人工智能課程體系與教學方法研究

姚琳?石志國

摘 要：針對新工科的培養目標，提出了新興產業中的人工智能課程體系建設以及相應的教學方法。在課程中，探索人工智能各個階段的課程規劃，建立新的工程模型以及相應模型下的新概念、新結構、新模式、新質量和新系統;同時針對問題驅動的教學方法進行了探索，最后提出檢驗教學方法的評價手段。

關鍵詞：新工科;人工智能;課程體系;教學方法;評價方法

自人工智能這個概念首次提出以來，人工智能的發展幾經沉浮。隨著計算機核心算法的突破、計算能力的迅速提高以及海量互聯網數據的支撐，人工智能終于在21世紀的第二個十年里迎來質的飛躍，成為全球矚目的焦點[1]。目前，人工智能的發展對于我們來說是一個歷史性的機遇，抓住人工智能這一機遇，就等于抓住了發展的契機，對于我們解決人口壓力問題、應對可持續發展挑戰以及促進經濟結構轉型升級至關重要。

人工智能的核心課程主要在人才培養中突出大數據、人工智能、云計算、物聯網等新信息技術的交叉融合，多學科的交叉融合推動人工智能人才培養和科技創新，并為智能教育提供更多智慧創造、協同合作和意義建構的教育體驗[2]?！叭斯ぶ悄?教育”將進一步改造傳統模式，推動教學互動進一步增強，構建智能化、個性化的教育體系，實現以教為主轉化為以學為主。當數據采集的數據達到一定的規模，數據本身就會有一定規律，需要采用人工智能的手段進行分析和處理，所以人工智能課程的探索和建設對于現階段的發展極其重要。人工智能可以使教育成為一個可追溯、可視化和可計算的過程，在“人工智能+教育”普及的情況下，教育更加追求人性化，人工智能技術會滲透到高等教育的各個層面，根據學生的知識結構、智力、知識掌握程度，對學生進行個性化的教學和輔導[3]。

近些年來，對人工智能的人才需求越來越大，研究人工智能方向課程體系，可以開闊專業視野，提高復合型人才培養的水平，開拓學生的就業方向，同時進行企校聯合可以有效地促進新興產業的發展。

一、課程體系

基于新工科的培養目標，建立各階段的課程設置框架，并在此基礎上探索建立人工智能方向的課程體系，探索產學結合的教學方法，旨在解決實際問題，研究相應的教學方法[4]。人工智能專業應當著重培養學生的知識、能力和素質，系統深入地了解人工智能的專業知識和實踐能力，使學生具有在人工智能及相關領域跟蹤和發展新理論、新知識和新技術的能力[5]。

在主要的課程方面，將人工智能課程分成三部分：人工智能基礎算法模塊、核心技術模塊和創新應用模塊。設計并構建每個模塊知識點組成，并用具體課程實現模塊和知識點的內容，構建的模塊如表1所示。此外，在課程內容方面不能把每門課程建設成單一的孤立單元，各課程內容要緊密結合，有序銜接。

在人工智能學科經典理論的基礎上，該課程體系將最新、最前沿的創新觀點及研究成果引入課堂，鼓勵學生了解多種學術觀點和對本學科領域的最新發展提出自己的疑問，建立創新思維，形成自己的觀點;培養學生探究問題的能力和批判精神，提高學生的創新能力。

相關課程主要基于研究型教學。研究型教學強調學科原理的形成過程，并通過師生互動進行講授，講授內容包括了學科知識、理論本身以及研究者的工作經歷。在一定程度上鼓勵學生拋開書本知識的禁錮，勇于發現書本知識的問題，發表獨立見解，進而培養創新能力。

二、教學方法

在教學方法方面，著力培養學生的學習興趣，鼓勵學生自主創新，靈活運用所學的知識，獨立地發現、研究和解決問題。同時通過團隊討論提高團隊的合作能力。

（1）教學內容注重更新。應順應科技發展趨勢，合理利用前沿的科研成果，不斷完善學科內容。

（2）講授內容重思路。在課堂上應突出重點和難點，引導學生了解課程內容，并且注重培養課外學習的能力。

（3）教學方法重改革。不應只教師講解而忽略學生的存在，而是通過啟發式教學，引導學生的思考方向，充分調動學生的課堂活躍性。在授課過程中，合理安排學生提問、研討的時間，將課程中的部分內容或一些開放型問題交給學生來講解。

（4）培養自主學習能力。教師應因材施教，充分了解學生的興趣方向，在課堂上營造一種多方向發展的氛圍。同時要精心布置作業，結合學生本身的能力，安排學生利用課外時間去獲取知識，定期安排學術報告。

