人工智能背景下電子信息類教育新形態(tài)探索

孟慶民，何雪云，鄒玉龍，宛 汀

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，南京 210003）

人工智能（Artificial Intelligence，AI）正在成為這兩年最火的“專業(yè)”之一。在國內(nèi)外，AI 都已經(jīng)是一門學(xué)科，對(duì)其的一種定義是研究計(jì)算機(jī)來模擬人的某些思維過程和行為的學(xué)科。我們的日常生活已經(jīng)融入了各種AI 應(yīng)用，如人臉識(shí)別、指紋識(shí)別解鎖、無人駕駛的汽車和自動(dòng)翻譯機(jī)器人等。在2021 年11 月，教科文組織在《北京共識(shí)》的框架內(nèi)發(fā)表了出版物《人工智能與教育：政策制定者指南》，其正在受到政府相關(guān)部門和教育界的關(guān)注。其旨在就人工智能為教育帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，及其對(duì)人工智能時(shí)代所需的核心能力的影響達(dá)成共識(shí)。該出版物指出人工智能與教育之間的聯(lián)系涉及三個(gè)領(lǐng)域：人工智能學(xué)習(xí)（例如在課堂上使用人工智能工具）、學(xué)習(xí)人工智能（其技術(shù)和技巧）和準(zhǔn)備人工智能（例如讓所有公民更好地了解潛在影響、人工智能對(duì)人類生活的影響）。在學(xué)校教授人工智能項(xiàng)目主要關(guān)注后兩者的聯(lián)系。目標(biāo)是促進(jìn)將人工智能的人文和技術(shù)方面納入學(xué)校學(xué)生培訓(xùn)計(jì)劃的主流。人工智能是一種顛覆性技術(shù)，可以定制不同學(xué)習(xí)小組、教師和導(dǎo)師的體驗(yàn)。表1列舉應(yīng)用人工智能工具來改進(jìn)學(xué)習(xí)過程的5 種方式和功能。本文將聚焦嵌入人工智能應(yīng)用的兩門本科課堂創(chuàng)新過程和教育新形態(tài)。

表1 應(yīng)用人工智能工具來改進(jìn)學(xué)習(xí)過程的方式和功能

一、人工智能創(chuàng)新教育現(xiàn)狀和對(duì)新工科專業(yè)建設(shè)影響

2017 年7 月，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，確立了新一代人工智能發(fā)展三步走戰(zhàn)略目標(biāo)，將人工智能的發(fā)展上升至國家戰(zhàn)略層面。在2018 年7 月，國內(nèi)的26 所高校聯(lián)合申請(qǐng)?jiān)O(shè)立AI 本科專業(yè)。至2020 年，國內(nèi)近300 多所高校增設(shè)人工智能專業(yè)及相關(guān)專業(yè)，如數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、智能科學(xué)與技術(shù)、機(jī)器人工程和大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)等。電子科學(xué)與技術(shù)被評(píng)為世界一流學(xué)科建設(shè)學(xué)科的南京郵電大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）也增設(shè)人工智能學(xué)院和面向本科層次的數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)。盡管如此，我國AI 人才總數(shù)僅為5 萬人，這需要我國高校加大相關(guān)專業(yè)融合的探索。

