新工科背景下的新型人工智能課程體系構建

何東曉，金 弟，王英奎，2

（1.天津大學 智能與計算學部，天津 300350；2.天津仁愛學院 計算機科學與技術系，天津 301636）

0 引言

為深化工程教育改革、建設工程教育強國，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”［1］和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》［2］和《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》［3］。教育部、中央政法委、科技部等13個部門于2019年4月29日在天津聯合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設，以提升高校服務經濟社會發展的能力［4］。

針對科技發展的新形勢，新工科建設一方面開設了新專業，另一方面對已有工科專業提出了全新要求。人工智能作為一門交叉學科，在新工科建設中有著非常重要的地位，在眾多現實領域中都具有廣泛的應用前景，如自然語言理解、計算機視覺、自動駕駛、語音處理等［5］。2017年7月，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》［6］；2018年4月，教育部制定了《高等學校人工智能創新行動計劃》［7］。人工智能已經成為中國科技發展的“頭雁”，人工智能教育在高校中逐步成為了核心內容。

人工智能的研究對象是知識，目標是讓機器模擬人類大腦，從而實現機器智能。在無法從生物學角度完全揭示人類大腦組織結構和工作原理的情況下，人工智能需要進行復雜而系統的建模，然后對模型不斷進行優化，最終實現具有一定人類智能程度的機器智能。因此，人工智能人才必須掌握全面的人工智能專業知識，具有深入的數學功底，以及較強的程序開發能力［8］。

綜上所述，新工科建設為人工智能教育提供了新的機遇和挑戰，高校人工智能課程的教學目標是讓學生系統、全面地掌握人工智能學科的知識結構和理論體系［9］。無論是當今社會科技的發展對人工智能人才的孜孜以求，還是新工科建設對人工智能教育領域的重點關注，都在促使人工智能大學教育思索如何使教育發揮最大實效［10-17］。目前高校中的人工智能課程體系需要適應當前的社會發展需求。

1 相關工作

近年來隨著新工科建設要求的提出，學者們進行了大量的人工智能教學相關研究［18-29］。文獻［24］從理論課、實踐課、科研訓練及創新幾個方面分析了人工智能課程體系構建；文獻［25］研究了新工科建設背景下人工智能人才培養路徑；文獻［26］通過對新工科背景下地方高校在創新創業教育中存在問題的研究，提出“創意、創新、創業”“三創合一”的智能人才培養體系；文獻［27］研究了“教研賽訓”工作室人才培養模式在人工智能教育中的實踐；文獻［28］從教學方法、教育理念、培養模式等方面提出人工智能人才培養改革思路；文獻［29］從人工智能人才培養方案、人工智能課程體系構建和本碩博人才培養路徑三方面研究了新工科背景下人工智能課程體系建設思路。

然而，以上研究工作缺少對人工智能課程體系本質特征的分析。人工智能課程體系涉及眾多基礎理論知識，例如數學、信息科學、數理邏輯［30］等，學生有大量知識需要掌握。此外，學生還需要參與課程實踐以及項目實習活動。在新工科建設背景下，目前的人工智能課程存在以下痛點：

（1）課堂理論教學難以有效實施。人工智能作為一門學科，具有系統的基礎理論體系，涉及到數學、信息學、計算機科學等眾多學科。因此，如何把人工智能基礎理論系統地傳授給學生是一個長期存在的難題。根據2021年、2022年對天津大學智能相關專業220名學生的調查顯示，高達85%的學生反映基礎理論部分枯燥難懂（如知識表示和推理），部分學生產生了抵觸情緒，學生學習壓力普遍較大。

（2）教學手段單一，與社會發展脫節。目前的人工智能教學手段主要包括課堂教學、機房上機練習以及課下大作業等。其中，課堂教學居主體地位，輔以課上或課下機房上機練習，課下大作業由學生單獨或建立小組完成。這種教學手段過度依賴于面對面的教師講授，沒有充分利用便捷、有效的網絡信息技術，已難以適應當前社會的快速發展。尤其是在近兩年的疫情中問題尤為突出，離開現實課堂課程便難以有效、正常運行，無論是上機練習還是課程大作業的完成質量均難以得到有效保障。因此，如何有效融入在線教學資源成為將來面臨的一個重要問題。