（5）充分利用網絡資源和圖書館資料等教學資源，進一步培養學生的自主學習能力，為學生互動提供豐富的課外資源。

（6）關注科研方法的訓練，培養實踐能力。在學科知識的基礎上，注重學生實踐能力的培養。具體講授人工智能及其相關知識點的基本思想和方法，避免只局限于工具或應用的介紹，鼓勵學生在遇到實際問題時，能夠在其已有知識基礎上進一步拓展學習，有方向性地尋找解決思路，設計具體解決方案[6]。

同時改進教學手段，學科知識結合多種教學手段（多媒體、演繹推理、仿真模擬等），使教學內容更直觀，相對集中在學生面前，讓學生積極參與課堂。例如在授課中講解機器人推箱子的場景可以給學生一種非常直觀的印象[7]。

課堂中使用多媒體技術，可以使授課過程更為生動形象，增加課堂信息量，提高學生理解能力。例如使用仿真的方法，模擬課程內容，使知識的獲取更加生動深刻，啟發學生理解能力，有利于改善教學效果。

根據研究課題組成幾個學生小團隊，討論課題中的關鍵點，難點或熱點問題，形成各自的觀點。通過討論發言、答辯和提問，學生可以擴展思維，產生知識并分享成果。教師一般只充當組織和鼓勵的角色，提供教學資源和學習建議，控制整個過程，最后進行分析和總結，以學生的自主能力培養為中心，要求學生自己組織課題內容，如圖1所示。

此外，還要進行教學內容的優化。對教學內容進行了層次劃分，分為理論教學、技術教學和應用教學，針對3種層次采取具有各自特色的教學方法。

利用實驗課、實踐課進行因材施教，針對學生不同的發展方向和實踐需求，組織學生到不同的企業進行實習。

在設計實驗內容過程中，應充分利用現有資源，適當考慮到學生本身的能力。實驗的內容應由基礎實驗、綜合實驗和拓展實驗構成，強調基礎、全面和創新能力。進一步鍛煉學生的創新能力[8]。

三、評價方法

課程考核中應重視學生學習過程，優化課程考核體系，將教學過程與教學目標相結合，評價體系以課內教學為主，課外實踐為輔。全面評估學習過程中的知識獲取、探索研究、自主學習、思維創新和學習過程中的實踐能力。

經過多方面研究，結合該課程特點，將課程考核分為3個部分，閉卷考試占60%，課程答辯占30%，學生平時成績占10%。其中要求3個部分均通過，其中任何一部分不通過，該課程均不通過。

按照工程教育的評價標準，課程體系的評價方法主要從下面12個方面進行：①工程知識;②問題分析;③設計/開發解決方案;④復雜工程問題研究;⑤使用現代工具;⑥工程與社會影響評價;⑦環境和可持續發展理解評估;

⑧職業規范;⑨個人和團隊角色承擔;⑩溝通;k項目管理;l終身學習。

此外，還可以采用直接評價與間接評價兩種方式進行評價[9]。直接評價根據課程考核的材料，比如考試、隨堂測驗、課程作業、課程報告等，完成“課程達成度評價”和“畢業要求達成度評價”工作;間接評價主要以第二課堂為主，根據用人單位反饋，畢業生調查問卷等完成評價。

改變工程實踐環節的教學方式以培養學生能力為導向，面向工程實際，提高學生創新能力和動手能力，實現技能的培養。專業實踐環節課程的目的是培養學生的專業實踐能力、自主創新能力以及靈活運用所學知識分析、解決實際問題的能力[10]。

參考文獻：

[1] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等. 加快發展和建設新工科 主動適應和引領新經濟[J]. 高等工程教育研究，2017（1）.

[2] 吳朝暉. 交叉會聚推動人工智能人才培養和科技創新[J]. 中國大學教學，2019（2） .

[3] 鄭南寧. 面對人工智能挑戰 人才培養的下一步該如何走[J]. 中國大學教學，2019（2） .

[4] 陳慧，陳敏. 關于綜合性大學培養新工科人才的思考與探索[J]. 高等工程教育研究，2017（2）.

[5] 黃河燕. 新工科背景下人工智能專業人才培養的認識與思考[J]. 中國大學教學，2019（2）.

[6] 吳飛， 楊洋， 何欽銘. 人工智能本科專業課程設置思考：厘清內涵、促進交叉、賦能應用[J]. 中國大學教學，2019（2） .

[7] 石志國，王志良，姚亦飛，等. “物聯網技術與應用”課程規劃與共享資源建設[J]. 計算機教育，2012（11）.

[8] 胡居榮，曹寧. 基于Matlab的數字信號處理研究型教學的探索[J]. 中國電力教育，2008（9）.

[9] 李紅星，方根顯，楊海燕. 工程教育認證畢業要求達成度評價方法——以勘查技術與工程專業為例[J]. 高教學刊，2018（4）.

[10] 王紅軍，常城，鐘建琳，等. 基于工程教育認證理念的機械類實踐環節教學方法與評價方式改革[J]. 高教學刊，2018（1）.

[責任編輯：余大品]