人工智能實踐教學的創新探索

王旭 周晉 李雙壽

[摘 要] 人工智能正在應用到各個領域，成為新一輪科技革命和產業變革的核心驅動力，因而急需大量的應用型人才。高校是我國人工智能人才培養的主要陣地，開展人工智能實踐教學是培養人工智能應用型人才的重要途徑。由于人工智能應用涉及的專業領域眾多，且學生的學科背景迥異，對人工智能產業缺乏認知，實踐教學的有效開展面臨著諸多挑戰。清華iCenter在人工智能實踐教學中，創新設計了由人工智能產業導引、應用探究、應用實踐構成的三段式教學法，并取得了良好的教學效果。

[關鍵詞] 人工智能;實踐教學;跨學科;應用型人才

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）04-0073-05? ? [收稿日期] 2020-08-27

一、引言

人工智能的迅速發展將深刻改變人類社會生活、改變世界，并正在成為國際競爭的新焦點、經濟發展的新引擎和社會建設的新機遇。2017年國務院印發了《新一代人工智能發展規劃的通知》，明確提出要把高端人才隊伍建設作為人工智能發展的重中之重，完善人工智能教育體系，加強人才儲備和梯隊建設[1]。

高校處于科技第一生產力、人才第一資源、創新第一動力的結合點。2018年教育部發布了《高等學校人工智能創新行動計劃》，提出到2025年高校要在新一代人工智能領域人才培養質量方面有顯著提升，到2030年高校成為建設世界主要人工智能創新中心的核心力量和引領新一代人工智能發展的人才高地[2]。

隨著人工智能在交通、醫療健康、教育、金融、制造業等多個領域快速應用及發展，人工智能的應用及實施急需大量的應用型人才。高校作為人才培養的主要陣地，開展人工智能實踐教學是培養應用型人才的重要方法[3，4]。麻省理工學院、斯坦福大學和卡內基梅隆大學等世界一流大學在本科生人工智能人才培養中，普遍重視人工智能人才實踐能力的培養，并為學生提供了大量的實踐機會[5]。

二、清華ICenter人工智能創新創業教育平臺

（一）平臺介紹

清華iCenter是清華大學基礎工業訓練中心建設的服務于“雙創”教育的跨學科創客實踐平臺。它聚合學校和社會相關創新教育資源，基于“I”的“工業級（Industry）、學科交叉（Interdisciplinary）、創新性（Innovation）、國際化（International）和以學生為主體（I）”，探索新時代的跨學科創新創業人才培養模式。[6，7]

清華大學人工智能創新創業輔修專業始建于2016年，是清華iCenter建設的人工智能創新創業教育平臺。它是清華大學國家“雙創”示范基地重點工程“清華大學服務于‘雙創教育的跨學科創客實踐平臺”的建設項目之一，由清華iCenter與清華大學17個院系共建而成，旨在培養人工智能應用領域的創新創業人才。

（二）培養體系

1.培養目標。人工智能創新創業輔修專業基于國家創新驅動發展戰略，面向全球共性的前沿領域，聚焦人工智能創新應用，通過導師指導下的團隊項目實踐和跨界學習，使學生掌握全球化背景下的創新創業理論、方法和工具;以創新產品開發為核心，拓展學生的創新力和領導力，培養學生的創業意識、創新精神和創造能力。

2.培養方案。人工智能創新創業輔修專業的培養方案由共同課組、核心實踐模塊、選修課組（含技術模塊、設計模塊、商業模塊）三部分組成（圖1）。其中，“核心實踐模塊”是人工智能創新創業輔修專業的核心及特色培養環節。在該模塊中，學生將在智能硬件、機器人、智能交通、智慧醫療、智慧城市五個領域中選擇一個領域，并開展人工智能創新實踐。

三、人工智能實踐教學

（一）教學設計

人工智能創新創業輔修專業的核心培養環節是核心實踐模塊，其做法是交叉學科的學生團隊在跨專業導師團隊的指導下，圍繞人工智能的典型應用場景，合作開展人工智能創新實踐。人工智能創新創業輔修根據創新實踐項目特點，靈活開設了智能硬件等五個實踐領域。

人工智能創新創業輔修專業的學生廣泛分布于全校各個院系。因專業背景的差異，他們對人工智能的認知程度參差不齊，并普遍缺乏人工智能產業經驗。針對學生特點，為讓各專業學生快速、有效地開展人工智能應用實踐，清華iCenter設計了人工智能實踐的三段式教學法（圖2）。

