課程時，可以考慮讓學生基于計算機仿真平臺，設計一個計算機系統(tǒng)，了解計算機流水線如何工作，甚至可以考慮讓學生通過系統(tǒng)級仿真實驗，學習和實踐最新的計算機架構，例如多核、GPU等。創(chuàng)新性實驗部分需要統(tǒng)籌規(guī)劃，考慮學生的知識背景和基礎。

3）開設綜合性創(chuàng)新實踐類課程。

在培養(yǎng)計劃中，可以增添部分創(chuàng)新課程，可以采用講座的形式，也可以采用項目的形式。在課程設計上，要與專業(yè)知識背景結合，并且可以與主干課程相結合。讓學生根據(jù)幾門課程的學習，完成一個完整的項目：一方面是知道所學知識如何應用在實際生活中，提高興趣，加深對所學知識的融會貫通；另一方面，提高學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)造力。

4）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽及科研訓練。

對于能力較強的學生，可以采用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導師制，為學生開辟創(chuàng)新實驗室，建立固定的研究和學習場所，并直接與導師對接。采用類似研究生的培養(yǎng)方式，讓學生與導師經(jīng)常交流，為有能力、有興趣的學生創(chuàng)造寬松創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐及科研的環(huán)境，讓師生能夠把更多的精力，高效率地投入其中。各級部門也可以有一定財政和政策上的傾斜，學校需要對本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動有一定資金和政策上的傾斜，使教師愿意花時間和精力，參與本科生的創(chuàng)新教育。

以上4 層是層層遞進的，并與現(xiàn)有教學體系密切結合，有的是現(xiàn)有教學體系的一部分，如第一和第二層次，有的是對現(xiàn)有教學體系的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面的有益補充，如第三和第四層次。圖3 給出了層次化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)框架。

4 結語

圖3 層次化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)框架

“十年樹木，百年樹人”，對人才的培養(yǎng)，是一個長期且意義重大的事情，關系國家和民族的未來。當前，國際形勢正發(fā)生深刻的變化，國與國之間的競爭，其實質是人才的競爭。只有有了一大批掌握核心技術，富有創(chuàng)造力的人才，才有可能在日新月異的科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占得先機。本科生作為高等教育的主力軍，將來是各行各業(yè)的中堅力量，因此培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新意識和能力，有著重要意義。本文針對計算機和信息類專業(yè)本科生，以一個計算機網(wǎng)絡與人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目為切入點，探討了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與現(xiàn)有課程體系的關系，并提出了一種層次化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)框架，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學設計提供參考。