針對(duì)上述的人工智能發(fā)展的背景和趨勢(shì)，方兵等闡述了我國高校人工智能學(xué)院建設(shè)的動(dòng)因。人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)概述為培養(yǎng)中國人工智能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用型人才，推動(dòng)人工智能一級(jí)學(xué)科建設(shè)。其次，我國政策層面也鼓勵(lì)新工科各個(gè)專業(yè)與人工智能的復(fù)合和交叉。在2018 年4 月2日，教育部給出具體的量化指標(biāo)概述為到2020 年建設(shè)100 個(gè)“人工智能+X”復(fù)合特色專業(yè)等。聯(lián)合國教科文組織倡議各國在將21 世紀(jì)必需的技能納入各自的教育計(jì)劃時(shí)，需要準(zhǔn)確定義“人工智能能力”，而不是基本的信息和通信技術(shù)能力，從而使學(xué)習(xí)者能夠使用計(jì)算方法和技術(shù)識(shí)別來解決問題。在2020 全球人工智能與教育大數(shù)據(jù)大會(huì)上，教育部專家劉利民提及智能技術(shù)在教育資源配置中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，教育領(lǐng)域已經(jīng)成為人工智能重要的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)揮教師在利用智能技術(shù)開展教育教學(xué)中的主體作用將提供高質(zhì)量教育。在2021 年5 月，由天津大學(xué)主辦的“人工智能交叉學(xué)科人才培養(yǎng)論壇”探討了研究生層次的“人工智能+”多學(xué)科交叉人才培養(yǎng)和科研攻關(guān)新模式。在2021 年7 月世界人工智能大會(huì)上，上海交通大學(xué)特聘教授余勇提及，AI 教育是思維能力與方式的教育，而不僅是知識(shí)層面。針對(duì)上述需求，國內(nèi)大學(xué)電子信息類專業(yè)正在修改原有的培養(yǎng)計(jì)劃和增加不同層次的AI 課程。在2021年10 月，“人工智能與教育轉(zhuǎn)型發(fā)展研究”國際學(xué)術(shù)論壇在我校舉行，相關(guān)的專家提及，人工智能技術(shù)將對(duì)教育教學(xué)方式與教育行業(yè)產(chǎn)生變革性影響，高等院校迫切需要強(qiáng)化智慧教育課程建設(shè)，以更好地預(yù)測(cè)和培養(yǎng)學(xué)生在人工智能時(shí)代生活和工作所需的技能。

二、在電子信息類專業(yè)課程中增設(shè)人工智能學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的思考

就電子信息類專業(yè)的課程和教學(xué)創(chuàng)新而言，在大學(xué)本科低年級(jí)和高年級(jí)階段分別增設(shè)人工智能通識(shí)課程和實(shí)踐課程應(yīng)該具有很好的可行性。這因?yàn)楹芏啻髮W(xué)都已開啟了科普性的信息技術(shù)課程和相關(guān)的數(shù)學(xué)課程。例如我校已在大學(xué)二年級(jí)開設(shè)了數(shù)學(xué)建模選修課，該課程初步涉及了優(yōu)化等數(shù)學(xué)思想在實(shí)際問題中的應(yīng)用。至2020 年，我校已經(jīng)開設(shè)了多門相關(guān)通識(shí)課程，如人工智能概論全校任選課及現(xiàn)代信息技術(shù)與人工智能概論。限于篇幅，本文沒有直接討論這類通識(shí)課程的改革，并且將聚焦人工智能實(shí)踐性課程與電子信息類本科課程的融合問題，并且認(rèn)為該實(shí)踐性課程的特別之處在于細(xì)分特色。下文將以通信原理和無線通信原理（雙語）兩門課程為案例，詳細(xì)探討此類課堂變革所引起的細(xì)分特色。僅僅從通信原理課程名稱上看，本課程能力培養(yǎng)目標(biāo)就是基本的信息和通信技術(shù)能力，它與上述“人工智能能力”有關(guān)的信息通識(shí)素養(yǎng)有很大差別。這引起我們思考含有人工智能元素的電子信息類本科課程建設(shè)的新形態(tài)應(yīng)該是什么？即如何把AI 實(shí)踐引入該門專業(yè)基礎(chǔ)課程？與此同時(shí)，該新形態(tài)在高年級(jí)本科生的知識(shí)獲取和能力培養(yǎng)上引起了新的挑戰(zhàn)。這部分原因是人工智能專業(yè)的學(xué)生需要有比較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和動(dòng)手實(shí)踐能力。

三、提出和踐行一種以學(xué)生項(xiàng)目為代表的教育新形態(tài)

