面向新工科的“人工智能”課程精準(zhǔn)分層式教學(xué)研究

摘要：本文針對(duì)電子信息工程專業(yè)工程認(rèn)證人才培養(yǎng)計(jì)劃要求，將精準(zhǔn)評(píng)估教學(xué)策略與“人工智能”課程建設(shè)相融合，從授課方式、教學(xué)模式和知識(shí)點(diǎn)布局上改進(jìn)教學(xué)手段，從專業(yè)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)的廣度和深度上進(jìn)行改革，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、整理分析問(wèn)題，最終解決問(wèn)題，提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。同時(shí)，針對(duì)課程特點(diǎn)，深挖專業(yè)課程內(nèi)容中潛在的思政教學(xué)元素，實(shí)現(xiàn)思政教育指導(dǎo)下的全過(guò)程育人。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，證明了針對(duì)新工科人才培養(yǎng)方案的“人工智能”課程精準(zhǔn)分層式教學(xué)方法對(duì)提高大學(xué)生工程實(shí)踐能力起到了良好的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：新工科；人工智能；精準(zhǔn)分層教學(xué)；課程思政

中圖分類號(hào)：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 論文編號(hào)：1674-2117（2024）08-0097-04

傳統(tǒng)的工科教育注重理論知識(shí)和技術(shù)技能的傳授，但在當(dāng)前的社會(huì)背景下，工科人才需要具備更廣泛的能力和素養(yǎng)。為了培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神、跨學(xué)科能力和實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才，教育部提出了新工科的理念和目標(biāo)。新工科強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合、工程實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，旨在培養(yǎng)具備系統(tǒng)思維、創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作能力的工科人才，以適應(yīng)科技創(chuàng)新和社會(huì)發(fā)展的需求。[1]

同時(shí)，為適應(yīng)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)向新經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變對(duì)人才培養(yǎng)的新需求，教育部開展了新工科教育研究與建設(shè)，從調(diào)整專業(yè)課結(jié)構(gòu)入手，增設(shè)了一批人工智能、智能制造等新的專業(yè)課程[2]，筆者所在學(xué)校電子信息工程專業(yè)也面向大三的學(xué)生開設(shè)了“人工智能”專業(yè)課程，該課程涉及《離散數(shù)學(xué)》《機(jī)器學(xué)習(xí)》《數(shù)字信號(hào)處理》及《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》等多門學(xué)科的知識(shí)，具有極強(qiáng)的理論性、設(shè)計(jì)性和實(shí)踐性的特點(diǎn)。

精準(zhǔn)分層式教學(xué)方法是由奧格登·林斯利最先提出的[3]，它是一種為教師教學(xué)決策和學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)的方法，同時(shí)它也是我國(guó)古代“因材施教，因人而異”理論的新探索。受益于相關(guān)學(xué)者的研究成果[4]，筆者以所在學(xué)校“人工智能”課程教學(xué)改革為例，充分考慮課程的知識(shí)體系與教學(xué)難點(diǎn)，提出了“分組+階段+特長(zhǎng)”的精準(zhǔn)分層教學(xué)模式及課程思政全過(guò)程育人方案，以期為電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)相關(guān)課程改革及人才培養(yǎng)提供有益的借鑒。

“人工智能”課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題

1.在教學(xué)內(nèi)容上，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，學(xué)生畏難情緒強(qiáng)

大多數(shù)“人工智能”課程的教材以機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理相關(guān)算法為主，涉及許多數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)概念，如線性代數(shù)、概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)等，但以教師采用多媒體講述為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，使其產(chǎn)生畏難情緒。

2.在教學(xué)方式上，以教師灌輸為主，沒有兼顧學(xué)生個(gè)體差異

由于受到學(xué)科建設(shè)、招生規(guī)模與生源水平等因素的影響，筆者所在學(xué)校的生源質(zhì)量存在較大差異，同時(shí)，由于師資條件有限，教學(xué)過(guò)程采用平行的行政班級(jí)形式，導(dǎo)致專業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生因基礎(chǔ)知識(shí)和能力欠缺而難以迅速理解和掌握各種智能方法的編程思想和算法設(shè)計(jì)。

