新工科背景下人工智能專業實踐類課程教學改革探析

張曉孿 何苗 王西鋒 李亞峰 張文博

關鍵詞：新工科；人工智能；實踐類課程；教學改革

0 引言

2017年以來教育部積極推進新工科建設，積極探索工程教育的中國模式和經驗，助推高等教育強國建設。新工科的內涵是以立德樹人為引領，培養卓越工程人才，核心點是提高人才培養能力。人工智能專業是一個研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。在新工科的背景下，新工科建設的新標準對該專業的人才培養提出了更高的要求。2019年教育部高教司組織開展人工智能領域核心課程知識體系和資源建設。目前構建人工智能人才培養體系、建設高質量的人工智能方向理論、實驗課程資源已成為人工智能人才培養的迫切需求。寶雞文理學院在2020年獲批人工智能專業，筆者從人工智能專業實踐類課程教學實際出發，旨在探索提高課程教學質量的可行方法，提出了一系列的有效措施，將為培養“新工科”卓越工程人才，提升大學生工程實踐能力與創新能力，為學生走向工作崗位奠定良好的基礎。

1 人工智能專業實踐類課程現狀

寶雞文理學院的人工智能專業旨在培養立足寶雞、面向西部、服務全國，德智體美勞全面發展，具備良好的人文素養、職業道德和社會責任感，掌握相關基礎理論、專業知識和技能、分析設計方法，能夠在人工智能及其相關領域從事科學研究、設計研發、運維管理等工作的高素質應用型人才。在該專業的人才培養方案中，人工智能實踐類課程發揮著十分重要的作用[1]。實踐類課程主要培養學生工程實踐能力，工程實踐能力指的是能夠具有工程意識、創新意識，能夠將所學知識應用于工程實踐當中的能力。學生工程實踐能力包含學習能力、思維能力、表達能力、創新能力、計算分析能力和團隊合作能力等要素，培養目標是為社會輸出適應社會需求的應用型人才。該實踐類課程主要實踐教學環節安排如表1所示。

2 人工智能實踐類課程教學存在的問題及分析

新工科建設是教育強國建設的引領力量，教育部在2019年3月批復了35所高校作為人工智能首批新專業建設資格，首次確定了人工智能這個本科專業。截至目前，已有400余所高校獲批人工智能本科專業。由于人工智能專業整體開設時間不長，目前國內高校的人工智能實踐類課程教學體系建設尚處于初級階段，呈現出開設時間短、理論和實踐結合度不高、課程體系化程度建設不足、實踐教學資源不豐富、教學內容陳舊沒有及時更新，專業所學內容與工業界的實際需求脫節等缺點。目前教學模式上還是主要采用教師講授與布置實驗作業的方式，學生通過課內外的實驗作業完成課程目標所對應的主要算法、基本思想、核心技術等的訓練。在新工科背景下，依然采用傳統教學模式難以適應工作崗位對專業或者研究方向的人才需求。

現有的實踐教學模式和存在的問題影響到學生能力培養和素質的提升，主要原因分析為：部分任課教師在教學過程中過于重視各門專業理論課程中知識點學習，忽視了學生工程實踐能力的培養，學生動手實踐機會少，工程實踐能力不高；具有實際項目開發經驗的教師和創新創業導師數量匱乏；專業實驗室軟硬件環境落后，嚴重影響到人工智能專業學生的發展；過于注重學生基礎課的學習忽視了學生素質的提升；傳統教學模式禁錮了學生能力的提高，導致學生不能將所學知識運用于實際解決問題。

3 人工智能實踐類課程改革思路及實施路徑

在人工智能專業教學中，需要培養學生豐富的專業實踐能力，具有發現問題、分析問題和解決問題的能力。新工科背景下的人工智能課程教學目標是為國家培養一流人才，要求在大學四年的實踐教學環節中不斷提高大學生的工程實踐水平。寶雞文理學院的人工智能專業學生畢業5年后應達到的一個目標是綜合運用自然科學、工程科學和專業知識，對人工智能領域實際工程項目提供系統性的解決方案，因此今后的專業教育必須關注市場需求和發展，不斷鞏固學科理論基礎，并為社會培養專業領域的緊缺優秀人才，滿足國家各行各業的智能化建設和發展的需要，具體路徑可從以下幾個方面實施。

3.1 更新實踐教學理念

新工科建設在注重學科交叉融合的同時也對工程教育與學生綜合素養、能力提高提出了新的要求[2]。任課教師要加強自我學習，不斷豐富自己的綜合素養，研究和學習新理念，積極構建新工科背景下專業實踐教學體系，改變傳統考核模式。

以人工智能導論課程為例，通過本課程的學習，學生應該掌握人工智能的基本概念與方法，了解人工智能領域的前沿技術和現存問題，掌握如何用計算機實現系統建模、推理，大數據挖掘與分析、機器學習等，具有一定的人工智能算法編程和運用能力，把握人工智能技術的社會應用和發展方向，所以該門課程的實踐教學理念就應該以能力培養、加強實踐為中心，不斷激發大學生對人工智能學科的學習興趣，能將知識運用于工程問題的分析、建模和技術開發過程，培養學生知識創新、技術創新以及理論遷移為應用的能力。

