應(yīng)用型高校人工智能課程的實踐探索

王佛琴

廣州城市理工學(xué)院計算機工程學(xué)院 廣東廣州 510800

一、概述

隨著人工智能專業(yè)的興起，不僅僅是各大高校，世界上部分國家的發(fā)展戰(zhàn)略都將人工智能納入作為強國的希望，致力于大范圍的產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)化、全面化的人才培養(yǎng)。

作為計算機科學(xué)分支，人工智能的目標是了解智能的本質(zhì)，進而創(chuàng)造一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器。人工智能領(lǐng)域的研究包括語音機器人、文字識別、自然語言處理、計算機視覺和專家系統(tǒng)等，做相關(guān)研究學(xué)習(xí)的人需要學(xué)習(xí)各方面專業(yè)知識，在心理學(xué)和哲學(xué)方面也要有一定的要求，到一定的階段研究員都會專注在一個或兩個方向。

目前，我國人工智能行業(yè)已經(jīng)進入一個新階段——產(chǎn)業(yè)化，科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的主要陣地集中在全國各地高校，對人才的培養(yǎng)是尤為重要的，尤其在應(yīng)用型大學(xué)里，對此類課程進行研究探索，以獲取更合適的教學(xué)方式是必要的。

二、人工智能專業(yè)方向現(xiàn)狀及問題

據(jù)不完全統(tǒng)計，通過查閱各種資料可以發(fā)現(xiàn)，截至2020年，成功申報人工智能專業(yè)的有215所高校[1]，由此可見，人工智能專業(yè)的申報工作專業(yè)建設(shè)已成為主流趨勢。為了有利于人工智能專業(yè)發(fā)展，需要了解高校人工智能專業(yè)課程的開設(shè)情況，以便在制定人工智能專業(yè)培養(yǎng)計劃時多做參考少走彎路。有多家機構(gòu)針對人工智能專業(yè)現(xiàn)狀開展了調(diào)研，如右圖所示，某機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查結(jié)果展示了人工智能專業(yè)課程的開課情況。此次調(diào)研不僅涉及教育局已公布的215所已申報人工智能專業(yè)的高校，還包括另外219所開設(shè)人工智能相關(guān)課程的高校。

如右圖所示，已經(jīng)開設(shè)相關(guān)課程的高校占81%，剩下的19%的高校里面，大部分也處于正在建設(shè)或計劃建設(shè)的過程當中。特別地，在調(diào)研結(jié)果中，一些非人工智能、非計算機專業(yè)(機械工程、電氣自動化、電子信息工程等)也在其專業(yè)與人工智能學(xué)科的跨專業(yè)課程融合方面做出努力，可見人工智能課程的建設(shè)正在全國范圍內(nèi)如火如荼地進行當中。

多所高校人工智能專業(yè)課程開課統(tǒng)計圖

(一)本科生特點

當代大學(xué)生生長在一個科技發(fā)展相對成熟的環(huán)境當中，多數(shù)從小就接觸學(xué)習(xí)過類似的知識，比如，當今社會十分火熱的各種少兒編程班，所以他們具備不少的計算機基本常識，人工智能的概念更是在他們腦海中根深蒂固。隨著社會的發(fā)展，高校中計算機類專業(yè)也越來越受歡迎，學(xué)生也在各方面的影響下更加關(guān)注人工智能的最新進展及新型技術(shù)的出現(xiàn)，對人工智能類專業(yè)知識有更強烈的涉獵需求。

針對學(xué)生的這種情況，教師需要強調(diào)專業(yè)基礎(chǔ)課程的重要性，而且人工智能是需要多探索多嘗試的一門學(xué)科，需要掌握的基礎(chǔ)知識有很多[2]。學(xué)生需要在實踐類課程之前，早早夯實基礎(chǔ)，才能盡快步入人工智能研究正軌。除此之外，教師應(yīng)該注意新知識的更新?lián)Q代，在整個過程中應(yīng)用最新知識，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新和團結(jié)協(xié)作等能力，在應(yīng)用型大學(xué)中尤為重要。

