基于人工智能技術(shù)的新工科信息類專業(yè)教學(xué)改革探索

楊小鳳

(玉林師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院,廣西 玉林 537000)

0 引言

2017 年6月,教育部發(fā)布《新工科建設(shè)指南(“北京指南”)》,提出“以立德樹人為引領(lǐng),培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”[1]。現(xiàn)代的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革以信息技術(shù)為主導(dǎo),國家戰(zhàn)略“中國制造2025”把“新一代信息技術(shù)”作為重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之首[2]。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步,信息人才供不應(yīng)求,信息類專業(yè)成為新工科建設(shè)的重點發(fā)展對象。

傳統(tǒng)信息類專業(yè)教學(xué)模式存在如下問題:重知識、輕能力,以知識灌輸為主,學(xué)生缺乏自主思考、探索和解決實際問題的能力;重傳授、輕發(fā)展,在構(gòu)建學(xué)生知識體系方面,只滿足于對基礎(chǔ)知識點的教學(xué),缺乏對知識體系的更新和方法的傳授,更加忽視了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、創(chuàng)造性;重理論、輕實踐,對工程技術(shù)人才必備的實踐技能缺乏有效培訓(xùn)[3]。

2018年4月,教育部印發(fā)了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》,指出要推進(jìn)智能教育發(fā)展,探索基于人工智能的新教學(xué)模式[4]。2019年5月在國際人工智能與教育大會上通過的《北京共識》更強調(diào)了“各國要推動人工智能與教育、教學(xué)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)性融合,利用人工智能加快建設(shè)開放靈活的教育體系”[5]。人工智能逐漸成為推動新工科教學(xué)改革的核心驅(qū)動力。

為了適應(yīng)新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo),本文從理論教學(xué)和實踐教學(xué)2方面提出基于人工智能技術(shù)的信息類專業(yè)教學(xué)改革措施,以提升學(xué)生在人工智能時代的創(chuàng)新發(fā)展能力。

1 理論教學(xué)改革

傳統(tǒng)的信息類專業(yè)設(shè)置及課程架構(gòu)缺乏人工智能領(lǐng)域的相關(guān)內(nèi)容,容易造成學(xué)生對人工智能時代的新概念、新器件、新前沿完全沒有接觸,也容易使學(xué)生局限于單一專業(yè)領(lǐng)域,知識面狹窄。長此以往,傳統(tǒng)信息類專業(yè)教學(xué)將面臨陳舊的教學(xué)內(nèi)容與日益更新的工程技術(shù)和社會需求之間的嚴(yán)重脫節(jié)[3]。

高校應(yīng)及時修訂專業(yè)培養(yǎng)方案,設(shè)置具有人工智能特色的信息類專業(yè)課程體系。人工智能是研究使用計算機來模擬人類智能思維和行為,代替人類從海量數(shù)據(jù)中完成智能學(xué)習(xí)、識別、預(yù)測等煩瑣復(fù)雜工作的學(xué)科,其實現(xiàn)的關(guān)鍵3要素是機器學(xué)習(xí)算法、Python編程語言、超級計算機和智能芯片等。根據(jù)信息類專業(yè)本科生的知識水平特點,可以在低年級增設(shè)“Python語言程序設(shè)計”課程進(jìn)行Python編程語言內(nèi)容的理論教學(xué);在高年級增設(shè)“人工智能基礎(chǔ)”課程進(jìn)行基礎(chǔ)機器學(xué)習(xí)算法的理論教學(xué),增設(shè)“大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)”“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”“機器視覺”等人工智能與信息學(xué)科交叉融合技術(shù)的理論教學(xué)。

