基于“立地頂天”教學理念的人工智能課程建設

王 艷

（北京物資學院 信息學院 , 北京 101149）

0 引言

近年來，隨著深度學習、大數據等支撐人工智能的關鍵技術得以突破，人工智能以前所未有的速度與態勢迅猛發展，其應用逐步滲透到人類生活的很多領域。2017年7月20日國務院發布的《關于新一代人工智能發展規劃》[1]更是將人工智能提升到國家戰略的高度；10月，人工智能被寫進黨的十九大報告。同時，生物芯片、虛擬現實、增強現實、自動駕駛、情感機器人等高端事物的層出不窮，人類已迎來了弱人工智能向強人工智能轉變的新時代[2]。在這種時代背景下，社會發展急需人工智能領域的人才，而現實卻是具備人工智能理念與技術的綜合應用型人才的稀缺。

人工智能教學不僅僅要從計算機專業的角度去教授學生人工智能的理論知識，培養學生開發智能系統的能力，讓學生具備“立地”的能力，更要結合時代背景，培養學生的智能情感與態度及智能倫理于一體的智能素養，同時讓學生開拓廣闊的國際視野，清晰領域前沿，能夠獨立思考，具有自覺利用智能理論及技術解決實際問題的意識與能力，發展學生“頂天”的潛力。因此，將“立地頂天”教學理念融入人工智能課程建設的實踐中具有重要的理論意義與實用價值。

1 人工智能課程建設發展現狀

教育部2018年4月制定了《高等學校人工智能創新行動計劃》[3]，明確提出要“支持高校在計算機科學與技術學科設置人工智能學科方向，推進人工智能領域一級學科建設”“加大人工智能領域人才培養力度”。在此背景下，對于人工智能教育的思考與教學模式的探究進入了一個嶄新階段，許多專家學者對人工智能教育提出了思考[4-6]，為高等教育中的人工智能專業建設提出了很多嶄新的觀點[7-9]，這些思考與觀點引領了我國高校人工智能教育的方向，促進了高校人工智能教育的發展。同時在此背景下涌現出一批對人工智能課程創新的探討與實踐[10-12]，這些項目的研究有的是從教學大綱入手，研究如何設置和編排教學內容，能夠讓學生更好地掌握和理解人工智能的基本原理及相關技術；有的研究是通過翻轉課堂的教學模式，主要以人類的多元智能為參照，從多元智能空間結構的技術實現程度、時序結構的技術框架達成度等方面來分析人工智能的研究現狀及未來的發展趨勢。

誠然，這些課題或項目的研究在一定程度上大大促進了人工智能教育，但在某種程度上凸顯出一些弊端。作為高校本科學生，他們將是我國高端應用型人才的主要來源，在人工智能迅速滲透到人們工作、生活各個領域的背景下，人類要想在這個時代中生存、發展就必須具備掌控甚至超越這個時代的基本素養，因此探索一種高效易行的人工智能課程的教學模式勢在必行。

綜上所述，本科院校人工智能課程的建設要綜合考慮學生的學情、學生的興趣、學生未來發展相關智能素養的培養[13]，既要教授學生人工智能的基本原理、基本方法及技術，又要開拓學生對人工智能及其發展的視野與認識，具備運用所學知識自主規避人工智能風險的能力。因此“立地頂天”的教學理念適合普通本科院校教育。

2 基于“立地頂天”教學理念的人工智能課程建設

2.1 精選教學內容

人工智能的基本理論包括狀態空間圖的搜索技術，與或圖搜索及博弈樹，謂詞邏輯及歸結原理，知識表示，機器學習，智能計算等內容。以上教學內容是人工智能理論與技術的基本理論，為人工智能深入研究夯實基礎，無法再進行刪減。作為專業選修課，人工智能課程是32-48學時，對于教學內容應根據學情精心設計，否則不但無法在指定時間內完成既定的教學內容，而且學生會感受到學習過程枯燥無味，缺乏興趣。上述教學內容中，狀態空間圖的搜索較為簡單，主要介紹深度優先與廣度優先搜索策略及部分啟發式搜索算法，考慮到研究生的學習能力一般較強，這部分可以課堂簡單介紹，主要通過引導學生課下設計具體案例及解決方案深入理解并掌握。但搜索算法中的A*算法是人工智能領域中的一個具有可納性的基本的啟發式搜索算法，是今后人工智能算法開發的基礎，需要課堂著重講解并給出學生相應的具體案例，讓其運用所學知識解決。與或圖及博弈樹是人工智能領域中的重要基礎，這部分內容在解決實際問題及競技對弈類游戲中有廣泛應用，因此需要著重講授。但考慮到課時限制，可以通過引導學生課后分組完成類似于跳棋、五子棋等簡單棋類游戲的開發來加強學生對理論的理解及增強學生學習興趣。謂詞邏輯及歸結原理大部分內容在人工智能的選修課程——離散數學的數理邏輯部分有所介紹，但對于有些學校計算機專業學生而言，由于沒有開設離散數學課程，所以不能省略，可以通過課上講解理論、課下完成趣味推理或刑偵判斷等類似案例的方式加強學生對理論的理解與提升運用理論解決實際問題的能力。知識表示是知識工程和自然語言理解的基礎，考慮到學生不同的研究方向，這部分只介紹比較常用的產生式系統、語義網絡、框架等知識表示方法。機器學習是當前人工智能領域一個比較熱門的研究方向，可能會成為一部分學生將來的研究課題，因此需要著重將機器學習部分的基本框架及幾種常用的機器學習的思想講授。同樣，計算智能也是當前的一個研究熱門，要著重將幾種常用的算法思想向學生講授。為了避免理論性過強，后面這幾部分教學內容需要精選案例，讓學生在課下實踐中掌握相關方法與技能。

