《智能科學技術導論》課程教學改革研究

田中大，張志佳，張娜，孫平，張俊，李冬

（沈陽工業(yè)大學 人工智能學院，遼寧 沈陽）

一 引言

作為一門新興的學科，智能科學與技術專業(yè)在2004年成為試點專業(yè)，并于2012年作為正式專業(yè)而被教育部承認。作為一門融合了自動化、電子科學與技術、人工智能、網絡技術等多種學科的專業(yè)，智能科學與技術在這些學科基礎上，實現對信息的采集、處理、傳送、控制、優(yōu)化等目的。畢業(yè)的學生可以完成智能科學技術與工程相關行業(yè)的研究、開發(fā)以及管理工作，專業(yè)的目標是培養(yǎng)具備現代創(chuàng)新科學意識的高級科研與技術人員[1]。截至2021年，全國包括南開大學、北京科技大學、北京郵電大學、大連海事大學等142所院校設立了該專業(yè)[2]。2010 年，作為新增專業(yè)，沈陽工業(yè)大學的智能科學與技術專業(yè)獲教育部批準，并于次年開始招生。專業(yè)建設基礎為信息科學與工程學院控制理論與控制工程、系統(tǒng)工程碩士點。2020年沈陽工業(yè)大學在智能科學與技術專業(yè)的基礎上成立人工智能學院，深化人工智能技術的基礎研究與技術應用。由于智能科學與技術專業(yè)開設時間較其他成熟本科專業(yè)相對較短，對于如何建設該專業(yè)，國內各個學校都在不斷地進行改革與實踐。

圖1為智能科學與技術專業(yè)特點，從中可知其具有多學科交叉、多技術綜合、跨領域應用的特點。

圖1 智能科學與技術專業(yè)特點

在智能科學與技術專業(yè)的課程架構體系中，《智能科學技術導論》是專業(yè)的基礎課，從學生實際需求角度出發(fā)，科學、系統(tǒng)地介紹學科中所包含的基礎知識，使學生對本專業(yè)產生一個整體認識，初步了解本專業(yè)及相關學科領域所涉及的知識，對專業(yè)的其它課程起到一個綜述的作用[3]。故而，研究并探討該課程教學策略的改革具有十分重要的意義。

二 《智能科學技術導論》教學現狀

沈陽工業(yè)大學智能科學與技術專業(yè)從2016年開始設置《智能科學技術導論》，通過3年多的授課效果的調查發(fā)現該課程的教學效果不算特別理想，因此2020年對課程進行了改革，課程效果不理想的主要原因在于以下幾個方面。

（一）教學內容太寬泛

智能科學與技術是多個專業(yè)交叉融會的專業(yè)，需要學習很多相關的學科知識，如數字信號處理、運籌學、智能傳感技術、無線傳感網絡、機器人運動控制、大數據技術等，這些課程與知識涉及的領域非常廣泛，知識的覆蓋范圍很廣，教學內容分散，需要的背景知識多，同時很多課程之間的緊密性不強。而這些知識都需要在《智能科學技術導論》課程中進行介紹，這就導致教學內容與學時量之間的矛盾。因此如何在有限的教學周內向學生講授學科內的重點知識是每個老師所面對的問題。如果不能在寬泛與集中之間找到一種平衡，那勢必會影響課程的講授質量。

（二）學生知識儲備不足

本校的課程設計中，將《智能科學技術導論》課程開設在大二上學期，學生在一年級學習的都是高等數學、英語等基礎課程，缺乏對專業(yè)背景的了解，對于相關的基礎知識缺乏認知。這導致學生的學習習慣、學習方式以及對學習內容的把握不適合專業(yè)基礎課的講授。教師講授過程中如果側重基礎理論的講解，學生無法深入理解，同時這些內容可能在后續(xù)的課程中會專門講授。相反，如果側重應用的介紹，學生對基礎知識沒有相應的學習，無法了解應用過程的必要性和如何實現。因此，教師如何在授課過程中平衡理論與應用的平衡，使得學生在整體上對智能科學與技術專業(yè)有整體的認知是一個重要問題。課程目的是使得學生能夠在課程中熟悉并掌握學科的基本知識點，為之后在專業(yè)課的學習中夯實下堅固的基礎。

