建構主義視域下人工智能專業工程實踐模式構建

聶秀山，袁 藝，劉新鋒，襲肖明

（1. 山東建筑大學 計算機科學與技術學院，山東 濟南 250101；2. 山東財經大學 計算機科學與技術學院，山東 濟南 250014）

人工智能屬于新興的交叉學科，涉及到機器學習、自然語言處理、語音處理與識別、視覺智能處理等領域的前沿知識，學生需要具備較強的分析、歸納、演繹、抽象、綜合、假設等能力. 為培養厚基礎、強能力的人工智能專業人才，實踐教學環節至關重要.[1]為進一步提升人工智能專業開展工程實踐教育的系統性、科學性、實效性，縮小人才培養質量與用人單位實際需求之間的差距，本文將在新工科理念的指導下，基于“學以致用、知行合一”的實踐教育共性目標，面向人工智能產業發展的最新要求，從建構主義視角對人工智能專業的實踐環節進行全面審視，構建新型的工程實踐模式，用充分有效的實踐教育培養學生的專業能力和職業素養.

1 人工智能專業工程實踐新模式

1.1 理論基礎：建構主義

建構主義起步于實踐，落腳于“積極實踐”，是人工智能專業建立新型工程實踐模式的理論依據. 建構主義認為知識是基于情境建構的[2]. 以Jean Piaget 的認知發展理論和Lev Vygotsky 的社會建構理論[3]為基礎衍生出了經驗學習理論，強調完整的學習應堅持“從實踐中來，到實踐中去”，運用思考后形成的判斷去嘗試解決實踐情境中的具體問題，在實踐中檢驗自己的認知/ 思考/ 判斷是否符合當下具體情境，是否能夠解決當下面臨的特定問題. 在Dewey 經驗教育哲學的輔助下，經驗學習理論提出了包括四步走的閉環式經驗學習模型（具體經歷→反思性觀察→抽象概念化→積極實踐）.[4]該模型的核心是步驟二和三，為對其進行補充與解釋，出現了情境學習理論、合作學習理論和Gestalt 學習理論等.

反思性觀察對應于情境學習理論與合作學習理論. 從廣義來說，反思是對學生個人的價值觀、道德、行為、知識體系等進行系統省察的過程. 從狹義來說，可聚焦于知識體系的反思. 將知識運用于實踐對學生的獨立判斷、靈活應對、融會貫通、批判創新等能力都有著較高的要求，這些能力的培養需要通過有效的反思來實現.學生通過反思能有效總結經驗教訓，促進自我知識體系的建構，從而提高分析問題和解決問題的能力. 在建構主義中，反思是整合理論與實踐的重要方式，倡導從多角度來幫助學生反思，并貫穿實踐的始終. 情境學習立足于學習過程的交互性特征，鼓勵學習者進入相應的情境從事實踐活動、進行反思性觀察并建構出新知識[5]，從而可體悟和領會到課堂知識的功能/ 邊界，更好地理解或解決特定情境下的問題，實現知識的靈活運用. 合作學習是“反思性觀察”的具體化，強調合作對于反思的重要性，合作學習中的語言交流、思維碰撞、分工協作不僅是促進反思發生的有效策略、可提升反思的效率和質量，還可拓展互動建構的廣度和深度.

抽象概念化對應于Gestalt 學習理論.Gestalt 學習理論從認知層面進行經驗與知識的結合，促使學生在實踐中關注“思考”，確保實踐的價值和意義.[6]該理論認為個人知識的形成會經歷三個層次：（1）Gestalt 層次是一個由價值觀、感受、顯性及緘默知識等組成的混沌共同體，會在學生與實際情境的互動中得到觸發.（2）圖示層次，通過圖示化的過程（識別、描述、分類、推理等）在學生大腦中形成概念化的關系.（3）理論化層次，學生的思維會隨著實踐經驗的累積和不斷反思上升到對于知識本質的理論建構過程并形成理論體系. 之后，既可通過認知降級為Gestalt 來指導實踐，也可將新獲知識應用到實踐領域進行試錯檢驗. 積極實踐將內化后的知識應用于實踐、在主客觀建構中不斷調整個體認知與世界互動方式的過程. 建構主義視域下的人工智能專業工程實踐新模式概括為圖1 所示, 依據人工智能專業工程實踐新模式對應于經驗學習模型的四個步驟. 包括四個模塊：

圖1 人工智能專業工程實踐新模式

1.2 強化實景實訓，促進“具體經歷”

搭建高性能教學科研實踐支撐環境人工智能專業的前沿項目涉及大數據/ 深度學習等技術，對軟硬件環境的要求高，因此，有必要搭建高性能的教學實踐平臺，保障實踐課程正常高效運轉，支持工程實踐實施過程. 實踐支撐環境包括面向不同課程共性搭建的基礎平臺和面向各課程自身實踐內容和要求搭建的個性化高性能平臺.

高質量的案例教學實踐性較強的課程應突出案例教學，包括針對專業知識點強化的專題案例和多課程知識點交叉融合的綜合項目案例. 案例設計原則：基于校企深度融合進行案例共建，面向實際應用場景，保持實用性. 內容依據人工智能產業發展動態和應用需求的變化進行實時更新及改進，保持先進性，并提供詳細的使用說明書，保持可行性.

