新工科背景下地方高校人工智能課程體系及實踐教學(xué)初探

李賀 劉金江 馬曉普 張新剛

摘 要 以南陽師范學(xué)院為例，根據(jù)新工科人才要求，結(jié)合地方高校特色對人工智能專業(yè)課程體系及教學(xué)模式進行初探。從探索成效來看，新工科地方高校人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)具有一定的理論和現(xiàn)實意義，可為地方高校人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)及教學(xué)模式改革提供參考。

關(guān)鍵詞 新工科;實踐教學(xué);人工智能;地方高校;課程體系

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）09-0126-03

0? 引言

教育部在2017年提出新工科建設(shè)行動路線，推動傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級[1]。因此，在這種背景下，地方高校要深化產(chǎn)學(xué)研合作，協(xié)同育人，從而培養(yǎng)出適應(yīng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展的應(yīng)用型人才。我國現(xiàn)階段發(fā)展的重要驅(qū)動力量是創(chuàng)新，經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎是人工智能，而人工智能教育也將成為人才紅利中的最大紅利。人工智能是科技發(fā)展催生出的專業(yè)，國家的重大需求和多學(xué)科交叉滲透起到推動作用[2]。在人類進入智能社會后，該學(xué)科會漸漸地向其他學(xué)科和專業(yè)滲透，因此，推動新工科建設(shè)的核心驅(qū)動力將會是人工智能。

隨著人工智能的發(fā)展，高等教育的價值也將進一步提高。因此，各高校應(yīng)盡快建立與新工科相一致的人工智能專業(yè)，并深入研究我國人工智能方面的人才培養(yǎng)體系、課程設(shè)置、實驗平臺及成果轉(zhuǎn)化等方法，改革傳統(tǒng)計算機學(xué)科的教育教學(xué)方法，形成有新工科特色的人工智能專業(yè)工程教育方法。國內(nèi)外很多大學(xué)都意識到人工智能的重要性，紛紛對其展開教學(xué)和研究。但是，與“雙一流”高校相比，地方高校由于師資、實驗平臺、科研平臺及學(xué)科建設(shè)等力量有限，造成人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)相對滯后。部分地方高校盲目跟風，照搬“雙一流”高校的人工智能課程體系，沒有考慮師資和科研力量，在沒有相關(guān)二級學(xué)科建設(shè)支撐情況下，快速開設(shè)人工智能課程，造成教學(xué)內(nèi)容無法和社會接軌，以及教學(xué)質(zhì)量和效果不佳的問題。

為了解決這些問題，并使地方高校跟上人工智能時代的腳步，抓住高等教育發(fā)展的新機遇，本文以南陽師范學(xué)院為例，探索在新工科背景下進行地方高校人工智能專業(yè)課程體系建設(shè)。

1? 人工智能對新工科人才的新要求

1.1? 具備基于人工智能的多學(xué)科交叉知識

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出人工智能學(xué)科。人工智能是多個學(xué)科交叉而成的一門學(xué)科，同時作為計算機科學(xué)的一個重要分支，主要包括計算機科學(xué)、控制學(xué)、心理學(xué)、信息論、哲學(xué)、語言學(xué)及系統(tǒng)論等[3]。因此，一個合格人工智能專業(yè)人才需要具備多學(xué)科知識。

1.2? 具備基于人工智能的多領(lǐng)域應(yīng)用能力

人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，基本包含工業(yè)、農(nóng)業(yè)及社會生活的各個行業(yè)（如工業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療、金融、社會治安、交通領(lǐng)域及服務(wù)業(yè)等）[4]。人工智能技術(shù)主要包括機器學(xué)習、自然語言處理、知識系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習、智能搜索及計算機視覺等。學(xué)生在學(xué)好專業(yè)技術(shù)的前提下也需要掌握這些行業(yè)的相關(guān)知識，這樣才能增加人工智能在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3? 具備人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神及人文素養(yǎng)

創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展成為我國現(xiàn)階段發(fā)展的重要力量，人工智能成為經(jīng)濟發(fā)展的新引擎[5]。在大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的號角下，人工智能技術(shù)成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中的一個大趨勢。因此，當今新形勢下培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的人工智能專業(yè)人才，對我國經(jīng)濟發(fā)展及大學(xué)畢業(yè)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)具有重要意義。人的內(nèi)在品質(zhì)就是人文素養(yǎng)，人文科學(xué)的知識水平和研究能力是人文素養(yǎng)的重要組成部分，人文素養(yǎng)是人文科學(xué)體現(xiàn)出來的以人為研究對象和中心的精神[6]。人工智能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展對人類社會帶來的是便利還是災(zāi)難，關(guān)鍵是使用者的思想道德和人文素養(yǎng)。因此，培養(yǎng)具有人文精神的人工智能專業(yè)人才具有重要的意義。

2? 地方高校人工智能課程體系建設(shè)

