面向能力培養(yǎng)的人工智能計算機課程體系探索

摘要：為了適應我國人工智能發(fā)展和高校工程教育認證“知識”向“能力”的轉向，本文探索了基于“數學能力”、“編程能力”和“創(chuàng)新能力”培養(yǎng)的人工智能計算機課程體系，對各個能力要求給出了具體的課程設置和建設措施，為高校計算機基礎課程體系改革提供了新的策略。

關鍵詞：人工智能;工程教育認證;計算機;課程體系

一、 引言

人工智能簡而言之，即使計算機或者機器具有人的智能，其誕生于20世紀50年代。隨著越來越多的行業(yè)領域與之應用結合，人工智能開始改變我們傳統(tǒng)的手工方式，促使社會轉向智能化發(fā)展，同時伴隨各種AI芯片和5G的普及[1]，使得更加深度的智能成為可能。在此背景下，高等教育作為現代科技的培養(yǎng)平臺，其發(fā)展勢必緊跟潮流與趨勢，這對高等教育培養(yǎng)工作來說既是挑戰(zhàn)，亦是機遇。立足于當下，展望未來，當前需重新評估人才培養(yǎng)模式，尤其在以后的計算機基礎課程體系的設計與實踐上要揚長補短，培養(yǎng)出更多面向人工智能領域的新工科人才[2]。

同時，近幾年工程教育認證的重要價值逐漸被認可，尤其在國內高校專業(yè)中引起關注，隨之也在國內高校專業(yè)中如火如荼地展開，這對國內剛起步就飛速發(fā)展的人工智能背景專業(yè)的工程教育認證來說，既帶來了極大的機遇，也是巨大的挑戰(zhàn)[3]。因此，國內眾多高校緊跟時勢，通過多種措施不斷地抓住發(fā)展機遇，同時也在不斷地應對挑戰(zhàn)。高校計算機基礎課程體系的構建，直接關乎我國面向人工智能的專業(yè)如何辦、如何培養(yǎng)的問題。為了應對新時代帶來的機遇和挑戰(zhàn)，各大高校開始實施構建人工智能相關課程和體系，從經歷“三個層次”（計算機文化基礎、計算機技術基礎和計算機應用基礎）到“1+X”（1門必修加幾門重點）課程體系[4-5]，到如今相關專業(yè)面向人工智能的計算機基礎課程體系。

但歸根結底，計算機基礎體系結構的探索和實踐必須回歸基礎，也就是人工智能人才的需求培養(yǎng)，在此基礎上，針對各自學校的辦學優(yōu)勢和特色，根據戰(zhàn)略新興（支柱）產業(yè)和區(qū)域內重點產業(yè)發(fā)展對人才的需求，構建計算機基礎課程體系，成為各個高校的重點工作組成部分。而必須明確的是，工程教育認證核心的一點就是“知識”向“能力”的轉變，因而，本文探索重新工科計算機基礎課程體系的面向基礎數學的統(tǒng)計學課程（數學能力）、面向應用的校企聯(lián)合課程（編程能力）和面向研究的人工智能前沿課程（創(chuàng)新能力）等三個方面開展研究，探索實踐計算機基礎課程體系。

二、傳統(tǒng)計算機基礎課程體系現狀

隨著我國進入“工業(yè)4.0”人工智能信息時代[6]，高校也在不斷應對新形勢的變化，面臨著包括高等教育在內的眾多領域的新問題，尤其在其學科內涵、學科結構、學科人才培養(yǎng)目標、教學內容、課程設置、培養(yǎng)方法、教學模式等都會面臨新的要求。在這種背景下，特別針對面向人工智能的計算機課程體系設置方面，一方面，要適應高校工程認證“能力”培養(yǎng)要求;另一方面，要銜接國家社會的需求，如何將兩個方面進行有效的結合與統(tǒng)一，是事倍功半，還是事半功倍，這也是當前面臨的現實課題。但是從目前來看，這方面的研究和實踐，在我國還處于剛剛起步的階段，有的還只是一些不夠科學系統(tǒng)的體系，不僅如此，很多普通高校仍然是以前的一套普及計算機基礎知識體系，在這種情況下，造成的直接后果就是嚴重偏離全新信息時代對于人才的要求。根據“面向產出”工程教育認證理念，對畢業(yè)生和即將畢業(yè)的大四學生進行摸底，反映出的問題就是傳統(tǒng)計算機課程體系的人才培養(yǎng)模式已經不能適應社會的要求，達不到“學習產出”，這與新時代計算機課程體系的培養(yǎng)要求相悖，也偏離了全新信息時代對于人才的需求。