(二)現(xiàn)有教學(xué)方法及主要缺陷

人工智能專業(yè)多于2018至2021年逐漸興起，目前來看，還是個新興專業(yè)，全國范圍內(nèi)都在探索更有效的教學(xué)方法。

經(jīng)調(diào)查研究[3]，多位人工智能研究學(xué)者說過，要研究機器學(xué)習(xí)，應(yīng)盡量多學(xué)數(shù)學(xué)課程。各高校的人工智能本科教學(xué)的初級階段是開設(shè)各類數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，例如，高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論、最優(yōu)化原理、矩陣分析等。先夯實基礎(chǔ)，其間還要學(xué)習(xí)各種計算機基礎(chǔ)課，例如：計算機組成原理、各種高級程序設(shè)計語言(C、C++、Java、C#、Python等)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計等，學(xué)習(xí)過程中鍛煉邏輯思維能力，培養(yǎng)良好編碼習(xí)慣，為后續(xù)課程做好準備，其中，Python語言的學(xué)習(xí)對人工智能的后續(xù)課程尤為重要。具有上述的計算機專業(yè)基礎(chǔ)知識后，機器學(xué)習(xí)課程會讓學(xué)生對人工智能有細節(jié)上的初步認識，從最簡單的機器的學(xué)習(xí)模型了解其學(xué)習(xí)過程，后續(xù)再逐步深化，學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)、圖像處理、語音處理等高階課程。在學(xué)習(xí)高階課程的同時，會開設(shè)一些人工智能實踐課程，讓學(xué)生自己動手解決項目型課題。

由此可見，數(shù)學(xué)知識對人工智能的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，但對于應(yīng)用型大學(xué)，考慮到自身的局限性，大部分畢業(yè)生從事相關(guān)工作，但大部分不會去做深層次的模型算法研究，所以課程內(nèi)容不需要太過深入但要全面，如表1所示。不僅如此，還需要了解校企合作企業(yè)日常工作中必備知識，整合后結(jié)合學(xué)生的特點，完成培養(yǎng)計劃的制訂，教學(xué)大綱的編寫、教學(xué)的正常進行，真正做到“夠用”“適合”的原則。綜合上述缺陷，可以從兩個方面去改善，一方面是針對教師的產(chǎn)教研融合的人工智能師資培訓(xùn)，另外一方面就是針對學(xué)生的學(xué)習(xí)方式的改變。

針對教師的產(chǎn)教研融合的人工智能師資培訓(xùn)，主要是為了解決人工智能缺少專業(yè)師資的難題，據(jù)調(diào)研了解，這幾年的人工智能師資培訓(xùn)班百花齊放，如表1所示，大致列舉出了如下幾個經(jīng)典的案例。這類培訓(xùn)讓高校去了解企業(yè)，解決了學(xué)習(xí)缺乏教學(xué)資源、平臺、師資等難題。部分高校也已經(jīng)和企業(yè)達成合作，增設(shè)校企合作學(xué)院，一起培育出更適合社會、企業(yè)的應(yīng)用型人才。

表1 師資培訓(xùn)情況

針對學(xué)生的學(xué)習(xí)方式的改變所面臨的挑戰(zhàn)更大，理論課程+項目實踐+比賽訓(xùn)練的模式是目前各界認為比較好的培養(yǎng)學(xué)習(xí)方法。首先要以計算機科學(xué)專業(yè)為基礎(chǔ)，將人工智能理論研究或?qū)嵺`操作都融入計算機學(xué)科培養(yǎng)過程中，更利于對人工智能的學(xué)習(xí)融會貫通。在經(jīng)過大學(xué)前兩年的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課和計算機專業(yè)核心課的歷練后，大三開始有多個人工智能研究方向的多門課程可選，主要有計算機視覺、生物計算、語音信息處理、人機交互、系統(tǒng)理論、個性化設(shè)計等。每個專業(yè)方向會有一兩門入門型課程、兩三門與所選方向關(guān)聯(lián)性很強的課程以及多門范圍廣泛的高階選修課，讓學(xué)生可以有多種選擇發(fā)掘自己的優(yōu)勢與興趣所在。

三、教學(xué)方式的優(yōu)化方向

目前全國高校都在努力探索，本文旨在研究應(yīng)用型大學(xué)的人工智能課程及教學(xué)方式的探索，所以把重點放在項目實踐及比賽方面。

首先，由于培養(yǎng)計劃課時的限制再加上學(xué)生需要全面性培養(yǎng)，所以采用線上線下融合的方式。目前國內(nèi)有很多在線學(xué)習(xí)平臺，主要包括中國大學(xué)慕課(MOOC)、網(wǎng)易云課堂、智慧樹、騰訊課堂、優(yōu)課聯(lián)盟、學(xué)堂在線、創(chuàng)客學(xué)院等在線教學(xué)平臺，大多數(shù)主流平臺上都有豐富而優(yōu)秀的課程。很多平臺或多或少仍存在一些問題，如文獻[4]中所述，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差、教學(xué)平臺不夠完善存在技術(shù)隱患等，但是快速更新發(fā)展的科學(xué)技術(shù)手段應(yīng)該可以較快地解決這些問題。在平臺選擇和課程設(shè)計上需要多下功夫，以免出現(xiàn)問題無法短時間內(nèi)快速解決拖慢整個培養(yǎng)進度，最好是利用學(xué)校已有的設(shè)備自己錄制一些實操課，因材施教才是關(guān)鍵。