3.2 加強實踐教學設計

在新工科建設下需要從人工智能實驗實踐教學的內容體系上加強教學創新性設計，新體系應加強課程群建設，有機融入課程中的基礎理論知識和最新發展動態，不斷研究與軟件公司合作的各種實踐教學內容設計，加強創新創業實踐教育和工程教育，繼續完善校企合作、產教深度融合、各類實習和技術培訓。人工智能+新工科的新目標落實的重要基礎就是如何建立一個完善的實驗實踐教學新體系[3]，具體措施為在課程實驗設計上既要體現課程間知識點的交叉融合又要注重學科的繼承和創新，定期更新實驗內容與時俱進，將從專業的基礎實驗、人工智能應用實驗兩個角度構建實驗知識體系。同時任課教師在實踐教學中也應當以生為本、因材施教，重視大學生實踐操作能力培養和提升，引導和幫助大學生將所學專業理論知識和成果轉化為專業應用實踐能力[4]。

在人工智能導論課程中，綜合考慮到教學大綱中理論學習內容、實驗教學目標和實驗要求，實驗內容設置情況如下：

3.3 改進實踐教學方法

工科專業要培養應用型人才，核心環節是實驗教學，計算機實驗教學離不開現代化的高效實驗室。教學方法在新工科背景下的教學過程中，對應用型本科人才的培養發揮著十分重要的作用，因此需要解決傳統實驗實踐教學模式中存在的痛點，探索和確立實驗實踐教學新方法和新途徑，積極發揮虛擬仿真實驗、云端實驗教學等新途徑的優勢。教學新方法、新途徑的實施需要專業教師的專業能力作為基礎，因此還要認真探討專業教師應對新背景下的專業能力提升新策略。教師要探索實驗實踐教學新模式，是落實“人工智能+新工科”視域下新目標的重要保障。此外教師還應提高對市場的關注，了解市場對于大學畢業生的素養新需求，了解計算機實驗教學的新要求與新形態，對以往的固有教學模式與教學方法進行更新與調整，制定切實可行的解決對策。同時教師應對實驗教學內容和效果不斷進行總結，提煉出可行的實驗教學策略與教學模式，切實提高實驗教學水平與教學質量。教師可以把理論教學與實踐教學相融合，講授一些理論知識點時通過實踐課實例驅動。在實際教學中采用豐富的教學手段，例如老師利用案例驅動、分組討論、反轉課堂等對學生進行理論與實踐知識的講解。

例如在《人工智能導論》課程中的VGG-16遷移學習實驗中，實驗目的是加深對遷移學習含義的理解，基本掌握VGG-16結構和遷移學習過程，具體內容是在Python中實現VGG-16遷移學習，將其遷移到與圖片分類不同的領域，實現動物體長的識別，效果如圖1所示。

在具體的教學實施過程中，有關VGG-16網絡結構和原理的學習要求學生通過網絡中的視頻資源采用自學方式在課前初步掌握，實驗中用到的Python第三方庫安裝和技術點的理解通過分小組討論和案例驅動的方式掌握；遷移學習過程由老師現場講解主要步驟和關鍵技術，學生分組動手實踐，學生提問老師現場答疑解惑。課后分組撰寫和提交實驗報告鞏固實驗課學習內容。

3.4 建立多層次實踐平臺

一個專業的實踐教學類型豐富，具體有各門課程的實驗和實踐、期末的課程設計、各種實習，也包含學生參加的各種社會活動和勞動。科學地構建和完善實踐平臺，對推進專業人才培養和改革具有重要意義[5]。構建有效工程實踐途徑，建立多層次實踐平臺，包括以下幾個層次：1） 建設以實驗教師為主體的用于理論教學的專業實驗室；2） 組建以專業教師為指導教師的學生創新實驗室和各類競賽小組；3） 構建以專業教師和企業技術人員為主體的工程研究中心和企業實訓基地；4） 搭建以學科帶頭人為主體的各類研究所；5） 打造創新創業教育基地，鼓勵學生積極參與學科競賽等創新創業活動，組織大學生利用課余時間開展行業調研、了解行業發展的問題和困難，完成調研報告；鼓勵大學生利用寒暑假到企業參加專業實習和創新創業實踐，強化實訓和與企業的產學合作協同育人教育，擴寬學生眼界和知識面，提高工程實踐技能，旨在提高學生的創新創業能力。通過以上措施，建立對師生的激勵制度，吸引和鼓勵學生進入實驗室、研究所和實訓基地等，發揮各級實踐實訓場所在工程實踐型人才培養中的作用。

4 結束語

新工科是基于高等學校落實立德樹人新要求和國家戰略發展新需求而提出的工程教育的改革方向，是新時期高等教育改革的探索和嘗試。一所大學的人工智能專業要辦出專業特色和高質量，需要根據自身專業的特點、生源基礎、師資力量和教學資源等進行因材施教。相信在當前新工科理念的指導下，人工智能實踐類課程教學改革能更好地達到專業培養目標和培養該學科領域的專業研究與技術人才。