農業院校工科研究生課程“人工神經網絡”改革與實踐
——以沈陽農業大學為例

張旭東，徐 威，徐 偉

（沈陽農業大學 水利學院，遼寧 沈陽 110866）

伴隨人工智能、深度學習、移動互聯網、大數據、機器人等新技術的挑戰，新一輪科技革命和產業革命深入推進，國家對新農科、新工科建設提出了新要求，要求培養復合型、應用型、創新型高級專業人才［1］。研究生是大學生中的特殊群體，研究生教育是高等教育中的最高層級教育［2］，因此，研究生特別是規模較大的碩士生培養有其特有的規律，其教育教學內容和方式也應隨時代發展和國家要求而變化?！叭斯ど窠浘W絡”這門課程在一定程度上反映了現代人工智能等新技術的發展成就和最新成果，2018年被列入沈陽農業大學水利工程專業碩士、農業水土工程學術碩士等研究生培養方案，同時也作為本校相關工科研究生專業的選修課，并于2019年正式開課。作為一門面向工科（包括水利學院、農業工程學院、信息與電氣學院）新開設的研究生課程，“人工神經網絡”課程通過幾輪的教學實踐，在內容選擇、教學方法、持續改進方面進行了一些探索和嘗試，可為其他類似新工科、新農科研究生課程的開設提供思路與借鑒，具有一定的實踐價值和理論意義。

一、線上線下教學有機結合，激發學生學習興趣

早在2016年，教育部印發的《關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》中提出，要推動校內校際線上線下混合式教學改革［3］。線上教學作為一種教學補充手段，造就了教學模式改革契機，為高校教育教學改革提供了一種新視角［4］。線上教學突破了時空限制，具有能夠讓學生隨時隨地學習、多次反復學習、充分共享名師名課等明顯的優點。然而，線上教學也存在一些不足，如師生交流不如線下教學方便和直接、缺乏教師現場督促、課堂紀律松散、學習效率低等［5］。因此，線上線下教學有機結合才能發揮兩種教學方式的優點。調查研究表明，有76.5%的高校教師愿意在疫情發生后采用“線上+線下”混合式教學，45.9%的高校教師愿意繼續采用線上教學［6］，這說明“線上+線下”混合式教學已得到大部分教師的認可，有可能成為近階段主流的教學模式。

在講授“人工神經網絡”課程中，線上和線下內容比例設置為1∶1，充分發揮線下和線上教學方式的優勢。線上教學內容按教學大綱的要求進行，并且根據各個專業適當加以擴充，以滿足研究生的不同研究方向和研究內容的需求。對于比較簡單的內容和學生容易理解的內容則采用線上學習，如：本課程基于Python語言實現人工神經網絡，Python是較容易上手的高級程序設計語言，因此對于基礎語法、變量類型、各種語句、內置函數和循環等采用線上教學。線下教學則主要對線上學習的內容進行答疑，或者安排課程中共性的且大家均有興趣的內容，這樣才能使線上教學和線下教學更好地融合，激發學生的興趣，提高學生的學習熱情。因為本門課程的授課對象是土木工程、水利工程、農業水利和信息與電氣工程專業的學生，涉及不同的專業，本門課程主要作為研究生的科研工具和方法，具有知識內容發展更新速度比較快的特點，因此，采取的措施為：在開課伊始給學生列出參考教材和相關書目清單，發布主流參考教材中的案例目錄，讓學生自主選取比較關心和感興趣的案例，教師統計后根據多數學生的意見，選擇學生關注比較多的3～5個案例在課堂上進行詳細講解。

二、指導學生計算機應用，培養學生操作能力

“人工神經網絡”課程的最終目的是培養研究生運用計算機編程解決科學研究中面臨的實際問題的能力，編程的魅力不僅在于編碼，更重要的價值還體現在問題解決過程及思維能力的延伸，以及在此過程中對學習者觀察、反思和結構性思考等無形技能的培養［7］。因此，僅通過傳統的教師講、學生聽的單向教學模式，很難實現該目的，必須重視學生的動手操作能力。本門課的線下教學中，要求學生自帶電腦，教師在課上幫助學生解決其在線上學習過程中所遇到的疑難問題。比如，在學習過程中，需要用Python和TensorFlow 2.0搭建神經網絡運行的環境和平臺，但是在安裝這些軟件和環境配置時，由于每個學生的個人電腦硬件和軟件環境不同，會遇到各種各樣的版本不兼容問題，首次接觸Python和TensorFlow的學生會感到非常困惑，這些情況在課堂中師生可以面對面解決。另外，有些學生本科期間并沒有系統學習計算機專業的相關知識，沒有編程經驗，基礎比較薄弱，比如，發現學生常常在代碼中將中文和英文符號混用，或者將簡單的字母拼寫錯誤而導致程序運行中斷，有經驗的教師在線下教學中非常容易解決這些問題，同時還可以培養學生嚴謹的態度和動手能力；但如果解決不好，就會令學生充滿挫敗感，從而導致對整門課程喪失興趣。本門課程的教學目標是讓學生掌握或應用最前沿的編程工具和算法，然而教材或者參考資料往往給出的是算法的偽代碼，通常需要修改才能夠運行，所以通過教師課上當面逐一點撥和指導，學生能自己修改并運行，快速掌握要領，提高動手操作能力并體會學習和動手的快樂。