在信息類專業(yè)傳統(tǒng)理論課程的教學(xué)中應(yīng)選取目前以及未來的主流技術(shù)為教學(xué)重點,讓學(xué)生從實際應(yīng)用的角度理解并掌握這些內(nèi)容,并適當(dāng)補充人工智能新技術(shù)應(yīng)用于解決該課程經(jīng)典問題的內(nèi)容,介紹這些新技術(shù)解決老問題的應(yīng)用背景、基本概念和基本原理,讓學(xué)生對專業(yè)研究發(fā)展趨勢有初步認(rèn)識,為將來做進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。以通信工程、電子信息工程等信息類專業(yè)必修的傳統(tǒng)主干課程“通信原理”為例,在進(jìn)行數(shù)字通信系統(tǒng)有效性和可靠性指標(biāo)的理論內(nèi)容教學(xué)時,補充介紹目前以及未來主流的5G/6G通信系統(tǒng)通過采用多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO)收發(fā)天線來提高通信的有效性和可靠性等教學(xué)內(nèi)容。然而MIMO系統(tǒng)采用了多個射頻鏈路,從而導(dǎo)致通信系統(tǒng)的硬件成本大幅度增加。為了克服上述的問題,可以采用天線選擇的方法,從所有的天線中選擇最優(yōu)的天線子集和有限的射頻鏈路匹配,在減少硬件成本的同時,也能保證最優(yōu)化的通信性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的天線選擇方法屬于窮舉法,需要較大的運算量和時間成本。然后補充介紹新興的基于人工智能的天線選擇方法,該方法的本質(zhì)是將MIMO系統(tǒng)天線選擇問題視為機器學(xué)習(xí)算法中的多類別分類問題,即采用多類別分類器從所有天線組合中選取使得通信系統(tǒng)性能最優(yōu)化的一個組合,其優(yōu)化性能高于傳統(tǒng)的天線選擇方法[6]。又以信息類專業(yè)的另一門專業(yè)課“數(shù)字圖像處理”為例,在進(jìn)行圖像特征提取的理論內(nèi)容教學(xué)時,補充介紹該技術(shù)的應(yīng)用實例:智能手機人臉識別、指紋識別等功能的基本原理就是首先提取圖像特征再輸入圖像識別算法進(jìn)行圖像識別。重點介紹目前人工智能領(lǐng)域廣泛使用的局部二值模式(Local Binary Pattern, LBP)圖像特征描述方法,取代現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中多數(shù)將灰度差分統(tǒng)計等作為圖像特征描述方法,使教學(xué)內(nèi)容符合人工智能技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的需要[7]。然后補充介紹新興的基于人工智能的圖像識別算法,如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks, CNN),該方法的本質(zhì)是將人臉識別、指紋識別等圖像識別問題視為機器學(xué)習(xí)算法中的多類別分類問題,即根據(jù)輸入的待檢測用戶圖像特征與數(shù)據(jù)庫中的合法用戶圖像特征進(jìn)行比對。如果比對匹配,則識別為數(shù)據(jù)庫中的合法用戶,反之則識別為非法用戶。與傳統(tǒng)的圖像識別方法相比,CNN不需要人工提取圖像特征,識別速度更快、準(zhǔn)確率更高。

2 實踐教學(xué)改革

2.1 實驗教學(xué)

目前,大部分高校的信息類專業(yè)課程如“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“數(shù)字圖像處理”“數(shù)字語音處理”等課程的實驗課主要是運用MATLAB仿真軟件編程進(jìn)行理論內(nèi)容的驗證性實驗,學(xué)生獨立思考和自主設(shè)計的機會很少,也很難收到理想的教學(xué)效果。MATLAB編程雖然在數(shù)學(xué)建模、信號分析與處理方面功能完善,但它對大數(shù)據(jù)的分析與處理能力以及在人工智能算法研發(fā)上與Python編程相比尚有許多不足之處[8]。實驗教學(xué)改革的主要措施是利用人工智能技術(shù)的Python編程方法實現(xiàn)對實驗內(nèi)容的應(yīng)用實踐,可以要求學(xué)生在原來MATLAB編程實驗的基礎(chǔ)上增加Python編程實驗,并將兩者的實驗結(jié)果進(jìn)行信號分析與處理效果以及編程復(fù)雜性的對比。以“數(shù)字圖像處理”課程的圖像變換、圖像增強和圖像分割等實驗內(nèi)容為例,楊曉玲[8]列舉了對同一實驗內(nèi)容的MATLAB程序和Python程序,對比兩者的圖像處理效果。上述實驗改革措施可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,鍛煉學(xué)生的多元發(fā)展能力,加深學(xué)生對本專業(yè)基本理論和重要知識點的理解,并加深其對人工智能時代新技術(shù)、新方法的認(rèn)識。