2.1? 地方高校人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)目標

人工智能是面向前沿高新技術(shù)的基礎(chǔ)性本科專業(yè)，培養(yǎng)品格健全的具有科學(xué)的人文精神、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和良好的職業(yè)道德品質(zhì)，以及德、智、體、美、勞全面發(fā)展的人才。人工智能專業(yè)的本科畢業(yè)生要求掌握人工智能、信息科學(xué)的基礎(chǔ)知識與基本技能，能夠運用智能科學(xué)領(lǐng)域的主流關(guān)鍵技術(shù)，研究和解決軟件開發(fā)、大數(shù)據(jù)、人工智能及其應(yīng)用領(lǐng)域的工程技術(shù)問題的能力，成為在工業(yè)、信息、醫(yī)療、教育、電力、金融等行業(yè)從事人工智能學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)研究、教學(xué)及管理工作的復(fù)合型應(yīng)用人才。人工智能專業(yè)的本科畢業(yè)生要求基礎(chǔ)理論扎實，科學(xué)素養(yǎng)良好，可以綜合運用人工智能專業(yè)技術(shù)知識解決實際問題。

2.2? 地方高校人工智能專業(yè)課程體系

2.2.1? 人工智能課程體系設(shè)計? 人工智能課程體系主要包括學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程及個性化課程。

學(xué)科基礎(chǔ)課程主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程、計算機基礎(chǔ)課程、數(shù)字電路及大學(xué)物理等課程。其中，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程主要包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計;計算機基礎(chǔ)課程主要包括計算機導(dǎo)論、程序設(shè)計基礎(chǔ)、計算機應(yīng)用與編程、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。

專業(yè)核心課程主要是計算機學(xué)科主干課程和人工智能相關(guān)的基礎(chǔ)課程。其中，計算機學(xué)科主干課程主要包括Python程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫概論、計算機組成與結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法等課程;人工智能相關(guān)的基礎(chǔ)課程主要包括人工智能導(dǎo)論、機器人學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘與機器學(xué)習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及智能控制理論等。

為了滿足學(xué)生對人工智能專業(yè)的不同方向需求以及在各領(lǐng)域的應(yīng)用需求，在個性化課程中設(shè)置兩個培養(yǎng)方向，主要有就業(yè)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方向（服務(wù)機器人、數(shù)字圖像處理、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化、人工智能與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等）和后備學(xué)術(shù)人才方向（數(shù)字圖像處理、R語言數(shù)據(jù)分析、人機交互、算法分析與設(shè)計、自然語言處理等）。

2.2.2? 優(yōu)化理論及實踐課程? 在學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課和個性化課程中加大實驗?zāi)K，增加課程設(shè)計，建立以理論為基礎(chǔ)、應(yīng)用為導(dǎo)向的人工智能教學(xué)實踐模式。在專業(yè)基礎(chǔ)方面，除了基礎(chǔ)的理論學(xué)習，在公共課實驗的基礎(chǔ)上增加程序設(shè)計實驗課時，并增加課程設(shè)計，加強學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)。在專業(yè)強化階段，除了專業(yè)核心課程的學(xué)習，還有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗、計算機網(wǎng)絡(luò)實驗、機器學(xué)習及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等實驗;增加企業(yè)和項目實踐課程，從而提高人工智能專業(yè)本科學(xué)生的實踐能力。在專業(yè)應(yīng)用階段進行個性化培養(yǎng)，以學(xué)生興趣為導(dǎo)向，開展相關(guān)應(yīng)用課程實驗，主要包括機器人實驗、大數(shù)據(jù)實驗、數(shù)字圖像處理實驗、自然語言處理實驗等。通過畢業(yè)實習（以畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文為導(dǎo)向進行），進一步提高學(xué)生解決實際問題及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。

3? 地方高校人工智能教學(xué)模式初探

3.1? 地方高校人工智能專業(yè)教學(xué)模式改革：理論實踐結(jié)合，突出創(chuàng)新思維

3.1.1? 人工智能實驗平臺建設(shè)? 由于人工智能教材理論性強，學(xué)生在學(xué)習過程中會覺得乏味無聊，當實驗課程較少時，也會漸漸失去興趣。在新工科建設(shè)背景下，南陽師范學(xué)院廣泛應(yīng)用多種人工智能實驗教學(xué)平臺提高學(xué)生興趣，主要包括百度飛槳（PaddlePaddle）深度學(xué)習平臺、希冀一體化人工智能實踐教學(xué)平臺、機器人教學(xué)實驗平臺和大數(shù)據(jù)綜合實驗平臺等。