（三）教學方式陳舊

現在高校課程依舊以傳統(tǒng)課堂教學為主，通過教師的講授使得學生理解課程的內容。如今雖然部分課程采用的是多媒體授課，但是其弊端比較突出，那就是教學的機械性，教師無法獲知學生是否有效地掌握了學習的知識，而且也不能把教學質量與人才培養(yǎng)方案有效結合。老師采用的是注入式的教學方法，對于提高學生的學習興趣與創(chuàng)新能力幫助很小，導致學生基礎知識學習的不夠深入，無法延伸知識的體系，對于學生理解課程學習內容沒有裨益。

（四）學生學習積極性不高

在教學過程中，察覺到大多數學生缺乏在大一就應具有的有關智能科學技術領域的基礎知識，也沒有正確的學習方法，對本專業(yè)的專業(yè)知識缺乏更深層次的理解，甚至有的學生對其完全陌生。

在導論課程的學習過程中，感覺學習的知識都是陌生的，不知道如何將這些知識與后續(xù)的專業(yè)課程進行關聯。最后導致對課程學習沒有興趣，嚴重的甚至認為自己不適合智能科學與技術專業(yè)，轉向其它感興趣的專業(yè)。

（五）教材存在滯后性

在如今的《智能科學技術導論》課程中，其中涉及的知識體系比較復雜，使用的教科書中理論知識較多。現如今是一個信息化的時代，人工智能技術更新比較快，在使用的教材中不能及時寫入最新的智能科學理論知識，所以教材的內容有滯后性。對于大多數學校而言，在選擇《智能科學技術導論》教材版本中，從實際出發(fā)，一定程度上不能夠滿足學生的需求，而且版本眾多。有的側重計算機學科，有的側重自動化學科，而有的側重腦科學，沒有實現內容的均衡，這都會使教學效果不好。

三 《智能科學技術導論》課程改革策略

《智能科學技術導論》的教學不應該一成不變的，應該根據內外部環(huán)境的變化而變化。同時，智能科學與技術專業(yè)側重于實踐能力的提升，因此教學中理論與實踐相輔相成，進一步的教師應該充分選擇先進的教學方式或者教學手段，加深對課程的改革程度，推動課程教學策略與課程建設的進一步完善與發(fā)展。

（一） 修訂大綱，明確教學目標

舊的《智能科學技術導論》的教學大綱與正常基礎理論課的教學大綱很相似。大綱中首先是介紹課程的教學目的、然后給出各個章節(jié)及其對應學時、給出需要介紹的各個知識點的難點和重點。為了使得教學大綱更加合理，對教學大綱內容和結構進行了修訂，更能體現課程的教學目的。修改后的大綱包括5個內容，分別為課程目標、教學環(huán)節(jié)及其對應學時、教學內容與教學組織、課程考核與成績評定、教材及書目。新舊大綱的對比如下表1。同時將課程安排在大二下學期進行講授，在一年安排講座、參觀、交流等活動，增加對專業(yè)知識的儲備。

表1 新舊大綱對比

（二）課程內容設計

考慮到智能科學與技術專業(yè)是綜合性學科特點，因此《智能科學與技術導論》課程教學需要以學科內容內涵為中心，重點是學科的基礎知識、核心研究問題、主要方法、熱點技術及前沿的應用等[4]。改革后的教材內容涉及意識識別、算法結構、智能系統(tǒng)、機器人等諸多方面。講授內容對專業(yè)需要的最基礎的知識全面地進行了介紹，將基礎與前沿同樣考慮，對于學科的基礎、理論研究以及實際應用都進行了介紹。學科基礎主要側重學科概述、算法應用以及學科展望等；理論研究主要側重環(huán)境感知、思維運作、行為表現等；實際應用則重點講解了智能接口、智能系統(tǒng)以及智能社會等方面。具體的章節(jié)結構和學時安排如下表2。

表2 《智能科學技術導論》課程內容及學時

（三）教學方式革新——引入翻轉課堂

翻轉課堂，也可以叫做顛倒課堂。翻轉課堂就是在課堂教學活動中，進行師生角色、教學模式、教學方法等方面都進行了翻轉。具體而言就是師主生配翻轉為生主師配、教學中利用網絡以及各種多媒體技術、教學中將討論、分組協(xié)助等方法都進行了結合[5]。對于《智能科學技術導論》課程翻轉課堂的引入是必需的。