3.課程考核形式固化，缺乏綜合能力測(cè)試

通過(guò)對(duì)比和研究國(guó)內(nèi)多所大學(xué)“人工智能”課程的教學(xué)大綱及考核標(biāo)準(zhǔn)，筆者所在課題組發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)高校的“人工智能”課程考核方式依然是以傳統(tǒng)考核方式為主，雖然附加了線上教學(xué)的形式，但依然缺乏創(chuàng)新能力的考核，同時(shí)，無(wú)法顧及課程思政教育成效的綜合考查，與新工科人才培養(yǎng)理念不相符。

構(gòu)建“分組+階段+特長(zhǎng)”三位一體的教學(xué)體系

筆者以“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)為向?qū)В怨た茖I(yè)認(rèn)證為推手，同時(shí)結(jié)合所在學(xué)校和學(xué)院的辦學(xué)特色，在專業(yè)課建設(shè)與改革過(guò)程中，充分體現(xiàn)“三全育人和全過(guò)程育人”的教學(xué)理念，融合式植入思政元素，建設(shè)了“分組+階段+特長(zhǎng)”的課程教學(xué)新體系。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)重在培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，而精準(zhǔn)分層教學(xué)模式的建立，正是通過(guò)形成“建立目標(biāo)、教學(xué)實(shí)施、評(píng)估分析和反饋改進(jìn)”四個(gè)環(huán)節(jié)保證教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量。[3]體系的工作流程如上頁(yè)圖2所示。以“人工智能”課程的教學(xué)為例，精準(zhǔn)分層式教學(xué)模式主要分為以下幾個(gè)步驟。

1.水平精準(zhǔn)評(píng)估與分組

在指定教學(xué)目標(biāo)之前，教師需要對(duì)學(xué)生的已有知識(shí)體系和創(chuàng)新潛力進(jìn)行綜合評(píng)估與測(cè)試，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分組。在“人工智能”課程中，評(píng)估可以包括一些基本的編程能力測(cè)試、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)知識(shí)的考查，以及對(duì)人工智能概念的了解程度的評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，再將學(xué)生分為不同的層次或能力組，如初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)。

2.基于創(chuàng)新實(shí)踐的分段式教學(xué)設(shè)計(jì)

在創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，將教學(xué)過(guò)程分為基礎(chǔ)講解、實(shí)踐提高、綜合創(chuàng)新實(shí)踐三個(gè)階段：在基礎(chǔ)講解階段，依然采用集中教授的方法加固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)理論知識(shí)；在實(shí)踐提高和綜合創(chuàng)新實(shí)踐階段，利用“理論+實(shí)踐”，引導(dǎo)不同組的學(xué)生完成相應(yīng)難度的功能模塊設(shè)計(jì)，逐步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

根據(jù)學(xué)生的分組情況，教師制訂相應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃。以搜索技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐為例，針對(duì)初級(jí)組的學(xué)生，教學(xué)計(jì)劃可從搜索基本概念和應(yīng)用開始，重點(diǎn)介紹盲目式搜索和啟發(fā)式搜索的基本原理和特點(diǎn)；針對(duì)中級(jí)組的學(xué)生，教學(xué)計(jì)劃可要求學(xué)生完成典型啟發(fā)式算法的編程實(shí)例，并以小組討論的形式加深學(xué)生的理解；針對(duì)高級(jí)組的學(xué)生，教學(xué)計(jì)劃可從教師科研出發(fā)，劃分出簡(jiǎn)單而具體的程序設(shè)計(jì)任務(wù)，以興趣小組的形式督促學(xué)生完成算法設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力，也為參加相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽打下基礎(chǔ)。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，教師會(huì)根據(jù)學(xué)生反饋及時(shí)調(diào)整學(xué)生分組，最大限度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

