大數據背景下人工智能專業課程教學改革研究

李祥霞 賀敏偉 張莉 陳佩冬

[摘 ? ?要] 隨著計算機技術的高速發展，大量的數據信息使人們進入了大數據時代。在大數據背景下，龐大的數據信息致使傳統的數據處理和分析方法已遠不能滿足新需求，人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）作為計算機中的新型科學技術也就應運而生，并取得了飛躍式發展。教育作為專門培養技能型創新人才的產業，也應與人工智能高度融合發展及應用創新。文章分析了人工智能專業教學模式、課程實踐教學及課程考核方式等存在的問題，并進一步對此專業課程建設進行思考與探討，提出了相應的教學改革建議。

[關鍵詞] 人工智能;教學改革;教學模式;實踐教學;考核方式

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 23. 086

[中圖分類號] G642 ? [文獻標識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2020）23- 0212- 04

1 ? ? ?引 ? ?言

近年來，隨著物聯網技術、云計算、人機交互及移動互聯網等新一代信息技術的迅速發展，大數據時代也隨之而來。大數據已經滲透到人們日常生活的各個領域，由此產生了龐大的數據信息。研究大數據最重要的意義是通過對海量數據的分析和挖掘，從中發現新知識、創造新價值、提升新能力、提高新產品。傳統的數據處理方法已經無法滿足日益增長的數據處理和分析需求，因此人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）技術應運而生。人工智能是計算機科學的一個分支，是一門研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的新學科。

國務院在2017年發布了《新一代人工智能發展規劃》，提出了我國在2030年人工智能發展的指導思想、戰略目標、重點任務及保障措施，將人工智能發展正式上升為國家戰略，將不斷完善人工智能領域學科布局，設立人工智能專業，推動人工智能領域一級學科建設。人工智能的應用領域覆蓋范圍極其廣闊，尤其是在計算機視覺、自然語言處理、語言識別、醫療影像、機器人及信息檢索等領域得到了廣泛應用，并取得了一定的突破性進展，已經成為一些高新技術產品的核心技術。

人工智能的發展已經成為不可抵擋的潮流趨勢，其與教育的融合創新發展勢在必行。教育部2018年在北京大學舉行了中國高校人工智能人才國際培養計劃啟動儀式，進一步完善中國高校人工智能學科體系，推動人工智能一級學科建設。同年，教育部制定了《高等學校引領人工智能創新行動計劃》，積極推動高校人工智能領域科技創新體系的優化和人工智能領域人才培養體系的完善[1]。

國內外很多高等院校已經開設了人工智能相關課程，尤其是人工智能專業、自動化專業、機械專業及大數據專業，已經將一些人工智能課程列入重要的基礎課程。全球共有367所具有人工智能研究方向的高校，美國擁有168所，占據全球的45.7%。加拿大、中國、印度、英國位于第二梯隊。2017年，中國科學院大學成立了國內首家人工智能技術學院，是我國人工智能技術領域首個全面開展教學和科研工作的新型學院。隨后，中山大學成立了智能工程學院。緊接著，南京大學、浙江大學、天津大學、南開大學、吉林大學、西安交通大學、哈爾濱工業大學及上海交通大學等知名大學相繼成立了人工智能學院，旨在促進智能高科技人才培養與產業發展、促進我國人工智能技術的創新突破和產業應用。人工智能學科研究范疇包括知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動程序設計等方面[2]。

《中國新一代人工智能發展報告2019》中數據顯示，截至2018年底，全球共成立人工智能企業15 916家，我國人工智能企業數量為3 341家，位居世界第二位[3]。預計到2020年，中國人工智能核心產業規模將超過1 600億元。教育統計機構發布數據顯示，人工智能人才缺口將超過500萬人，供需比例為1∶10。在未來很長的一段時間內，人工智能專業的優秀人才都是企業爭奪的重要資源。