（一）在電子信息專業(yè)基礎(chǔ)課引入AI 實(shí)踐的必要性

筆者在2019 年度的授課課程分別是專業(yè)基礎(chǔ)課通信原理A 和專業(yè)課無線通信原理（雙語）。面向三年級(jí)通信原理A 學(xué)時(shí)和學(xué)分分別為80 課時(shí)和5 學(xué)分，該課程含有13章內(nèi)容，如信息論基礎(chǔ)、模擬調(diào)制、數(shù)字帶通調(diào)制、最佳接收機(jī)、信源編碼、信道編碼和同步等。如何在該專業(yè)基礎(chǔ)課上引入AI 學(xué)習(xí)是該課程和教學(xué)創(chuàng)新需要考慮的一個(gè)問題。因?yàn)樵撜n程知識(shí)點(diǎn)非常多從而使得總課時(shí)不足，直接引入AI 基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)和大規(guī)模的AI 應(yīng)用都是不切合實(shí)際的解決方法。盡管如此，專業(yè)基礎(chǔ)課與AI 應(yīng)用的交叉依然是必要的。在2020 年7 月9 日，中國科學(xué)院院士姚期智在《人工智能理論的新方向》的主題演講中提及：“人工智能絕對(duì)是一個(gè)跨學(xué)科的行業(yè)，有許多例證可以表明，在人工智能方面獲得的一些巨大成果往往是因?yàn)橐恍┛此仆耆淮罱鐚W(xué)科之間的合作。”跨學(xué)科的專業(yè)融合將有利于培養(yǎng)電子信息專業(yè)的教師和學(xué)生的人工智能能力與創(chuàng)新思維。當(dāng)然，這種交叉可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能見效。因?yàn)槲覀儾恢涝陔娮有畔㈩悓I(yè)基礎(chǔ)課引入多少AI 實(shí)踐內(nèi)容和課時(shí)是合適的。李德毅等認(rèn)為智能科學(xué)與技術(shù)的核心課程應(yīng)成為理工科為主體的本科生通識(shí)教育課程。何偉光等指出應(yīng)該以本科課堂變革為中心來提升一流本科的AI 教育。

此外，對(duì)通信原理的后續(xù)無線通信原理（雙語），我們也正在開始改革計(jì)劃。作為一門與工程相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課，我們計(jì)劃是在2022 年引入在線開放課程內(nèi)容和學(xué)生項(xiàng)目環(huán)節(jié)，學(xué)生項(xiàng)目將包含基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無線定位和綠色安全無線通信等案例，這將有利于培養(yǎng)通信工程專業(yè)學(xué)生的解決實(shí)際問題的能力。

（二）專業(yè)融合中大學(xué)教師的AI 素養(yǎng)

課程改革目標(biāo)通常分為如下四個(gè)步驟：培育教師隊(duì)伍、革新教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法和促進(jìn)教材建設(shè)。新工科需求進(jìn)一步促進(jìn)了人工智能和教育的一種新交匯，即跨學(xué)科學(xué)習(xí)，并且跨學(xué)科學(xué)習(xí)的主體是大學(xué)教師和學(xué)生。本章節(jié)稍詳細(xì)討課程改革目標(biāo)中的論跨學(xué)科學(xué)習(xí)、培育教師隊(duì)伍與革新教學(xué)內(nèi)容。瀏覽上述通信原理A 的課程內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，其中的幾個(gè)章節(jié)與機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、語音處理等AI 課程內(nèi)容有一定的交集。基于前述的人工智能能力培養(yǎng)的需求，通信原理課程組在2018 年和2019 年度連續(xù)進(jìn)行了如下的AI 專業(yè)融合探索，即以學(xué)生項(xiàng)目為代表的一種教育新形態(tài)。把電子信息類專業(yè)的傳統(tǒng)課程轉(zhuǎn)化為“人工智能+X”復(fù)合特色專業(yè)課程并不是一件容易的任務(wù)，需要大學(xué)專業(yè)教師結(jié)合自身?xiàng)l件和優(yōu)勢(shì)來不斷地學(xué)習(xí)人工智能新理論和技術(shù)，并且利用科研來促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容革新。扮演通信工程師角色的授課老師，需要利用課余時(shí)間逐步了解相關(guān)的幾門AI 核心課程和進(jìn)行有關(guān)的科研活動(dòng)（如發(fā)表學(xué)術(shù)論文），然后結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)課相關(guān)知識(shí)點(diǎn)來完成學(xué)生項(xiàng)目的出題，下面將詳細(xì)地介紹學(xué)生項(xiàng)目、案例、挑戰(zhàn)與初步成效。