2.2 “立地”教學理念下案例設計

人工智能的基本理論和技術是培養具有智能素養的應用型人才的基礎，但僅僅通過課堂講授不僅由于課時限制而無法完成相應教學內容，而且學生學起來也非常枯燥乏味，更無法真正將所學知識融入具體的應用中，因此在確保教學內容“立地”的前提下實用性、趣味性、代表性較強的案例設計必不可少。根據各章節內容，需要設計課堂案例，以促進學生對所學知識和技術的理解與掌握，同時為了密切配合課堂所講內容，充分利用課余時間，引導學生課下自己設計或以分組模式完成課下案例，以加強對所學知識的復習與鞏固，并熟悉人工智能知識與技術的實際應用場景。

人工智能課程教學內容課堂及課下案例如表1所示。

表1 人工智能各章節所選案例

2.3 “頂天”教學理念下多元化教學模式實踐研究

僅僅掌握了人工智能的基本理論及技術對于當代研究生而言是遠遠不夠的，高校畢業生是我國高端應用型人才的主要來源，應清晰領域前沿，具有廣闊國際視野，能夠獨立思考，具有自覺利用智能理論及技術解決實際問題且具有較高的智能素養。因此，在傳授人工智能基本理論及技術的同時，必須讓學生緊跟時代節奏，清晰明確人工智能的發展及瓶頸。這樣，需要挑選一些與人工智能技術相關的案例或觀點，通過討論、辯論、翻轉課堂等教學模式進行交流，促進學生對人工智能技術及發展的認識，提高學生學習興趣。同時可以引導和組織學生積極參與世界機器人大會等人工智能相關的展會實習，不但能夠使學生開闊視野，同時還能增強學生學習的成就感，明確學習人工智能的方向。前期的教學經歷表明，探究式、討論式、寫作式等合適的多元化教學模式能夠大大提高學生學習及探究的興趣，明顯提升教學效果。

2.4 多元化過程性考核設計

過程性考核是對學生所學知識的檢驗，也是對教師教學模式及教學過程的檢驗。“立地頂天”教學理念下的人工智能課程主要讓學生通過理解與掌握人工智能的基本理論及相關技術，能夠自覺利用所學知識解決實際問題，并具有國際視野。在過程性考核中，學生平時所掌握的知識、技能必須能夠得以體現，因此可以采用期末與平時成績相結合的方式，期末考試采用開卷形式，考試題目與平時課堂及課下案例類似，只有掌握了相關理論與技術才能靈活運用解決問題。同時為了體現平時學習效果，將“頂天”理念下的相關話題讓學生分組或獨立以論文形式完成，突出本組或自己的思想，同時讓學生在論文撰寫技巧及規范上得以提升，培養學生與他人合作的工作作風。對于平時任務完成較好的小組或個人，給予一定的獎勵。

3 結語

總體上“立地頂天”教學理念下的人工智能課程建設取得了一定成果，通過精選教學內容，精心設計教學案例，實踐多元化教學模式，完善多元化過程性考核評價體系等教學手段，使得不同層次的學生在課時非常有限的狀態下均有不同的收獲，符合既定的課程目標，讓學生了解和掌握了人工智能的基本技術、基本原理及發展趨勢，并將在他們今后的工作中有所應用。除此之外，由于這門課程具有融合多門學科知識的特征，使得部分學生對人工智能相關應用領域的知識產生了濃厚的興趣，開闊了學生的就業前景。

今后，要進一步精化教學內容，努力提升教學案例的趣味性及實用性，以增強學生的學習興趣，從而愿意在課下拿出更多的時間學習和研究人工智能的相關知識，密切關注人工智能的發展勢態，為今后學生的工作或學習儲備更多的知識與技能，為我國科技發展輸送高水平的應用型人才。