隨著人工智能的不斷推進，人工智能專業教育迎來了挑戰，也帶來發展的機遇。教育部要求，各高校應根據人工智的專業特點，提出探索“人工智能+X”的人才培養模式，特別是對人工智能基礎、機器學習、神經網絡、模式識別、計算機視覺、知識工程、自然語言處理等主干課程的建設[4]。人工智能教學需要理論與實踐相結合，高校對人才進行培養時，既要鞏固基礎的理論知識，也要緊跟學科發展時代步伐，需要根據人工智能人才的需求對課程目標及內容不斷更新。因此，對人工智能專業課程教學的研究具有十分重要的價值。本文通過對人工智能專業的教學模式、實踐教學及考核方式現狀進行了分析，并提出了相應的改革建議。

2 ? ? ?人工智能專業教學現狀分析

2.1 ? 專業教學模式現狀分析

傳統的教學模式主要是班級集中授課形式，固定時間、固定教室及固定教材，以教師為主體、學生為客體，教師向學生填鴨式單向傳授知識，學生機械式接受，這種教學方式使得教學過程單調無味、枯燥生硬、教學氛圍沉悶壓抑，學生的學習積極性和主動性不高。此外，這種教學模式使得教師無法兼顧不同層次水平學生的要求，也無法滿足學生個性化發展的需求。

不同與其他的計算機課程，由于人工智能是一門多學科的交叉的綜合性學科，其課程具有內容較豐富、涉及知識面較廣、概念較抽象、理論較強等特點，這使得學生在人工智能課程學習時困難重重。但是，大部分高校教師目前依然采用這種傳統教學模式，造成學生在人工智能課程學習中感覺更加枯燥無味、參與度較低，從而達不到預期的教學效果。為了激發學生對人工智能課程的專業知識學習熱情和興趣，探索和研究對人工智能課程學習的教學方式勢在必行。

2.2 ? 專業實踐教學現狀分析

專業實踐教學是整個本科教學活動中的重要的環節。專業實踐教學是理論聯系實際的重要教學方法，不僅能夠訓練學生掌握科學實驗方法和創新思維能力，而且能夠提高大學生的動手能力、分析問題及解決問題能力。此外，專業實踐教學使學生從枯燥沉悶的課書條例中解放出來，通過情景的學習過程使學生視野開闊，拓寬就業渠道，更好地適應時代和社會發展的需求。

對于實踐和應用性較強的人工智能專業，實踐教學環節起著非常重要的作用。與國外一些高校相比，我國高校的人工智能教育起步較晚，實踐教學環節的建設尚不成熟和完善，存在很多弊端及跟風建設。我國大部分高校在人工智能課程構建中存在重知識輕能力、重理論輕實踐的現象。例如，在64個課時的課程安排中，理論課堂講授一般占48個課時，實驗教學僅占16個課時。此外，實驗課程教學中存在缺乏綜合性、專業性及工程應用性薄弱等問題，這使得學生在實踐中不能真正做到學以致用。

實驗課上教師自己編寫實驗大綱，要求學生獨立完成每一個實驗，然后在規定時間內將實驗報告發到老師郵箱。這種實驗上課方式局限于上機操作，實驗內容單一、脫離了企業的實際，不能滿足社會和企業對人工智能應用型人才的新需求。

2.3 ?專業考核方式現狀分析

大學課程成績是高等教育的重要組成部分，對各門課程的考核方式不盡相同，這也是各高校教學改革的一個重要方面。目前，人工智能專業的課程考核方式多偏重于教材上理論知識點的考察，記憶性知識所占有相當大的比例。大部分人工智能專業課程的總評成績計算方法如下：總評成績=期末考試70%+考勤10% +課程實驗10%+作業10%。

在人工智能專業教學中，教師特別強調對學生專業知識的培養，期末考核的重點也是對該專業課程的概念、原理及算法的掌握，并且大部分試題考試參考答案唯一，學生為了填寫標準答案需要靠死記硬背來應付考試，造成了高分低能的現象。此外，這種考試方式極易使學生出現枯燥乏味、抽象難懂的感覺，甚至使學生產生厭學情緒。