1.階段一：人工智能產業導引。通過本環節，引導各學科學生走進人工智能產業，建立對人工智能產業及應用場景的準確認知，建立對智慧醫療、智能交通、智慧城市等不同領域的概念認知和感性認識。

2.階段二：人工智能應用探究。引導學生在人工智能產業認知的基礎上，通過發現問題、提出問題，思考可能的解決辦法，具備能夠深入探究一個特定的人工智能應用領域的能力。

3.階段三：人工智能應用實踐。指導學生在人工智能應用探究的基礎上，選擇該領域的具體問題和產品方向，開展應用實踐，即針對人工智能應用探究環節發現問題，提出解決辦法并付諸實施。

在教學實踐中，人工智能實踐的三段式教學法分別以“人工智能產業導引”課程以及“人工智能創新實踐”系列課程為載體開展。

（二）教學內容

人工智能實踐三段式教學各階段所包含的教學內容如圖3所示。

1.階段一：人工智能產業導引。面向人工智能入門和產業認知，該階段包含團隊共建、平臺導覽、產業認知、共學共研四個教學單元。

2.階段二：人工智能應用探究。面向特定領域的縱深研究，該階段包含應用產品深入分析、文獻調研、學習專利申請、產業導師交流與指導、產業走訪與調研等多個環節。

3.階段三：人工智能應用實踐。面向問題及方案的解決與實踐，該階段包含組隊及選題研究、開題答辯、原型設計與實施、中期匯報、方案修正及完善、成果匯報及展示等多個環節。

（三）人工智能產業導引課程

“人工智能產業導引”課程是人工智能創新創業輔修專業首個學期的必修課，也是人工智能實踐三段式教學法第一階段的實施載體。它通過團隊共建、平臺導覽、產業認知、共學共研四個環節的交互作用，帶領學生走進智能硬件、機器人、智能交通、智慧醫療、智慧城市等多個領域，逐步深入了解并思考人工智能的可能應用及對各領域帶來的變革，并開拓學生的思路，為接下來在階段二和階段三開展應用探究和應用實踐奠定認知基礎和團隊基礎。

（四）人工智能創新實踐系列課程

人工智能創新實踐系列課程，是人工智能創新創業輔修專業第二、第三學期開展的必修課，是人工智能實踐三段式教學法中的階段二（應用探究）和階段三（應用實踐）的實施載體。它根據人工智能創新創業輔修專業的五個領域劃分，由智能硬件、機器人、智能交通、智慧醫療、智慧城市五個系列的課組構成（表1），分別在兩個學期連續開展。

通過人工智能實踐系列課程學習，學生將充分體驗、深刻理解并深入研究某一領域中的現存問題，從而反思現狀，認識行業背景，了解產業結構。通過動手實踐解決方法和產品方案，學習和掌握人工智能技術及交叉領域結合問題的處理方法。

1.智能硬件專業創新實踐。本領域的創新實踐，主要針對智慧生活、工作、學習、健康、交通、環境等領域的需求，以人機交互設計與智能科技為依托，以產業化為導向，探索智能硬件產品的未來方向。通過創新實踐，學生將學會運用嵌入式產業最新的技術工具，掌握智能硬件的設計方法和基本技能，完成一款智能硬件產品原型的設計與實現，并嘗試實踐其市場化的推廣，從而全面提高學生在智能硬件領域的創新創業實踐能力。

2.機器人專業創新實踐。本領域的創新實踐主要針對服務、娛樂、教育、軍事等方面的需求，以機器學及人工智能技術等前沿技術為依托，以產業化為導向，探索具有創新性的機器人產品設計與原型技術并實現技術向生產力轉化。創新實踐注重銜接和綜合運用團隊成員跨界學習人工智能創新創業輔修專業所開設課程的理論知識和專業技能，要求項目團隊完成用戶調研、需求分析、結構設計、原型開發、實驗驗證和初創企業策劃等六個實踐環節，全面提高學生在機器人領域的創新創業實踐能力。

3.智能交通專業創新實踐。本領域的創新實踐針對智慧城市背景下人們日益頻繁而又個性化的出行需求，以及日益突出的交通擁堵、交通安全及交通污染問題，從管理決策者、運營維護者及參與使用者的不同視角，探索智能交通領域包括模式、服務、設計等在內的產品發展方向。創新實踐以完成一種新型交通出行手段/技術/商業模式開發為目標，要求項目團隊結合社會需求和科技發展的趨勢，探索智能交通領域的未來方向，并通過指導學生團隊完成用戶調研、需求分析、系統設計和初步的原型開發以及產品市場推廣，全面提高學生在智能交通領域的創新創業實踐能力。