（三）專業(yè)融合中的學(xué)生項(xiàng)目

把學(xué)生項(xiàng)目按照15%比例計(jì)入通信原理課程總成績(jī)并且結(jié)合另外7 個(gè)教學(xué)過程環(huán)節(jié)，原來的專業(yè)基礎(chǔ)課程就升級(jí)為一門研究性教學(xué)課程。由于學(xué)生項(xiàng)目的輸出為研究性報(bào)告，下文也把該項(xiàng)目簡(jiǎn)稱為研究性報(bào)告，并且研究性報(bào)告的驗(yàn)收包含按照小組的演講。這里需要說明，研究性報(bào)告僅僅是整個(gè)研究性教學(xué)課程的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樵撜n程教學(xué)大綱包含了教學(xué)課程各個(gè)環(huán)節(jié)和考核：考勤、作業(yè)、小組討論、實(shí)驗(yàn)與仿真、平時(shí)測(cè)試、期末測(cè)試和研究性報(bào)告等8 個(gè)環(huán)節(jié)。建立研究性教學(xué)課程的目的解釋是：在新工科背景下，對(duì)電子信息類的傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課通信原理A 增添AI 實(shí)踐，有助于學(xué)生運(yùn)用所掌握的知識(shí)去解決現(xiàn)有的問題。研究性報(bào)告的課程和教學(xué)創(chuàng)新另外一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是以學(xué)生為中心的協(xié)作式學(xué)習(xí)，并且教師要為學(xué)生的思維和能力培養(yǎng)提供必要的教學(xué)服務(wù)。這里思維包含人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的思維方式，即一種將傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科專業(yè)與新興學(xué)科專業(yè)相融合的嘗試。該研究性報(bào)告類似在美國課堂中典型的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）教學(xué)設(shè)計(jì)，該專業(yè)基礎(chǔ)課中專業(yè)問題將采用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方法來解決，從而引起學(xué)習(xí)者興趣。學(xué)生需要學(xué)習(xí)使用工具處理數(shù)據(jù)與建立圖表，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與推論和完成項(xiàng)目報(bào)告等。培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)誠信價(jià)值觀是該學(xué)生項(xiàng)目一個(gè)重要考核目標(biāo)，教師需要強(qiáng)調(diào)誠信的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和寫作是前提。我們認(rèn)為，誠信不僅僅是思政教育的基本內(nèi)容，也是一種新工科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。

（四）專業(yè)融合中的研究性報(bào)告案例

在學(xué)習(xí)通信與信號(hào)處理領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)并且進(jìn)行基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析，最后完成研究性報(bào)告。

（1）語音信號(hào)捕獲和基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語音識(shí)別（涉及課程第10 章的知識(shí)點(diǎn)，也涉及數(shù)字信號(hào)處理課程的知識(shí)點(diǎn)；Matlab 或Python）。

（2）圖像信號(hào)霍夫曼編碼和數(shù)字基帶傳輸（第6—7章、第10—11 章知識(shí)點(diǎn)，也涉及信息論與編碼和數(shù)字圖像處理等課程的知識(shí)點(diǎn)；Matlab 或Python）。

（3）頻率調(diào)制（涉及第5 章知識(shí)點(diǎn)，需要綜述頻率調(diào)制的最新進(jìn)展如調(diào)制識(shí)別。參考電子書Contemporary Communication Systems Using MATLAB）。

（4）基于機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)（如果選擇（4），需要同時(shí)做（3）和（4）項(xiàng)目。需要參考樊昌信的《通信原理》第6版中第14 章通信網(wǎng)的知識(shí)點(diǎn)；Matlab 或Python）。

