新工科背景下基于CDIO+課程思政的人工智能課程教學改革研究*

羅聲平 郭宇 何科榮

1 南昌師范學院物理與電子信息學院 南昌 330032 2 南昌交通學院基礎學科部 南昌 330032

0 引言

隨著我國創新驅動發展、“中國制造2025”等重大戰略的實施，我國高等工程教育界達成“新工科”建設共識，迫切需要培養一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，在未來全球創新生態系統中占據戰略制高點[1]。人工智能是典型的“新工科”和交叉學科，是實現科研創新的基礎，是普適性技術，具有廣闊的應用前景。國家從戰略層面對人工智能提出了規劃和要求，例如發布了《新一代人工智能發展規劃》(國發〔2017〕35號)和《高等學校人工智能創新行動計劃》(教技〔2018〕3號)等文件，為我國新一代人工智能發展提供了政策支撐。但目前高校人工智能課程教學依然存在與現實應用脫節、難以適應人工智能技術快速發展的需求、創新精神等思政元素與課程內容銜接生硬等問題。因此，新工科背景下，人工智能課程的教學改革勢在必行。

1 人工智能課程教學現狀分析

人工智能課程主要包括專家系統開發、自然語言處理、智能機器人應用三大領域的內容，既有系統電路設計，又有算法編程調試，綜合性較強，是典型的“新工科”，但是目前高校人工智能課程教學普遍存在如下問題。

第一，課程教學模式有待完善。現有的人工智能課程教學模式仍以傳統授課方式為主，“三全育人”踐行不足。

第二，課程實踐內容有待規劃。人工智能技術的新算法、新手段不斷發展，實際需求日新月異，課程實踐內容卻依舊停留在驗證性、基礎設計性實驗層面，實踐項目選題的設計有待進一步規劃。

第三，課程實踐方式有待拓展。現有的人工智能課程未形成“課內+課外、線上+線下”的完整教學生態鏈，課程的廣度和深度有待進一步拓展。

第四，課程考核方式有待完善。

因此，新工科背景下，面對人工智能技術綜合卓越型人才的迫切需求，各高校亟須積極探索人工智能課程教學的“三全育人”新途徑，形成一套高效可推廣的課程教學體系，為我國智能產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐。

2 基于“CDIO+課程思政”的人工智能課程教學改革

基于工程能力培養與課程思政的人工智能教學研究與實踐，目前國內研究成果較少，有較大的探索意義。

CDIO工程教育模式是由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等多所高校針對教育模式改革研究出的工程教育新方法。CDIO 是 Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實現）和 Operate（運作）四個英文單詞的縮寫，著重培養學生的工程能力[2]，可針對性彌補目前人工智能課程中實踐性、應用性低等不足，以主動、實踐的方式提高學生人工智能技術工程能力相關素養。

課程思政以構建全員、全過程、全方位的育人新格局為指導，在專業課程教學過程中融入思政教育，深度挖掘和提煉專業知識體系中所蘊含的思想價值和精神內涵，實現立德樹人的教育目標[3-4]。由于理工類課程專業性較強，較難實現思政元素與教學內容的無縫融合，思政元素的針對性挖掘及創新性深度融入模式的探索勢在必行。

將CDIO工程教育理念與課程思政相結合的教學模式（“CDIO+課程思政”教學模式）應用于人工智能課程教學中，可以提高學生人工智能技術的實際應用能力以及發現問題、分析問題、解決問題的工程能力，同時達到提升價值引領和意識形態教育效果的目的。

2.1 基于目標導向的教學方法改革

本教學模式以CDIO工程教育理念為基礎，基于目標導向，認真研究課程中學生需掌握的內容，針對人工智能技術中的專家系統開發、自然語言處理、智能機器人應用三大領域，分別合理設置提高型、創新型及綜合型三類設計項目選題，共設計了9個高質量的思政專題。

同時，利用翻轉課堂進行項目任務梳理與分節點實踐，結合超星學習通等信息化平臺實現課內課外全過程覆蓋，拓展專業課程的廣度和深度，將知識傳授與價值引領有機結合，整體改革思路如圖1所示。

圖1 基于目標導向的教學方法改革

2.2 基于思政導向的實踐內容改革

人工智能技術的實踐性和應用性很強，如何實現思政元素與專業內容的無縫銜接是一個難題。本教學模式對教學中的實踐內容進行改革，通過思政導向，切實提高人工智能課程教學體系的“三全育人”功能。本次實踐內容改革設置9個思政專題設計，并擇優參加創新創業大賽、中國機器人大賽等，以賽促學。具體專題設計如下。