4.智慧醫療專業創新實踐。本領域的創新實踐針對廣大人民對健康、高質量生活的向往和老齡化社會對疾病精準高效的預防和診療需求，以人工智能、生物醫學工程和基礎臨床醫學為依托，探索遠程、智能和精準的疾病預防和診療技術和應用模式。創新實踐以學生為中心，以完成一項智慧醫療項目為目標，關注學生的創新激情，幫助學生了解醫療健康技術產業趨勢，認識該領域的前沿創新，開展智能技術與醫療健康的交叉的科研活動及產品開發，全面提高學生在智慧醫療領域的創新創業實踐能力。

5.智慧城市專業創新實踐。本領域的創新實踐針對城市、建筑、環境、景觀、水務、能源等應用場景，應用物聯網技術及泛在IoT網絡等，小尺度關注智慧家居、智能建筑設計、智能電力及能效需求側管理、設備管理及建筑節能等，中尺度聚焦智慧化城市環境、景觀、智能新能源發電的設計、監測與管理，大尺度探索城市大數據的挖掘及智慧化、系統化應用，總體基于前瞻性視角，以產業化為導向，強調參與性、創新性、應用性，探索多尺度的人居環境問題的創新解決策略。創新實踐致力于學生創新能力的持續成長和價值提升，學生通過智慧城市專業的創新實踐，能夠運用智慧城市認知與新數據方法，開發出智慧城市建設模型，并初步提出建造智慧城市與智能公共空間與設施的方案，從而全面提高在智慧城市領域的創新創業實踐能力。

（五）教學支撐

為支撐跨學科人工智能創新創業人才培養體系充分實施，清華iCenter與17個院系共建了由40余名校內導師組成的師資團隊，并形成了穩定的跨學科交叉教師團隊的工作氛圍和工作機制。

為支撐人工智能實踐有效開展，清華iCenter針對五個領域分別建設了智能硬件實驗室、機器人實驗室、智能交通實驗室、智慧醫療實驗室、智慧城市實驗室等五個實驗室。各實驗室不僅向學生提供學習空間、實踐場地、實驗材料與設備以及加工服務，還配備了專業、充足的實驗室師資隊伍，以支持學生開展創新實踐和實驗。

四、教學實施

截至目前，人工智能創新創業輔修專業已開展四屆，培養學生近200余名。通過調查人工智能創新創業輔修專業的學生的學習意向可知，91%的學生對繼續深入學習人工智能抱有濃厚的興趣。從學生分布看，廣泛分布于全校30個院系，涵蓋工科、理科、文科、醫科、設計等各大學科（圖4）。

隨著人工智能實踐三段式教學法的實施，學生對核心模塊人工智能創新實踐的滿意度，從初始的35%上升至80%（圖5），開展創新實踐項目50余項。伴隨人工智能實踐的開展，學生發表的專利、論文、參賽獲獎數目達30余項。

五、總結

人工智能已跨界到各領域，成為產業升級的重要驅動力。基于人工智能的創新創業能力是當代學生重要的競爭能力之一，也是學生服務于國家及社會發展需求的重要素養。清華大學iCenter創建了人工智能創新創業輔修專業，并創新設計了人工智能實踐的三段式教學法，科學引導各專業學生有效開展人工智能應用實踐，并結合各自的專業優勢尋找創新的解決辦法，取得了良好的教學效果和一定的社會影響。

參考文獻

[1]國務院.關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[EB/OL].[2017-07-08].http：//www.gov.cn/zhengce/content/

2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]教育部.關于印發《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知[EB/OL].[2018-04-03].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t20180410_332722.html.

[3]Stanford University.Artificial Intelligence and Life in 2030：Report of The 2015 Study Panel[EB/OL]. [2018-08-20].https：//ai100.stanford.edu/sites/default/files/ai_100_report_0831fnl.pdf.

[4]王婷婷，任友群.人工智能時代的人才戰略——《高等學校人工智能創新行動計劃》解讀之三[J].遠程教育雜志，2018，36（05）：52-59.

[5]耿樂樂，符杰.世界一流大學人工智能本科人才培養模式及啟示——基于麻省理工學院、斯坦福大學和卡內基梅隆大學的比較分析[J].現代教育技術，2020，30（02）：14-20.

[6]李雙壽，李樂飛，孫宏斌，楊斌.“三位一體、三創融合”的高校創新創業訓練體系構建[J].清華大學教育研究，2017，38（02）：111-116.

[7]李雙壽，楊建新，王德宇.高校跨學科創客教育平臺建設理念及實踐[J].現代教育技術，2017，27（08）：109-114.