3 ? ? ?人工智能專業教學改革

3.1 ? 專業教學模式改革

針對人工智能教學中教學模式存在的問題，結合人工智能專業課程的特點，我們提出了以下幾點改進建議：

（1）人工智能教學需要將傳統的以老師為主體的講授式教學模式轉向以學生為主體的教學模式，引導學生自主學習。在課堂上，教師應著重培養學生獨立思考、邏輯思維和創新思維。在人工智能教學過程中，教師要主動提出該學科一些科學問題及研究前沿問題，營造支持、鼓勵的課堂氛圍，啟發學生自主思考，并鼓勵學生大膽猜想，提出自己的解決方法和設計方案。此外，通過課堂測試、案例分析、小組討論、演示報告和小組對抗賽及小組項目等多樣形式，讓學生對人工智能理論和知識點進行串聯和掌握，同時讓大家相互交流自己項目設計的心得和體會，教師可以對一些創意性項目給予充分的肯定和支持，并提出相應的指導性意見，激發學生的積極性和教師的教學熱情。此外，老師與學生之間進行相互討論交流，促進師生教學相長，學生與學生之間相互切磋、相互鼓勵及相互促進，學生學習的主動意識和參與意識能得以強化，學習的積極性得以提高。

（2）人工智能教學需要對不同層次的學生展開因材施教和個性化教學。在教學過程中，教師通過設計不同層次的問題滿足不同層次學生發展的需求，提高教學的整體質量。教師通過組織學生進行不同層次的內容和實驗，鼓勵學生從多角度、多方面發現和考慮問題，大膽提出新穎想法，有意識地鼓勵優秀學生對問題進行較深層研究，并輔助他們將其研究成果發表在國內外學術期刊上。除此之外，在實驗設計過程中，教師應當適當引導有興趣的學生開展探索性、創新性的實驗項目，尊重和發揮學生的個性優勢，從而達到因材施教的教學效果。與此同時，教師對學習較差的學生則需要進行“補差”，幫其分析所存在的具體問題，并進行具體針對性的指導。

（3）人工智能教學需要結合翻轉課堂+慕課的教學模式，不拘泥于課本內容，拓展和延伸教學內容。“互聯網+”背景下，“慕課+翻轉課堂”互聯網教學模式充分發揮了互聯網信息技術的優勢。例如，哥倫比亞通過與 MOOC、EDX 合作在線上發布自己的課程，學生可根據興趣進行選擇，包括人工智能課程，以及機器學習、機器人、動畫和 CGI 動作課程等。教師可以建設本專業課程的網站，電子課件、教學計劃、教學視頻、電子教案及習題和案例庫等可以在網上公開，學生可以通過瀏覽網站自由下載，讓學生形成自主預習、學習和思考的習慣，迅速吸收和理解新知識。此外，該網站可以進行在線交流，學生將疑難問題進行反饋，教師借此將學生問題進行總結、答疑，然后反饋到課堂上，從而完善線上教學資源。這種課堂教學方式由于不受時空的限制，使學習交流更加方便，實現了實時交互，提高學生參與學習的主動性和積極性。

（4）研討會已經成為高校課程實施的主要形式，已經成為學生獲取新知識的一個重要途徑。在人工智能教學中，教師需要舉辦一些研討講座。通過專家講座平臺，學生將聽到的學術內容進行相互討論和交流，使得不同學術觀點相互碰撞，拓展學生的視野和知識面，挖掘學生的思考和創新潛力，從而提高人工智能專業課堂質量。