從目前來看，國內高校計算機專業(yè)的部分學生動手能力弱，這是最為直觀的問題。從計算機課程培養(yǎng)來看，傳統(tǒng)計算機課程體系大部分以《程序設計基礎》（C）和《面向對象程序設計》（C++）為基礎，在人工智能時代到來以前，這套計算機課程體系可以滿足社會的基本需求，但是隨著時代飛速發(fā)展，這套計算機課程體系放在現如今人工智能時代已不是最優(yōu)選擇，且對于飛速發(fā)展的技術更新，偏難入手的編程語言需要替換[7]。同時，我國開展工程教育認證的一個重要目的是促進高校與工業(yè)界、企業(yè)界的聯(lián)系，而傳統(tǒng)“跟風”的實踐課程安排，僅限于象牙塔內，脫離了社會實際，不符合工程教育專業(yè)認證理念，自然也達不到預期中的效果;除了動手能力弱，數學功底薄弱也是目前國內高校計算機專業(yè)學生較為欠缺的另一個問題，一方面，傳統(tǒng)計算機課程體系都是以《高等數學》為數學基礎，而人工智能屬于新時代的一門綜合學科，以往的編寫機器學習的邏輯算法已不能滿足技術的發(fā)展要求，從而導致無法應用所學數學知識進行建模;另一方面，在數學課程教學上，“枯燥”的公式輸送也嚴重打消了學生學習的積極性[8];最后，國內計算機專業(yè)學生還存在創(chuàng)新能力不足的問題，也值得關注與研究，一般的通識課程和基礎知識課程是無法鑄成計算機的課程體系，對于專業(yè)知識課程的設置直接關系到學生的創(chuàng)新能力能否提高，傳統(tǒng)的專業(yè)知識課程已經不能適應以及追溯新技術的更替，這是目前亟須解決的問題，因此，面向人工智能的新的方向知識課程才是計算機課程體系走出困境的良藥。

三、基于能力培養(yǎng)的計算機基礎課程體系構建

為適應我國人工智能發(fā)展和工程教育認證要求，傳統(tǒng)計算機課程體系結構人才培養(yǎng)模式急需革新。本文以工程教育認證“能力”培養(yǎng)為出發(fā)點，針對學生解決實際問題基礎理論知識缺乏、編程能力不足和創(chuàng)新型思維匱乏等問題，從“數學能力”、“編程能力”和“創(chuàng)新能力”著手，探索面向人工智能和工程教育認證的計算機課程體系結構，為培養(yǎng)符合人工智能時代要求的新型人才，同時為智能時代教師的課程教學提供新的參考思路。如圖1所示：

1.面向基礎數學的統(tǒng)計學課程體系。大學里沒有人工智能這門課，人工智能就是統(tǒng)計學，人們老說人工智能、人工智能，而中國的教育卻不重視基礎教育，尤其不重視數學教育[9]。從計算機基礎課程體系的原始數學基礎架構、計算機與統(tǒng)計學、統(tǒng)計學與人工智能、統(tǒng)計學與人才培養(yǎng)、統(tǒng)計學與計算機基礎課程體系等研究如何在新工科計算機基礎體系中科學融入統(tǒng)計學課程。

一方面，構建基于統(tǒng)計學為基礎的數學能力培養(yǎng)課程體系。如圖1所示，對于一般高校計算機課程體系，按照《高等數學》、《線性代數》到統(tǒng)計學的基礎《概率論》進行學習培養(yǎng)，根據專業(yè)特性增加統(tǒng)計學中的《數理統(tǒng)計》、《隨機過程》和《信息論》等科目。開設基于統(tǒng)計學的數學課程，對于面向人工智能時代的學生能力培養(yǎng)來說，“只是從理論上給予學生一種工具”，幫助他們解決實際問題，顯得尤為重要。如何從應用層和算法層到培養(yǎng)學生是課程體系考慮的重點。因而，在課程體系中開設《機器學習》、《數據挖掘》等專業(yè)基礎課程，培養(yǎng)學習應用數學模型解決實際問題的能力，符合工程教育認證能力培養(yǎng)理念。

另一方面，課程大綱改革作為高校工程教育認證的一個重點工作，引導基礎數學課程教學改革尤為重要。以提高學生學習積極性為目的，以“數學能力”培養(yǎng)為核心，在傳統(tǒng)畢業(yè)要求工程知識的指標點基礎上，引入使用現代工具和個人和團隊對應的指標點。對于面向人工智能專業(yè)學生，使用現代工具即使用編程語言進行數學建模，以解決實際問題。一般高校數學課程可以以Matlab為建模工具，對于專業(yè)基礎課以對應的編譯環(huán)境為工具;為調動學生學習數學積極性，提高能力培養(yǎng)效率，個人和團隊可以很好體現到課程大綱中。