三、精心選用制作課件，提高課堂教學效果

線上教學中，注重知識點、關鍵點和核心內容，精心選用和制備教學視頻，在教學過程中能夠激發學生的興趣。在“人工神經網絡”的概述部分中，為使學生整體把握人工神經網絡的原理，采用了由西瓜視頻和科普中國聯合出品，中國人民大學附屬中學教師李永樂制作的一系列科普視頻中的兩段：《機器學習和神經網絡——機器能像人一樣思考嗎？》《卷積神經網絡——人臉識別啥原理？》；在講神經元與感知機、梯度下降法實現線性回歸、TensorFlow的自動求導機制時，采用中國慕課網中西安科技大學計算機科學與技術學院牟琦教師團隊制作的教學視頻；在實際操作過程中，針對Python模塊、包和庫的安裝、波士頓房價數據和鳶尾花數據集的下載等容易出錯的關鍵問題，采用EV錄屏軟件和Premiere軟件自己剪輯制作了相關的教學視頻。教學的課件包括PPT、視頻、案例，這些構成了一整套教學材料，學生在觀看視頻的同時，可以分屏查閱PPT，對于自己不熟悉的關鍵環節可以反復觀看，并根據配套的案例進行練習，取得了很好的線上教學效果。

課前通過QQ群將制備好的教學視頻和教學課件發送給學生，同時發布相關要求和注意事項，讓學生做好預習和線上學習。線下課堂環節通過提問、搶答環節檢驗學生的線上學習效果，通過小組討論和學生演示強化所學知識點，每次下課前布置需要學生課后查閱的資料、線下學習內容和練習。通過線上線下混合式教學，學生學習課程的自由度變大，積極性增強，對人工神經網絡的理解和實際應用能力均有提高。

四、主動征求學生意見，持續改進課程教學

每輪教學活動結束后，通過在線調查的方式主動征求學生對課程的反饋意見，讓每位學生交一份關于本門課程及教學的調查問卷，設置調查問卷時，題目可以是單選或多選，也可以是主觀題如體會和建議。任課教師根據學生合理的建議進一步完善教學內容、改進教學方法。該措施的好處在于，一是給學生評教和表達的機會，二是教師能夠看到評教的結果，正視自己在該論教學活動中的長處和不足，也能感受到教改活動實施后學生的反響，從而形成良性互動。

在學生反饋的體會與意見中，有學生表示喜歡該門課程的教學模式，特別是搶答問題的方式，能調動學生的積極性，活躍上課氣氛。對于進度和難度的反饋中，有學生反映進度和難度適中，也有學生反映進度較快且內容較難，原因可能是學生的基礎和學習能力不同。有學生建議，可以讓各位同學在第一堂課時將自己的研究方向與自己的論文需要做什么寫下來，這樣就可以根據每位學生的特點對其歸類，進行針對性的課程講解，提高學生學習的積極性。我們認為此建議非常好，本門課程就是希望各位學生把在本門課程學習到的知識應用到他們目前正在做的課題之中。有學生希望多布置作業，采用多種考核形式，該條建議可適當考慮，因為部分研究生的科研任務較重，需要做大量的田間和室內試驗，能夠用來認真完成各門課程的時間有限。個別學生認為可減少課程內容，有針對性地研究1～2個案例，加強實踐，達到舉一反三的效果。也有的學生建議增加師生互動環節，如建立小組集體討論，推薦學生PPT匯報發言或實際操作等。這些意見大多數都是非常中肯的，有些失之偏頗的地方，鑒于反饋意見學生的認知的局限性，教師應平和客觀地看待這些意見，抓住主要問題，在下一輪的教學中進行改進。

五、體會和建議

通過4年的“人工神經網絡”研究生課程教學改革與實踐，主要有以下體會和建議。

重視研究生開設的課程。對于開設的研究生課程，可根據學科發展和科技成果的進展與突破靈活調整，但只要開設就應重視，只有領導和教師重視研究生教學，學生才會重視；要摒棄重科研、輕教學的觀念，重視研究生的教學質量和教學效果，達到“以課程助科研”的效果；在教學人員安排上，盡量安排教學經驗豐富、責任心較強的教師授課，并給予新承擔任務的年輕教師或缺少課堂經驗的教師全面指導。

加強研究生課程教學方法研討。研究生有區別于本科生的特點，研究生對課程學習的目的性、自主性以及能力更強，因此有必要加強對研究生課程的教學研討，明確課程的教學目標、實時調整重點教學內容、豐富教學設計等，盡量將多種形式的互動融入授課過程，注重學生參與、強化互動效果，保證課程的先進性、實用性和有效性。

對研究生教學進行全面考核評價。目前，研究生課程的考核大多數仍然采用督導員聽課的方式，然而有時督導員對教學的內容并不熟悉，較難反映教師授課質量及整體設計。因此，建議將學生評教落到實處，在教學活動中，使學生既成為授課主體也成為授課對象，這樣才可能對研究生授課質量進行全面考察；也可舉辦一些研究生課程的教學設計大賽等活動，促使師生重視教學、搞好教學，不斷提升研究生課程的教學質量。