專家系統開發領域：專題一為中國偉大人物圖片識別系統開發（提高型項目），能正確識別并列出相關事跡，增強學生的愛國情懷；專題二為“五常”“八德”知識系統開發（創新型項目），“五常”為仁、義、禮、智、信，“八德”為孝、悌、忠、信、禮、義、廉、恥，傳播中華優秀傳統文化，堅定學生的文化自信；專題三為黨史學習教育系統開發（綜合型項目），培養學生堅決擁護中國共產黨，堅持道路自信。

自然語言處理領域：專題一為機器翻譯技術——井岡山精神（提高型項目），引導學生發揚艱苦奮斗精神；專題二為語音合成技術——給父母的話（創新型項目），引導學生常懷感恩之心；專題三為語音識別技術——我的中國夢（綜合型項目），引導學生堅定理想信念。

智能機器人應用領域：結合機器人虛擬仿真軟件Gazebo，專題一為中國古代機器人仿真設計（提高型項目），學習古人的精益求精，傳承工匠精神；專題二為智慧農業機器人仿真設計（創新型項目），從農業發展狀況切入，教育學生發揚袁隆平的開拓進取精神；專題三為智慧防疫機器人仿真設計（綜合型項目），教育學生弘揚團結互助、自強不息的防疫精神。

基于思政導向的實踐內容改革整體思路如圖2所示。

圖2 基于思政導向的實踐內容改革

2.3 基于時空導向的實踐方式改革

CDIO工程教育模式強調將綜合能力培養貫穿于課內課外全過程，因此，本教學模式基于時空導向進行改革，利用信息化平臺與開放性實驗室（具備深度學習服務器、智能語音識別模塊、智能機器人等硬件、軟件條件），以翻轉課堂的教學模式，形成“課內+課外、線上+線下”的新型實踐方式，拓展教學的廣度和深度，如圖3所示。

圖3 基于時空導向的實踐方式改革

2.4 基于過程導向的考核方式改革

為培養卓越型人工智能技術人才，結合CDIO工程教育標準，課程在考核方式上基于過程導向進行改革，重點考核學生專業知識的運用能力、創新能力、溝通能力和團隊協作能力，增加過程考核比重，包括系統項目設計方案、硬件設計、軟件設計及調試、項目展示、專家系統思政能力測試等方面，全面實行形成性評價和綜合性評價，完善綜合素養考核制度，如圖4所示。

圖4 基于過程導向的考核方式改革

3 “CDIO+課程思政”的人工智能課程教學模式實踐成果

3.1 創新創業大賽參與度有效提升

隨著人工智能課程專業教育與課程思政的同步推進，學生課程團隊的創新意識、工匠精神、團隊協作能力得到有效提升，在“互聯網+制造業”“互聯網+現代農業”“互聯網+信息技術服務”三大領域產生了一些優質的創新創業項目。2022年，共有5個學生課程團隊參與了第十三屆“挑戰杯”江西省大學生創業計劃競賽、第八屆江西省“互聯網+”大學生創新創業大賽，覆蓋人數達到35人次，較2021年有較大提升，其中，“安全智駕——基于面部特征的全天候疲勞駕駛檢測及預警系統的研究及應用”項目榮獲第十三屆“挑戰杯”江西省大學生創業計劃競賽銅獎。

3.2 學科競賽獲獎率明顯提高

本教學模式基于時空導向進行改革，以翻轉課堂的教學模式，形成“課內+課外、線上+線下”的新型實踐方式，在較大程度上促進了課程相關的學科競賽獲獎率。

2022年，學院學生在藍橋杯軟件和信息技術專業人才大賽中獲江西省一等獎2項、二等獎5項、三等獎12項，獲獎名次和獲獎面都較2021年有較大提高。

4 結束語

基于課程思政的教學模式已被用于部分課程的教學改革，但本教學模式創新性地將CDIO工程教育理念與課程思政進行了深度融合，在人工智能課程中建立“CDIO+課程思政”新教學模式，以工程教育理念為基礎，在專家系統開發、自然語言處理、智能機器人應用三大應用領域設計9個思政專題，將思政內容作為作品設計要點，以信息化平臺、開放實驗室為依托，形成“專業設計+思政元素”的實踐方式，同時細化綜合性評價指標、完善綜合素養考核制度，實現了知識傳授與價值引領的同步發展。