2.以Python為入門語言，面向應用開展校企聯(lián)合課程體系。根據企業(yè)需求和成果導向，從培養(yǎng)人才實踐動手編程能力入手，面向實際應用方面，建立校企綜合實踐性課程體系，在課程融入課程設計和創(chuàng)新項目，從創(chuàng)新精英工程教育、產學研聯(lián)合培養(yǎng)、企業(yè)兼職聘任制度、國際化工程教育教學優(yōu)質資源等方面著手，研究如何通過校企聯(lián)合課程提高學生們提升編程能力，并運用到解決實際問題中。如圖1所示，用Python語言替換傳統(tǒng)C語言入門，然后依次開設C和Java語言，并相應配套校企聯(lián)合綜合訓練，結合實際需求，全面提升人才培養(yǎng)的編程能力。

如今為了順應技術發(fā)展，像國防科技大學相關專業(yè)已經做出調整，以Python為大一編程語言課程[10]，而繼續(xù)順應的產物就是反映在企業(yè)國家的需求，這也是不可忽略的一部分。因而，新的編程課程開設后，不僅僅是解決老問題，更要配合校企聯(lián)合，開展對新問題的編程解決，才是符合工程教育認證對能力創(chuàng)新的要求。同時，在大三大四開設《項目開發(fā)綜合訓練》、《專業(yè)實習》、《畢業(yè)實習》等進行專項培養(yǎng)，特別根據畢業(yè)設計（論文）反饋帶動，打通校企實踐課程、競賽、畢業(yè)設計（論文）通道，擴大畢業(yè)設計（論文）校外導師范圍，才能更好地實現人才培養(yǎng)的預期效果。

3.面向研究的人工智能前沿課程體系。人工智能作為眾多不同研究領域和理論方法的綜合學科，結合人工智能的學術研究和產業(yè)應用的發(fā)展特點，尤其是理清現代人工智能知識結構和發(fā)展現狀，我們可以從大學生自身個性化發(fā)展、面向社會服務需求、以提升創(chuàng)新能力和研究能力等方面的研究出發(fā)，來幫助大學生選擇自身研究方向。開設人工智能前沿技術課程，并根據專業(yè)和技術發(fā)展及時更新，如圖1所示，列舉了當下比較流行的研究方向。同時，綜合專業(yè)設置方向開設《計算機應用前沿技術談論》類似課程，深入貫徹以學生為中心工程教育認證思想，吸納專業(yè)青年老師們指導教學，學生通過課題參與談論，讓學生們能夠全程參與其中，達到學習提高的目的。

目前，各大高校在大三大四都開設有符合專業(yè)特色的方向課程，但是很多高校在這一過程中沒有體現工程教育認證對創(chuàng)新能力的要求，因此，如何在課程中體現工程教育認證對創(chuàng)新能力的要求是需要考慮的問題，最好的實踐路徑就是從課程體系的設置入手。工程教育認證改革重點改的是課程體系里的課程，要求是要在專業(yè)方向課程中體現創(chuàng)新能力，這是必須面對與解決的問題。比如課程的過程考核，傾向在數學能力和編程能力基礎上解決科學問題，改進前沿論文的模型，參與導師科研項目等等，均體現出通過課程體系入手，強調創(chuàng)新能力的要求。總體來說，根據我國人工智能和工程教育認證對于人才培養(yǎng)的能力要求，從基礎數學能力、編程能力出發(fā)，設置基礎能力培養(yǎng)課程，配套校企聯(lián)合實踐課程，并與創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程相輔相成。因此，要加強創(chuàng)新能力課程的過程培養(yǎng)建設，全面構建面向能力培養(yǎng)的人工智能計算機課程體系。為了了解計算機課程體系結構改革后的效果，對本專業(yè)即將畢業(yè)的大四學生和大三的學生進行了問卷調查。需要指出的是，其中大四學生采用的2015年培養(yǎng)方案是傳統(tǒng)的課程體系，大三學生采用的2019年培養(yǎng)方案是改革后的課程體系。問卷調查內容主要涉及數學能力、編程能力、創(chuàng)新能力和現有課程體系的滿意度等方面。結果顯示，采用課程體系改革后的學生對三種能力滿意度分別提升了百分之七、百分之十一和百分之五，對現有課程體系結構滿意度提升了百分之九。因而，可以看出改革后的計算機課程體系能夠更好調動學生的學習積極性，促進學生的能力培養(yǎng)。

四、結束語

傳統(tǒng)計算機基礎課程體系結構存在無法滿足人工智能和工程教育認證對于人才培養(yǎng)的能力要求，因此針對一般高校課程改革需求，提出了增設統(tǒng)計學提升“數學能力”、以Python為基礎入門的校企聯(lián)合培養(yǎng)提升“編程能力”和開設人工智能前沿課程提升“創(chuàng)新能力”的計算機基礎課程體系結構，實現了課程體系中的基礎到應用到創(chuàng)新的難度遞進，從而培養(yǎng)符合新時代技術和能力發(fā)展人才。

作者單位：張水平" " 王海暉" " 劉黎志" " 李亞楠" " 武漢工程大學 計算機科學與工程學院

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