（五）教育新形態(tài)挑戰(zhàn)和初步成效

上述實(shí)踐包含了學(xué)生項(xiàng)目教育新形態(tài)和在線教育新形態(tài)。該實(shí)踐受到我校通信與信息工程學(xué)院和貝爾英才學(xué)院的支持，并且目前僅僅在貝爾英才學(xué)院的理工科強(qiáng)化班試驗(yàn)，尚沒有在其他通信工程教學(xué)班推廣。該教育新形態(tài)給大學(xué)專業(yè)課教師的教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)生學(xué)習(xí)方式都可能帶來新的挑戰(zhàn)。這因?yàn)槭谡n教師需要花很多時(shí)間來適應(yīng)如上的教育新形態(tài)，如準(zhǔn)備課程和教學(xué)創(chuàng)新所需要的教學(xué)設(shè)計(jì)并且在課后至少輔導(dǎo)多次，甚至要預(yù)先準(zhǔn)備驗(yàn)證性參考程序以便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。這種教學(xué)設(shè)計(jì)涉及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域與原有專業(yè)領(lǐng)域的交叉。在新形態(tài)探索中教師已經(jīng)遇到此類的問題：應(yīng)該壓縮或者淘汰多少原有專業(yè)課程的知識(shí)點(diǎn)，以余下時(shí)間來讓學(xué)生學(xué)習(xí)交叉領(lǐng)域的知識(shí)。對(duì)學(xué)生而言，這些教育新形態(tài)給他們?cè)鎏砹祟~外學(xué)習(xí)難度和負(fù)擔(dān)。因?yàn)樗麄冃枰谜n余時(shí)間進(jìn)行協(xié)作式的小組討論、文獻(xiàn)查詢、相關(guān)在線課程的學(xué)習(xí)、基本的編程訓(xùn)練和科研論文寫作等。換言之，該課堂改革是一種線上與線下混合的、探究式的、小組合作的改革。學(xué)生學(xué)習(xí)方式變化是需要利用線上資源對(duì)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)做擴(kuò)展性的學(xué)習(xí)，而不是僅僅學(xué)習(xí)一本主要教材的知識(shí)點(diǎn)。因此，原來教材內(nèi)容被擴(kuò)展了，擴(kuò)展為在線的學(xué)習(xí)資源與工具，這里的工具包含基本人工智能框架。這種利用線上資源的擴(kuò)展性學(xué)習(xí)是專業(yè)基礎(chǔ)課程課堂教育的一小步創(chuàng)新。在課程結(jié)束后的兩個(gè)月，該班9 個(gè)小組中的3 個(gè)小組的研究報(bào)告擴(kuò)展版被英文國際會(huì)議錄用。通過學(xué)生項(xiàng)目中漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)、仿真和研究報(bào)告寫作，部分學(xué)生在對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)點(diǎn)理解加深的同時(shí)，也完成了最基礎(chǔ)的人工智能實(shí)踐訓(xùn)練，并且提高了利用AI 來解決工程問題的能力。

四、結(jié)束語

目前人工智能與相關(guān)專業(yè)的交叉尚處于探索中，未來智慧教育課程建設(shè)將需要更多的理論和案例。本文概述了人工智能創(chuàng)新教育現(xiàn)狀、在電子信息類課程中增設(shè)人工智能學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的思考，并且提出和踐行一種以學(xué)生項(xiàng)目為代表的教育新形態(tài)或者新模式。這類新模式可能帶來如下啟示，即逐步在電子信息類的課程體系中，滲透和增加人工智能元素以形成“人工智能+X”復(fù)合特色專業(yè)將是電子信息類大學(xué)教育的一個(gè)發(fā)展方向，該細(xì)分特色利于在傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科專業(yè)課程的傳承當(dāng)中也有自己的創(chuàng)新，從而促進(jìn)一流學(xué)科和新工科的創(chuàng)新課程體系的建設(shè)。與此同時(shí)，含有學(xué)科交叉新模式也給大學(xué)教師的AI 素養(yǎng)和培訓(xùn)提出了新挑戰(zhàn)。