2.2 畢業(yè)設(shè)計實踐

畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)業(yè)最后的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。信息類專業(yè)一般要求學(xué)生綜合運用大學(xué)4年所學(xué)的軟硬件理論知識完成一個電子作品的設(shè)計制作。目前,大部分高校信息類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計出題一般是基于單片機、傳感器的電子作品的設(shè)計制作,作品功能要求也比較簡單陳舊,通常要求液晶顯示、蜂鳴器報警、驅(qū)動繼電器或發(fā)熱片等,難以達(dá)到新工科人才培養(yǎng)“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”的要求。畢業(yè)設(shè)計實踐改革的主要措施是根據(jù)本校本專業(yè)學(xué)生知識能力水平的特點,畢業(yè)設(shè)計出題時適當(dāng)增加反映人工智能時代的技術(shù)潮流和市場需求的功能要求。筆者作為信息類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師,近5年已指導(dǎo)34個學(xué)生完成智能電子設(shè)計方向的畢業(yè)設(shè)計。部分畢業(yè)設(shè)計題目和要求如表1所示,其中題為《智能滅蚊燈的設(shè)計》的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計作品如圖1所示。從表1可以看出,筆者指導(dǎo)的智能電子設(shè)計方向的畢業(yè)設(shè)計要求和傳統(tǒng)的信息類畢業(yè)設(shè)計要求相比增加了手機App遠(yuǎn)程控制或顯示、語音控制、指紋控制等智能控制功能,要求學(xué)生綜合應(yīng)用智能芯片、傳感器、單片機和無線通信等知識來完成。指導(dǎo)老師指導(dǎo)學(xué)生網(wǎng)上下載或用“易安卓”編寫程序以實現(xiàn)手機App功能,選用藍(lán)牙通信模塊實現(xiàn)手機和單片機的通信,選用語音識別芯片實現(xiàn)語音控制,選用指紋識別芯片實現(xiàn)指紋控制等。實踐證明,智能電子作品方向的畢業(yè)設(shè)計題目由于新穎性和實用性較高,激發(fā)了學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計的興趣和熱情,畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量顯著提高。

圖1 題為《智能滅蚊燈的設(shè)計》的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計作品

表1 智能電子設(shè)計方向的畢業(yè)設(shè)計題目示例

2.3 競賽項目實踐

以指導(dǎo)學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽為例,指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生平時表現(xiàn)統(tǒng)籌安排學(xué)生組隊參賽,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀和市場調(diào)研、擬定參數(shù)組別和參賽題目、技術(shù)分析和產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計、指導(dǎo)撰寫項目計劃書和答辯等。近年來,“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的獲獎熱點主題集中在“人工智能技術(shù)”和“綠色環(huán)保”,反映了當(dāng)前技術(shù)熱點和社會市場需求。筆者近年曾指導(dǎo)參賽題目《物聯(lián)網(wǎng)水果質(zhì)檢分級機》,主要創(chuàng)意是基于智能視覺識別技術(shù)高效分析水果顏色及成熟度,將水果精準(zhǔn)分級,并通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制水果質(zhì)檢分級,農(nóng)戶可以在App上觀測到水果質(zhì)檢分級結(jié)果。另外,結(jié)合“高頻高壓產(chǎn)生活氧”除農(nóng)藥法充分降解果品農(nóng)藥殘留和“密封管聲耦合器”方法消滅害蟲,該創(chuàng)意符合大賽獲獎熱點主題。項目學(xué)生負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)團(tuán)隊管理、協(xié)調(diào)和項目總結(jié);指導(dǎo)老師統(tǒng)籌安排2個學(xué)生成員負(fù)責(zé)新產(chǎn)品元器件選擇、電路設(shè)計和硬件制作,2個學(xué)生成員負(fù)責(zé)新產(chǎn)品程序設(shè)計和調(diào)試,2個學(xué)生成員負(fù)責(zé)新產(chǎn)品系統(tǒng)集成和性能測試,2個學(xué)生成員負(fù)責(zé)新產(chǎn)品營銷和推廣。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的實踐訓(xùn)練,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊合作精神,為人工智能時代的人才培養(yǎng)做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)語

隨著人工智能技術(shù)對現(xiàn)代社會的影響日益顯著,新工科信息類專業(yè)教學(xué)也應(yīng)該融入人工智能技術(shù)。針對目前信息類專業(yè)教學(xué)中存在的問題,本文結(jié)合人工智能的時代要求,在信息類專業(yè)的理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩方面就如何提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了改革與探索。信息類專業(yè)教學(xué)改革要從新工科人才培養(yǎng)的要求出發(fā),通過設(shè)置具有人工智能特色的信息類專業(yè)課程體系、更新理論和實驗教學(xué)內(nèi)容、更新畢業(yè)設(shè)計出題方向和鼓勵學(xué)生參加相關(guān)競賽項目等改革措施,提高學(xué)生的人工智能技術(shù)研究和應(yīng)用能力,培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和發(fā)展能力的新工科人才。