（3）與前沿科學研究脫節。目前，人工智能課堂上講授的知識大部分為基礎知識和經典人工智能方法，學生的課程實踐也主要面向基礎知識。然而，人工智能從1956年誕生開始，經歷了3個發展階段。人工智能本身就是一門發展十分迅速的學科，各種新技術、新模型不斷涌現，例如目前的研究熱點——各種深度學習模型得到了廣泛關注和應用。在當前的人工智能課題體系下，在校學生缺乏對人工智能發展前沿研究的認知，與現實人工智能發展狀況脫節。

（4）與實際應用脫節。人工智能技術廣泛應用于現實場景中，新工科建設要求培養人工智能應用型專業人才，而目前在校學生學到的知識大部分是理論知識，難以解決實際問題，導致理論與實踐應用嚴重脫節。

綜上所述，目前人工智能課程體系難以滿足新工科建設以及現實社會對人才的需求，在人才培養過程中需要進行系統的課程體系改革。

2 課程體系改革目標

本課程體系改革重點關注以下3個目標：

（1）改進高校人工智能課堂教學模式，提高學生課堂學習效率，加強學生與教師之間的互動，為學生掌握基礎知識打下良好基礎。

（2）提升學生的科研能力，讓學生了解人工智能相關領域的國際前沿研究水平，學習領域內的高水平論文，參與高水平科研項目的開展，不斷拓展學生視野。

（3）與AI企業合作，構建人工智能校企合作平臺，解決高校實踐教學滯后于業界工程技術的現實問題，打造新型校企合作的人工智能課程體系。

3 新型人工智能課程體系構建

為解決上述人工智能課程體系中存在的問題，實現預定目標，本文提出了新工科背景下的新型人工智能課程體系。

3.1 課程體系改革實施基礎條件

筆者來自天津大學智能與計算學部人工智能教研組，負責計算機專業本科生人工智能基礎必修課、研究生智能科學必修課等AI核心課程，在人工智能領域具有豐富的教學經驗，并與多個人工智能高科技企業有密切合作，以上條件為新型人工智能課程體系的構建與實施奠定了良好基礎。

3.1.1 實驗基礎條件

天津大學智能與計算學部在衛津路校區和津南校區擁有兩處計算機實驗教學中心，可提供人工智能課程體系建設所需的實驗設備。

在服務器方面，可使用天大超級計算中心部署的曙光“星云”系列高性能計算集群，該集群有56個計算節點，1 232個CPU核，峰值速度高達每秒11萬億次，內存總量2TB，并行存儲總量33TB。同時，天大超級計算中心作為國家超算中心的分中心，可連接“天河一號”超級計算機系統，能夠滿足超大規模計算任務的計算需求。此外，筆者所在團隊擁有一臺內存 128G（可擴展至256G）的GPU服務器，帶有2塊1080Ti 11G GDDR5X 顯卡；一臺 2TB 內存（可擴展至 4TB）的 Dell R920 服務器，外加一個 Dell PowerVault MD1200 磁盤儲存陣列（12x 4TB）。另外，在人工智能專業教學方面，也具備計算機視覺、語音處理、自然語言處理等各個研究方向的基礎實驗條件。

3.1.2 實驗平臺

支撐人工智能課程體系建設的實驗平臺包括線上實驗平臺和線下實驗平臺兩類，其中線上實驗平臺采用華為云人工智能實驗平臺；線下實驗平臺由天津大學智能與計算學部和多家企業合作打造，包括人工智能綜合教學實驗箱、人工智能語音開發套件、機器視覺開發套件、人工智能機器人開發套件、人工智能虛擬仿真平臺等。