3.2 ? 專業實踐教學改革

新一輪信息技術課程改革提倡，大學教學要適應信息時代的素質教育，要立足于實踐經驗，引導學生運用已學知識去發現、分析和解決實際問題，培養學生的創造力和社會實踐能力。而人工智能專業作為一門實踐性和應用性很強的學科，以培養學生的工程能力為目標，對傳統實踐教學的改革勢在必行。針對人工智能教學中實踐教學存在的問題，結合人工智能專業課程的特點，我們提出了以下幾點改進建議：

（1）在人工智能課程安排上，應該注重理論與實踐相結合，適當調整理論課時與實驗課時的課時比例，逐漸提高實驗課時占人工智能課時的比例。這種融入了充足的實驗課的人工智能課程，切實做到理論與實踐相結合，有助于學生對人工智能基本概念和理論的理解，掌握基本算法和技術，從而達到教學目的。

（2）教師適當開展赴知名人工智能公司和先進實驗室參觀學習的實踐活動，了解我國人工智能應用發展現狀和未來發展趨勢，這有利于鼓勵學生學好專業知識，更大限度地把所學知識與生產實踐相結合，增強學習效果，為未來擇業打下堅實基礎。

（3）哥倫比亞的人工智能專業的課程要求學生不僅上課，而且要在實驗室進行研討會和交流匯報，課下要自己制作機器人，教師也會在要求上完課和參觀完實驗室之后要進行自己的實際操作。我國可以借鑒國外先進的教學經驗，可以適當給學生一些課外作業，進一步培養學生的思維能力和基本技能。

（4）人工智能專業實驗課中，教師可以采取校企合作的方式進行授課。在實驗課教學中，教師不僅僅局限于上機操作，根據企業人才的需求，確定培養方案和實驗計劃，將社會和企業需求與教學培養進行無縫接的融合，真正做到將綜合運用所學的專業知識與校外實踐結合起來，相互貫通。

3.3 ? 專業考核方式改革

人工智能課程的考核方式應該采用多元化的考核方式。平時成績除了包括課堂表現、課堂測試、課堂出勤、作業及實驗報告以外，教師還應該對學生在課堂和實踐課上的創意性和研討會表現進行評分。研討會分制化國外發達國家早已經有先例，美國的佛羅里達州立大學開設了圖書館和信息科學歷史基礎研討會（3學分） 、理論發展研討會（3學分） 、信息研究研討會（3學分） 、LIS（ Library and Information Science）研討會（3學分） 等，均體現了學生交流討論的人才培養模式[5]。

在人工智能課程的實踐課上，除了對學生項目實驗報告形式進行評價，還應該對學生的設計方案、設計過程、實驗效果、實驗代碼及個人表現進行評價。此外，教師還可以采用自評和互評的形式對學生實驗項目成果進行評價，并通過討論會形式進行綜合評價，激發學生的自主學習能力和積極性。

4 ? ? ?結 ? ?語

本文闡述了人工智能專業建設中教學模式、實踐教學及考核方式的發展現狀，并提出了相應的改革意見，以適應大數據時代的發展。大數據背景下，對人工智能專業發生了潛移默化的影響，加速了人工智能教學的變革，各高校教師應該順應時代發展的潮流，抓住機遇，借鑒外國人工智能先進經驗，在課程建設方面不斷創新，適時調整，從而培養出適應社會和企業需求的創新型和復合型人才。

主要參考文獻

[1] 教育部. 教育部關于印發《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知[Z]. 2019-04-03.

[2] 羅定生，李文新，鄧志鴻，等. 北京大學人工智能課程教學改革與實踐[J]. 計算機教育，2019（10）：3-8，15.

[3] 中國產業信息網. 2018年全球AI人才發展概況及市場需求預測[EB/OL].http：//www.chyxx.com/ industry/ 201803/621923. html.2019-04-03.

[4]謝和平. 以創新創業教育為引導全面深化教育教學改革[J]. 中國高教研究，2017（3）：1-5.

[5]蘭柳. 哥倫比亞大學人工智能專業課程體系研究[J]. 經濟師，2019，361（3）：210-211.