“新工科”背景下人工智能教學改革研究

貴向泉 高禎 李立 王瑞鵬 謝鵬壽 薛建彬 張璽君 馬維俊

摘要：“新工科”計劃中的“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”的工程教育目標是推動研究生教育課程改革的重要動力。將新工科的建設理念與人工智能教學實踐相結合，緊跟技術發展的趨勢，在理論和實踐結合的基礎上，摒棄單一的教學方法和模式，根據實時教學情況修改和更新課程內容，充分調動學生的積極性以及培養創新能力，從而達到提高教學質量和效率的最終目標。

關鍵詞：“新工科”建設;人工智能;教學改革;創新能力

中圖分類號：G643.2? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）15-0129-03

近年來，我國為主動應對新一輪的科技革命和產業變革，以支撐服務創新驅動發展，提出“新工科計劃”。其中，“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”的工程教育目標是推動研究生教育課程改革的重要動力。研究生智能教育的開展和完善是我國實現智能創造的迫切需求，同時對我國在2030年成為全球人工智能創新中心的戰略目標具有重要意義[1]。

自人工智能概念的第一次提出，理論和技術不斷發展，其應用領域也不斷擴展，該課程所培養的學生具備很強的工程性和實踐性，為高新技術研究及產業發展提供人才支撐。將新工科的建設理念與人工智能教學實踐相結合，對該課程在教學內容、教學方法和教學模式上進行變革，重點應放在如何緊跟技術發展的趨勢，在理論和實踐結合的基礎上，摒棄單一的教學方法和模式，根據實時教學情況修改和更新課程內容。

一、新工科，新智能

“新工科”的新在于“存量更新”和“增量補充”，新型工科專業屬于“存量更新”，新生和新興工科專業屬于“增量補充”[2]。未來新工科不僅僅涵蓋工程領域，各個專業領域之間的關聯更為緊密，彼此依靠、協同發展成為一種趨勢。因此，新工科發展面臨的首要問題就是應解決不同學科之間交叉融合產生的復雜工程問題。

現今社會各個領域的發展與人工智能的關系愈發緊密，對于不同領域專業知識的融合，教育逐漸顯現出其在人工智能發展歷程中發揮的重要作用。在高校中建設人工智能課程是為滿足市場不斷增長的需求，專門建立一門課程體系乃至專業，對培養新一批擁有創新型思維、交叉融合多學科、具備高水平能力的人才至關重要。

人工智能課程的“新”應從基礎課程出發，建立獨立的課程體系，在教學過程中穿插區別于傳統教學方法的培養模式。教師應摒棄課程的目的在于知識傳授、以單一的考試測評作為評判學生水平高低的標準的傳統觀念，秉承“授人以漁”的教學態度。基礎課程應聚焦于人工智能前沿技術，及時更新知識點，以多角度切入不同領域人工智能的應用，靈活運用慕課、微課等授課手段，實現師生交互式教學，提高學生參與度，充分調動創造性和積極性，營造奮發向上、積極進取的良好創新環境。

二、“智能”培養

作為一種新型的交叉學科，人工智能發展迅猛的關鍵在于其與其他學科的融合率高、對不同學科的發展建設起到極大的推動作用。人工智能發展迅速的時代背景對人工智能的教學提出新要求：注重實踐和理論的結合，在傳授基礎理論的同時，緊跟前沿技術的發展趨勢;根據具體問題及時更新知識點，淘汰過時的理論，提高教學效率;建立完備的教學資源庫和完善的培養模式以保證整體教學質量;明確培養目標，為今后人工智能發展提供高水平的人才支撐[3]。為滿足人工智能發展的要求，本文著重討論從教學內容、教學手段和培養模式三個角度變革進行討論，建設具有創新色彩和質量保證的課程教學體系。

（一）優化教學內容

作為一門課程的基礎，教學內容的選擇是人工智能教學首要考慮的問題，適宜的教學內容可以使得教學的效果取得事半功倍的效果。對于人工智能教學內容的選擇，基礎理論可以幫助迅速了解人工智能的起源發展以及充分理解基礎理論的表達和推理，奠定良好的專業知識基礎。前沿技術的概述則能夠以實際應用展現人工智能與其他領域的結合點、切入點，為以后現實問題的提出和解決培養創新性思維。

（二）拓寬教學手段

教學手段總是隨著課程體系的建設變革而不斷創新和增加，根本目的在于充分調動學生的積極性，培養創新思維。改變教學方式，提高學生的參與度是目前教學面對的根本問題。

人工智能的學科性質決定了在教學過程中運用新型技術和新穎的方式更能引起學生的興趣，對于課堂互動式教學，可采取的教學手段包括課堂辯論、網絡實驗以及運用成熟的教學應用程序（例如慕課）等等。鼓勵他們參與到教學過程中，增加師生之間的溝通，及時向教師反饋教學存在的問題，從而提高教學的效率。