3.2 課程體系建設內容與實施路徑

3.2.1 新型人工智能課程體系

為解決傳統人工智能課程體系中存在的問題，本文創新性地提出“教學”+“科研”+“創新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系。體系架構如圖1所示（彩圖掃OSID碼可見，下同）。

Fig.1 Architecture of artificial intelligence curriculum system圖1 人工智能課程體系架構

（1）基礎知識教育。基礎知識教育部分為人工智能課程體系的基礎，包括3部分：公共基礎課、學科基礎課、學科核心課。其中，公共基礎課主要培養學生的基本能力，包括思想政治教育、大學英語、高等數學、大學計算機基礎、體育、大學物理、形勢與政策等；學科基礎課為人工智能專業課程打下堅實基礎，主要包括數據結構、離散數學、操作系統、數據庫技術、算法分析與設計、人工智能概論、Python程序設計等；學科核心課包括機器學習、人工智能算法基礎、大數據技術、知識圖譜、自然語言處理、神經網絡與深度學習、計算機視覺等。

（2）科研培養。在新型人工智能課程系統中，科研培養為主要的創新點。針對人工智能學科發展迅速的特點，要保證學生掌握知識的及時性和前沿性，必須讓學生具有初步的科研能力。因此，設置了科技論文寫作、國內外學術交流、學術道德、科技論文分享和學者專題講座等課程。

（3）創新教育。創新教育主要培養學生對學術和應用的創新能力，包括創業大賽、科技大賽、新工科創新課程、科研成果（專利/論文）培育等。

（4）實踐教育。實踐教育的目的是為了培養學生的知識應用能力，讓學生把課堂上學到的知識以及前沿學術成果應用于現實問題解決中，主要包括科技企業實習、新工科實踐、教育基地實習、校企合作實習、高校實驗室實踐以及示范課程實踐等。

綜上所述，本文提出以基礎知識教育為基礎，科研培養為創新點，創新教育與實踐教育相互融合的“教學”+“科研”+“創新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系。

3.2.2 新型人工智能課程體系建設實施路徑

新型人工智能課程體系建設的整體實施路徑如圖1所示。首先，從基礎知識教育出發，為科研培養提供保障；其次，科研培養為創新教育和實踐教育提供支撐；最后，創新教育與實踐教育相互支撐，培養學生良好的創新和實踐能力。實施過程中的創新手段如下：

（1）人工智能課堂教學改革。在課堂教學中，將枯燥的人工智能基礎知識用生動化、趣味化的方式呈現，如演示動畫、慕課、翻轉課堂等。在教學工具方面，在傳統多媒體教學工具（如PPT、Word、電子白板）的基礎上使用可視化教學演示系統，提升學生的學習興趣和學習效率。例如采用數學畫圖工具GeoGebra，對于復雜的三維圖形可以進行360度旋轉，使數學概念變得生動、形象、易于理解，如梯度下降（見圖2）、傅里葉變換、卷積操作等，建立教師與學生高度互動的課堂教學風格，提高學生的學習主動性和學習效率。在傳統線下教學的基礎上，引入騰訊會議直播、騰訊課堂、學習通、ClassIn等在線教學工具，探索線上線下相結合的教學模式。線上的錄播課程和直播課程能夠解決跨時間與跨空間的授課問題，學生不再拘泥于在固定的教室、固定的時間上課，這對未來教學模式的發展具有重要意義。

Fig.2 Gradient descent of a saddle shape function圖2 有鞍點的梯度下降

此外，在課堂授課中，除講授基本的書本知識外，還邀請國內外人工智能領域的著名專家學者做科普講座和專業知識講座，讓學生對人工智能的不同研究領域有初步認識。通過與領域專家面對面的溝通交流，可開闊學生視野，提高學生的學習興趣，為其選擇未來的研究方向作出有益指引。

（2）將高校科研實驗室引入人工智能課程體系。許多高校教師都承擔著科研任務，有成熟的科研實驗室。本課程體系的第二個建設內容即為讓學生參與實驗室前沿科研課題，從基礎的理論理解到模型實現，再到實驗的實施和論文撰寫。還可以讓感興趣的學生參與研究生組會，共同探討國際前沿研究成果。