再者，現(xiàn)今主流的人工智能培養(yǎng)模式都是在一些軟件平臺去實踐，對應(yīng)用型大學(xué)來講，可考慮使用硬件來做，將嵌入式課程也融入其中，有利于學(xué)生的全面發(fā)展。本文探討關(guān)于在經(jīng)典的STM32上的教學(xué)研究，采用的FS-MP1A應(yīng)用STM32MP157A處理器，基于Cortex-A7 32bit RISC核心加Cortex-M4 32bit RISC核心的高性能雙核心處理器可以作為個人學(xué)習(xí)和工業(yè)控制的多功能開發(fā)平臺。FS-MP1A可以應(yīng)用多種場景，可以在各方面訓(xùn)練學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實踐能力，但需要各方面的基礎(chǔ)知識，例如，需要具有Linux開發(fā)能力、SQLite等，基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)進度如表2所示。

表2 STM32基礎(chǔ)學(xué)習(xí)安排

如上所述，有了上述開發(fā)基礎(chǔ)，還需要有綜合項目實踐課程，例如，獲取系統(tǒng)信息：設(shè)計一個實時獲取本機系統(tǒng)信息的軟件，包括獲取IP地址、內(nèi)核版本號、網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送速度、CPU利用率、磁盤讀寫速度等信息，以下幾個綜合實踐項目也可以納入其中。

音樂播放器：該軟件是在Linux環(huán)境下使用QT開發(fā)的一款簡易的音樂播放器軟件。該播放器具有如下功能：批量從本地導(dǎo)入歌曲到歌曲列表中；清空歌曲列表；刪除歌曲列表中選中的歌曲；用進度條顯示歌曲播放的進度，并顯示時間；用“播放/暫停”“停止”“上一曲”“下一曲”四個按鈕對歌曲進行控制；用滑動器對歌曲音量進行控制；右鍵會彈出菜單，可以對程序進行相應(yīng)的控制；提取歌曲的歌詞，并解析歌詞，根據(jù)歌曲的播放進度顯示歌詞。串口調(diào)試工具：串口調(diào)試工具支持以文本或者十六進制方式顯示讀取到的數(shù)據(jù)，也可以以文本或者十六進制方式存儲讀取到的數(shù)據(jù)到指定的文件中。不需要以讀文件的方式讀寫串口，用QT5提供的QSerialPort類讀寫串口，并且用connect函數(shù)把QSerialPort的信號和定義的槽函數(shù)連接起來。修改左上角串口設(shè)置，設(shè)置串口初始化，進行簡單的勾選操作，就可把數(shù)據(jù)寫入文件中。

智慧家庭：智能家居作為一個新生產(chǎn)業(yè)，處于一個導(dǎo)入期與成長期的臨界點，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，培育起消費者的使用習(xí)慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景光明。本文中設(shè)計的智慧家庭板塊主要包括Wi-Fi模塊、天氣預(yù)報模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、設(shè)備控制模塊、智能監(jiān)測模塊、連接百度云模塊等。智能語言/圖像識別：主要是調(diào)用百度AI開發(fā)平臺API進行語音、圖像識別，進行語音控制傳感器的聯(lián)動。智慧醫(yī)療：設(shè)計一個軟件，使用心率/脈搏傳感器采集數(shù)據(jù)，通過算法計算得到心率和血氧。智能安防：實時監(jiān)控，當有火災(zāi)發(fā)生時，火焰?zhèn)鞲衅鲗z測到信息，觸發(fā)蜂鳴器，實現(xiàn)火災(zāi)報警，遮擋光電開關(guān)，會自動彈出門禁系統(tǒng)。

諸如上述的各種實踐項目都是基于STM32 MP157A處理器來操作的，最高工作頻率為800MHz。Cortex-A7處理器為每個CPU內(nèi)置一個32 kbyte L1指令緩存，一個32 kbyte L1數(shù)據(jù)緩存為每個CPU內(nèi)置一個256 kbyte 2級緩存，同時Cortex-A7處理器是一個低功耗的應(yīng)用處理器，旨在為高端可穿戴設(shè)備以及其他低功耗嵌入式和消費應(yīng)用提供豐富的性能，軟硬件相結(jié)合的方式更利于重難點的學(xué)習(xí)，采用功能強大的開發(fā)板助于對細節(jié)及時調(diào)整。