提升實習條件為學生提供關系穩定的實習合作單位，提供優質多樣的實習環境和高質量的實習機會.

建設校企聯合培養實訓基地校企雙方制定合理的合作建設規劃，完善相應制度，明確雙方的“責任/ 權利/ 義務”，實現資源共享、產學研統籌、合作共贏.

1.3 強化合作互動，促進“反思性觀察”

學習者與外界的合作互動過程可以促使個體既有經驗的外化，實現對既有經驗的改造并生成新經驗，對實踐意義建構起著關鍵作用，因此，合作互動學習是人工智能專業工程實踐的主要方式.為更好地實現合作主體的知識建構，應強化“反思”，引導學生在合作共同體中從不同視角審視自身與同伴的認知/ 觀察/ 經歷，進行多元觀點碰撞，在資源共享和互動中最大限度地生成新經驗，實現個人實踐收獲的邊際效益最大化. 合作互動策略就是營造“合作、互動、反思”的實踐情境.

生生合作互動生生合作互動圍繞實踐經歷在小組和班級兩個層面進行. 小組范圍內，學生圍繞每次實踐活動分享自己的收獲及遇到的障礙，內部成員間互相提供評價與建議. 班級范圍內，各小組共享合作互動的結果（問題/思考/收獲），組外同學可自由參與，隨時提問或發表觀點（建議）.這種合作互動可給學生提供從他人視角看待自身實踐經歷的機會，從他人的分享和反思中學會批判性地看待多元化觀點，在多元觀點的碰撞中實現知識的批判吸收，從群體經歷中找到共性與個性，促進高質量的反思.

師生合作互動充分發揮指導教師的作用，構建師生學習共同體. 一是工程實踐中必須配備學術指導教師，提供技術指導，及時溝通并解決存在的問題，引導學生綜合已學知識/ 自身經驗去分析問題產生的原因，結合他人有效經驗找出解決對策，避免因學生缺乏專業指導而導致實踐活動盲目或低效的問題. 二是參與生生合作互動，提供有效引導，督促學生回顧與整合自身理論與經驗、他人經驗以及教師的指導，認真反思先驗知識的有效性與局限性，幫助學生反思實踐，實現意義建構. 三是可在教務管理人員中選拔若干實踐指導教師負責工程實踐中的行政事務（準備表格/ 進行記錄等），通過與學術指導教師的互相支持，密切溝通，形成閉環實踐反饋鏈.

1.4 強化思維訓練，促進“抽象概念化”

在工程實踐觸發學生的Gestalt 之后，教師要引導學生對實踐中經歷的大腦刺激進行識別/ 推理等思維活動，擔當起促進思維抽象化的“催化劑”，使Gestalt 達到升華直至形成自身理論.

? 重要的專業課程分兩階段授課，中間設置間隔期，讓學生有充足的時間和機會進行實踐，在實踐中反思并不斷調整和完善自己Gestalt，強化實踐與認知之間的相互建構，助力個性化理論體系的建立.

? 引導學生認真思考所遇到的理論知識與實踐效果的一致性或沖突性，訓練元認知技能，發掘緘默知識，進行反復建構，真正獲得個人知識與能力的提升.

? 案例分析環節設置思考題，組織小組討論（可邀請企業技術專家參與），實現高水平的思維訓練.

? 鼓勵學生參與教師的科研項目，體現前沿熱點研究對教學的引領作用. 教師在課程基礎知識講授完成后，可講解自己的研究領域和正在開展的科研項目，并提供若干個學術界和產業界關注的前沿熱點項目，組織學生自發選題組隊參與其中，從而得到更深層次的思維訓練，甚至可以產出學術論文. 這一過程可切實提高學生的綜合實踐能力，激發創新意識，鍛煉團隊協作能力.

1.5 強化合理評價，促進“積極實踐”

工程實踐的評價應提倡多元性、過程性評價.[7]將工程實踐的目標與要求分散到各個環節，設計出多元化的評價指標（個人電子檔案情況、反思能力的表現情況、參與討論情況、思維訓練成果等），給不同考核指標賦予相應的權重，最終形成每個學生的評價結果. 強調對反思能力的評價，提升反思能力建設在實踐評價中的地位.

實踐過程是確保實踐效果的前提條件，因此，應將考核目標分解落實到實踐過程的各個環節，精心設計出合理的評價指標體系，以過程性目標作為考核重點，實現對各環節、各目標的控制和評估，以過程控制促進最終實踐質量的提升，不斷在認識層面促使學生重視實踐過程，引導學生建立發展性思維.

2 結語

本文以建構主義為指導，以經驗學習理論、情境學習理論、合作學習理論、Gestalt 學習理論的核心理念為基礎，構建立了系統化的工程實踐新模式.模式包括強化實景實訓、合作互動、思維訓練、合理評價四個版塊，分別對應于四步走的閉環式經驗學習模型（具體經歷→反思性觀察→抽象概念化→積極實踐）.新模式理論基礎扎實，邏輯清晰，結構完整，可操作性強，體現了“以學生為中心”的工程教育理念，幫助學生在具體經歷中積累經驗、在合作互動中促進反思、在思維訓練中形成知識體系和自我理論、在積極實踐中達到知行合一，可切實提高學生的工程實踐水平，更好地達到工程能力培養目標，為學生日后從事復雜實際項目筑牢基礎，同時也能提升綜合素質和創新能力.