（3）與企業合作，打造校企合作平臺。建立人工智能實訓基地，完善學生實訓體系建設，讓學生在相對集中的實習時間內參與實際工作，有效提升學生對人工智能技術的理解和實踐能力。另外，借助學校和教師的力量，與AI高科技企業進行合作，讓學生進入企業深入了解人工智能工程領域的前沿應用。

3.3 課程體系特色

本文提出的人工智能課程體系最大的特色是在新工科建設指導下，構建“教學”+“科研”+“創新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系。其中，“教學”擬沿用一線年輕骨干教師授課、人工智能領域著名教授講座、企業實際項目指導三維教學模式；“科研”擬以高校教師科研實驗室為核心，提升學生的科研素養，擴展學生的視野；“創新”包括科研成果和落地應用兩個方面，科技企業參與應用落地指導；“實踐”包括學生參與人工智能企業實習、參與人工智能相關競賽等。

4 課程體系改革效果

本文提出的“教學”+“科研”+“創新”+“實踐”四位一體的人工智能課程體系已在天津大學智能與計算學部和天津大學仁愛學院進行實施，下面從3個方面對課程體系改革效果進行評估：

（1）學生課堂學習情況。通過在課堂教學中引入多種教學手段，學生的課堂表現和以前相比有了很大改善，很少發生走神、玩手機、睡覺等狀況。在講課過程中，學生能夠積極參與和教師的互動，形成了良好的課堂氛圍。值得注意的是，天津大學仁愛學院的學生變化更為明顯。

在人工智能教學過程中，筆者邀請了計算機視覺、語音處理、自然語言處理、社交網絡分析等領域的著名專家給學生作專題講座，很多學生都能夠積極參與，向專家提出人工智能專業問題或科研相關問題，專家們的回答加深了學生們對專業知識的理解，甚至對部分學生未來的職業規劃都起到了積極影響。

此外，受新冠疫情影響，2021-2022學期有大約50%的課時通過在線完成，包括提前錄制后在學習通上發布的課程和在線直播課程。在整個教學過程中，教師和學生都感受到了線上教學模式帶來的便利，師生們逐步接受了這種新的教學模式，為未來教學模式的全面變革作好了準備。

在天津大學和天津大學仁愛學院的人工智能課程期末考試中，學生們的平均成績與去年相比，分別從74分提升至81分，以及從70分提升至75分。在期末的學生評教中，人工智能課程均取得了95分以上的優秀成績，表明學生對目前授課形式的肯定和支持態度。

（2）學生課程實踐情況。除基本的學校內的課程實踐外，天津大學智能與計算學部的學生還參與了京東、美團等國內互聯網企業的AI合作研究項目（如基于圖神經網絡的推薦系統項目等）。學生能夠認真思考如何利用人工智能知識實現企業中的真實業務需求，提交的課程大作業不再是簡單的實驗報告，而是具有含金量的真實問題解決方案。

此外，學生還積極參與國內外人工智能相關競賽，取得了較好成績，如：學生組隊參加“中電慧治”杯政府治理大數據產業應用算法大賽，得到了唯一的冠軍。

（3）科研和創新情況。學生分批次參與了筆者教研室的論文寫作和科研項目，對如何閱讀與撰寫學術論文、開展實驗，以及如何撰寫研究計劃和完成項目課題都有了直觀和深入了解。部分學生能夠針對科研問題提出自己的見解，并成功發表CCF A類或JCR一區論文。

5 結語

本文在新工科建設的背景下，揭示出目前高校人工智能教學中存在的主要問題，進而提出“教學”+“科研”+“創新”+“實踐”四位一體的新型人工智能課程體系。該課程體系已在天津大學智能與計算學部和天津大學仁愛學院進行實施，結果證實了人工智能相關專業學生的工程實踐能力、研究能力都得到了顯著提高，同時也提升了學生的升學與就業競爭力。