在課程的教學活動中，教師向學生提出課程教學改革的要求，并介紹實施翻轉課堂的教學活動安排計劃。同時在首次授課教學活動中，老師采取問卷調查的形式向學生了解他們自身的知識基礎、學習目標及其對《智能科學技術導論》教學成果的期望等情況，達到掌握學生基礎資料的目的，為翻轉課堂的順利實行打好基礎。然后，向學生說明本課程的教學網站、多媒體教學課件、雨課堂信息、慕課等電子資源的操作方法，對于學生需要完成的工作內容也應該布置好[6]。通過學院教學網站，對教學中需要的教學計劃安排、相應的教學內容和目標要求都要進行上傳，學生掌握學習的主動權。實施翻轉課堂后的教學工作的設計流程如圖2。對于翻轉課堂的教學單元，需要提前預置好各個子課題，其數量和小組的數量相對應。不同的子課題對應的學習深度、廣度以及難度都不完全一致，目的是對學生的學習能力起到充分調動的作用。學生通過隨機抽取的方式獲得子課題。

圖2 翻轉課堂流程

（四）考評方式改革

考核中，若僅僅從期末試卷成績來判定學生的學習效果是不恰當的，沒有體現學生的獨立思考以及創(chuàng)新能力[7]，有悖于《智能科學技術導論》這門課的開設初衷。改革后將實行多元化的教學考核方式：小組討論答辯制：在課程教學過程中，學生按照興趣分為各個小組，并各自選擇和學科方向相關的題材進行學習，配合資料查詢、小組討論、設計實現，最初提交報告并進行答辯；實踐創(chuàng)新：學生針對教師以及實驗室所演示的智能系統(tǒng)，撰寫一篇小論文，并提出自己的觀點、疑惑點以及創(chuàng)新點，有興趣的學生可以參與智能系統(tǒng)的開發(fā)中；期末仍然進行卷面考試：題型主要有填空題、選擇題、簡答題、問答題、程序設計題、綜合能力測試題等。力爭對于學生對專業(yè)基礎概念、各自理論以及實際應用的理解，考查學生是否具有了利用學習的知識對問題分析和解決的能力。

（五）實驗課建設

《智能科學技術導論》作為從宏觀視角對智能科學領域相關內容綜述的專業(yè)性基礎課，最主要的工作就是將專業(yè)的知識以及學習方法傳授給學生，但是缺少對于專一知識點的詳細描述[8]。結合該導論課程的特殊性質，可以利用參觀、演示、介紹等方式進行實驗課程。將最新的設計競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目介紹給學生。盡可能地讓學生能夠參與到這些項目之中，使得他們了解實際中如何解決問題。另一方面，智能科學與技術專業(yè)涉及的專業(yè)較廣，實踐性要求較高，可利用現在市場中一些相關知識領域的成果。如學院實驗室中的智能電梯控制及優(yōu)化實驗平臺涉及到自動控制、網絡通信、優(yōu)化策略、系統(tǒng)調度等諸多前沿科學技術，學生從中可逐步認識、理解、學習并掌握這些智能控制、優(yōu)化、設計等相關知識。實驗課的開設不僅能夠培養(yǎng)學生對掌握本專業(yè)知識的興趣，也為以后專業(yè)學習打下了基礎。

四 結語

經過一輪的《智能科學技術導論》課程改革后的課堂教學實踐，對學生開展了問卷調查，結果顯示，《智能科學技術導論》課程教學改革后，學生對專業(yè)的認知度和認可度都大幅提升。后續(xù)課程的教師反映學生的學習積極性、技術交流和動手能力相比改革前的學生有明顯提高。通過課程改革，《智能科學技術導論》課程改變了以往形式化課程的面貌，學生在觀念上形成了對智能科學與技術專業(yè)的整體印象，明確了自己未來應肩負的責任，培養(yǎng)了工程意識和工程能力，了解了智能科學實踐中應掌握的知識和能力，明確了學習任務和目標，提升了學習興趣，為今后的進一步深入學習打下了基礎。