3.1.2? 采用案例教學(xué)法? 建立人工智能實踐教學(xué)案例庫，主要包括人工智能經(jīng)典模擬實驗（包括覆蓋網(wǎng)絡(luò)搜索、隨機梯度下降、P-R曲線、RMSProp、動量法、隨機梯度下降、監(jiān)督學(xué)習、無監(jiān)督學(xué)習、數(shù)據(jù)降維、推薦系統(tǒng)、特征工程等）、深度學(xué)習算法（深度學(xué)習基礎(chǔ)、深度學(xué)習計算、TensorFlow基礎(chǔ)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）實驗及自然語言處理（全局向量的詞嵌入、機器翻譯、文本情感分類、編碼器—解碼器、束搜索、注意力機制、詞向量）機器人實驗等;改革教學(xué)方法，以案例導(dǎo)入進行教學(xué);以人工智能綜合實驗實例導(dǎo)向進行畢業(yè)實習，提高學(xué)生解決實際問題的能力。

3.2? 地方高校人工智能專業(yè)實踐教學(xué)改革

3.2.1? 校企合作? 在教學(xué)資源有限的情況下，利用自身有限的師資增強教學(xué)效果，建立起具有學(xué)科特色的人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)模式，校企合作是關(guān)鍵。校企深度合作，在企業(yè)方面，積極邀請教師進企業(yè)進修，了解企業(yè)需求，并提高教師的工程能力，從而培養(yǎng)出適合社會發(fā)展的人才;同時，學(xué)校積極邀請企業(yè)中實踐經(jīng)驗豐富的人才到校任教或任職，改革教學(xué)策略及教學(xué)方法，建立具有地方區(qū)域特色的師資隊伍及校企協(xié)調(diào)的新工科教學(xué)模式，從而避免人工智能專業(yè)實踐與企業(yè)實際脫節(jié)。

3.2.2? “雙導(dǎo)師”負責制? 實行“雙導(dǎo)師”制，通過校企之間建立教師指導(dǎo)團隊，以項目為牽引，將企業(yè)實踐作為第二課堂學(xué)分，制定人工智能專業(yè)相關(guān)的學(xué)術(shù)科技作品競賽獎勵機制，積極引導(dǎo)學(xué)生參加各項計算機和人工智能相關(guān)的比賽，從而提高學(xué)生創(chuàng)新實踐方面的能力。

4? 初探經(jīng)驗總結(jié)

4.1? 初探成效

南陽師范學(xué)院自開展人工智能專業(yè)課程體系及教學(xué)模式探索以來，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不斷提高，計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2019年獲得中國“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國軟件信息技術(shù)大賽、中國大學(xué)生計算機設(shè)計大賽、ACM亞洲區(qū)域賽及省“挑戰(zhàn)杯”作品競賽等國家級獎勵14人次，省部級獎項26人次。

4.2? 初探啟示

地方高校應(yīng)對自身發(fā)展和人工智能人才培養(yǎng)進行精準定位，根據(jù)學(xué)科建設(shè)與當?shù)氐膮^(qū)域經(jīng)濟之間的關(guān)聯(lián)度，探索實踐適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的新工科人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)目標及學(xué)科建設(shè)方法。教師是新工科人工智能人才培養(yǎng)中的主導(dǎo)，教師積極性的調(diào)動至關(guān)重要，出臺合理的教育教學(xué)激勵辦法非常關(guān)鍵。另外，要加大師資力量建設(shè)，積極鼓勵教師進修，提高教師綜合素質(zhì)和工程實踐能力，積極引進企業(yè)中有豐富實踐經(jīng)驗的人才到高校任職，使高校人才培養(yǎng)與企業(yè)發(fā)展相適應(yīng)。學(xué)生是新工科人工智能人才培養(yǎng)中的主體，自主學(xué)習是成才的核心。通過有效的教學(xué)改革，建立合理的課程體系及具有特色的實踐實習平臺，這是調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習的重要動力。

南陽師范學(xué)院接下來將進一步研究教學(xué)資源有限情況下的新工科人才培養(yǎng)機制，不斷完善人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)改革、課程體系及工程實踐平臺建設(shè)，進一步加強與國內(nèi)企業(yè)的合作交流，以新工科理念繼續(xù)進行人工智能專業(yè)課程體系及人才培養(yǎng)模式的探索。■

參考文獻

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

[2]章云，李麗娟，楊文斌，等.新工科多專業(yè)融合培養(yǎng)模式的構(gòu)建與實踐[J].高等工程教育研究，2019（2）：50-56.

[3]劉永，胡欽曉.論人工智能教育的未來發(fā)展：基于學(xué)科建設(shè)的視角[J].中國電化教育，2020（2）：37-42.

[4]姚琳，石志國.人工智能課程體系與教學(xué)方法研究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（10）：19-22.

[5]劉冬穎.新工科背景下大學(xué)生人文素質(zhì)教育探索[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（11）：26-29.

[6]陳勁，呂文晶.人工智能與新工科人才培養(yǎng)：重大轉(zhuǎn)向[J].高等工程教育研究，2017（6）：18-23.