（三）完善培養模式

對于培養模式，首先明確培養方向和教育理念，實行教學和研究結合，將實踐作為教學過程的重要組成部分;其次，引導學生培養獨立探索、主動求解的思維，鼓勵學生提出自己的主張，調動學生進行科研的主動性和積極性;突破傳統的教學方法，在教學過程中探索教學方法和拓寬教學手段，與時俱進的調整教學內容;針對研究型、應用型、綜合型等不同方向建設教育模式;嚴格把控教學過程，建立多層次的教育質量評估體系，反饋教學過程中存在的問題，促進模式變革的良性發展[4]。

三、教學改革的實踐

蘭州理工大學十分重視學生的創新實踐能力，在對國家“新工科”建設理念進行剖析以及對人工智能課程改革中涉及的教學手段和培養模式進行研討后，教研組認為必須適當增加人工智能課程教學過程中科研討論和專題討論的強度;引導學生積極參與課程實踐，以實踐促進對基礎理論知識的吸收，培養學生獨立學習和融匯多學科交叉應用的能力;充分利用本校工程類強項專業的優勢，將人工智能的理念與其他專業課程內容緊密結合，讓學生更直觀的了解人工智能在其他領域的應用以及實現方法。

（一）教學目標和大綱

人工智能課程的根本目的在于介紹如何通過計算機來實現模擬人類智能，對于課程的設置應讓學生了解人工智能的概念、發展歷程以及國際人工智能的主要流派和研究情況，熟悉人工智能的研究領域，熟練掌握知識表示的各種方法、基本原理、算法、設計語言、編程環境和系統技術，熟悉人工智能的主要應用領域等基礎知識。教學大綱內容以實際問題與人工智能相關理念結合為切入點（見下表）。

（二）課程組織和實施

本課程的教學分為兩個部分：理論教學和實踐教學，共計8周。理論教學以相關概念、基本原理、算法、設計語言、編程環境和系統技術的傳授為主;實踐教學則以基礎方法的實現和結合相關應用的實際問題解決為出發點進行制定。理論教學部分采取課堂上教師講授基本理論和案例教學的方式，對基礎知識進行講解，歷時6周;實踐部分采取實際問題布置，提交學生個人研究方案，并對課題進行總結和優化，歷時2周。

第一階段，教師講授。課堂上講授人工智能的相關專業知識，并對具體案例進行專題分析。每周4課時，歷時3周。

第二階段，個人子課題和小組選題。教師引導，學生自主查閱資料、調研、團隊交流，確定研究方向，擬定選題。課上2課時。

第三階段，研究方案擬定。學生設計研究方案并對其進行調整和優化，提出設計思路，步驟、需求分析和進度規劃。歷時一周，課下進行。

第四階段，匯報研究方案。課上匯報研究方案，教師進行指導調整。歷時4課時，課堂教學部分結束。

第五階段，研究課題實施。學生對研究方案進行優化調整、實施，并提交最終方案總結報告和設計成果。教師對課題研究進行審核，提出方案存在問題并給出意見。歷時3周，12課時。

（三）科研訓練和實踐創新

培養學生利用課下時間學會獨立獲取知識的能力至關重要。鼓勵學生廣泛閱讀國內外人工智能相關文獻，積極參與科研論壇和學術交流，在共享資源的環境中提高學生自主發現問題、分析問題、解決問題的能力。提倡學生參加科研競賽，學以致用，鍛煉學生面對實際問題的分析決策能力[5]。

在實踐創新方面，要求學校建立完善的實踐環境，引導和培養學生參與到項目創新中;增加實踐課的設置，鼓勵學生參與科研訓練和創新項目，將課程的理論性和應用性結合，結合基礎知識點分析案例，重點突出項目實訓和實踐操作的作用。引導學生在學習和實踐的過程中，培養出獨立自主、創新發展的思維。

（四）考核方式

基于本課程的目的在于充分調動學生實踐創新的積極性以及掌握人工智能的專業知識，培養學生獨立學習和實踐能力相結合的綜合素養，采取結課考試和平時成績相結合的考核評價方式。結課考試占60%比重，平時成績占40%比重。其中，平時成績的考核包括課題研究和教師評價，課題研究成績占70%，成績設定為優秀、良好、及格和不及格四個等級，比例控制在10%、35%、45%和10%。

四、結束語

人工智能的發展是隨著時代的發展和技術的進步而變化，本文從高校角度出發進行課程體系變革的探討，為新時期如何培養創新型人才和新時期的工程教育變革提供參考。

參考文獻：

[1]李德毅，馬楠.智能時代新工科——人工智能推動教育改革的實踐[J].高等工程教育研究，2017，（05）：8-12.

[2]林健.引領高等教育改革的新工科建設[J].中國高等教育，2017，（Z2）：40-43.

[3]游曉明.新工科背景下人工智能課程教學改革與實踐[J].福建電腦，2019，35（01）：59+62.

[4]徐曉飛，丁效華.面向可持續競爭力的新工科人才培養模式改革探索[J].中國大學教學，2017，（06）：6-10.

[5]馬曉雨，生龍.新工科背景下引入人工智能理念的“結構概念與創新設計”課程的構建[J].高教學刊，2019，（06）：36-37+40.