3.教學(xué)實(shí)施與跟進(jìn)階段

在教學(xué)過(guò)程中，教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃分階段地教授相關(guān)內(nèi)容，并密切關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況，通過(guò)學(xué)生的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)及定期小組學(xué)習(xí)匯報(bào)，提供指導(dǎo)和反饋。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，教師應(yīng)隨時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和資源，確保每個(gè)學(xué)生都能夠在適合自己水平的教學(xué)環(huán)境中進(jìn)步。

4.基于數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的教學(xué)效果評(píng)估

單純利用傳統(tǒng)教學(xué)方法很難達(dá)到精確的、有層次的教學(xué)效果評(píng)估與決策。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教師可以利用“雨課堂”、微信公眾號(hào)和微信小程序等應(yīng)用平臺(tái)及時(shí)考查學(xué)生對(duì)“人工智能”課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，同時(shí)，利用平臺(tái)收集的數(shù)據(jù)分析和評(píng)估課程的教學(xué)效果，發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程的短板和瓶頸，為精準(zhǔn)調(diào)整教學(xué)策略提供可靠的依據(jù)。

5.整合教材，深挖思政元素，增加思政育人目標(biāo)，注重全過(guò)程育人

教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，立德樹人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)。[4]落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，必須將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體，不可割裂。在本課程改革與建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，筆者采用“三段式”教學(xué)方法將課程思政元素融入到教學(xué)實(shí)踐中。

課前，挖掘和整合本課程蘊(yùn)含的思政元素，關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)和專業(yè)領(lǐng)域研究前沿，搜集相關(guān)的視頻或?qū)W習(xí)資料，針對(duì)每章節(jié)教學(xué)內(nèi)容將其凝煉成一套完整的課程思政教學(xué)切入點(diǎn)。通過(guò)學(xué)習(xí)終端向?qū)W生推送調(diào)查問(wèn)卷或研討話題，開拓學(xué)生視野，增強(qiáng)學(xué)生的愛國(guó)主義精神，弘揚(yáng)新工科建設(shè)背景下的工程意識(shí)與工匠精神。

課中，在講解到相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以從電子信息工程專業(yè)的前沿知識(shí)和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀入手進(jìn)行分析和引導(dǎo)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和自信心，樹立為國(guó)效力、甘于奉獻(xiàn)的家國(guó)情懷。

課后，在知識(shí)點(diǎn)拓展和實(shí)踐環(huán)節(jié)，可通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷和研討會(huì)的形式，鼓勵(lì)學(xué)生談?wù)剬I(yè)理解和志向，在教師的引導(dǎo)下學(xué)習(xí)規(guī)劃自己的人生和職業(yè)發(fā)展軌跡，更加全面地提升綜合素質(zhì)。

“人工智能”課程教學(xué)新體系實(shí)施成效

通過(guò)不斷梳理知識(shí)體系、改革教學(xué)方法，有效端正了學(xué)生的學(xué)習(xí)目的，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，使學(xué)生在多層面、多元化地掌握人工智能基本理論和方法的同時(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，嘗試自主思考與創(chuàng)新。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生參與各類學(xué)科競(jìng)賽，真正做到學(xué)以致用。近五年來(lái)，課程組教師指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽多次獲得好成績(jī)。學(xué)科競(jìng)賽的優(yōu)秀成果，是激發(fā)和提升學(xué)生學(xué)習(xí)潛力和學(xué)習(xí)興趣的重要手段，學(xué)生在參賽過(guò)程中，有效培養(yǎng)了較為全面的工程意識(shí)和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，這對(duì)學(xué)生進(jìn)一步求學(xué)深造或參加工作都是寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和積累。

結(jié)語(yǔ)

本文以筆者所在學(xué)校“人工智能”課程的教學(xué)改革為例，提出了以新工科背景下學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為驅(qū)動(dòng)的“分組+階段+特長(zhǎng)”的精準(zhǔn)分層教學(xué)模式，該模式依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力進(jìn)行導(dǎo)向式的教學(xué)培養(yǎng)，幫助學(xué)生整理分析問(wèn)題、發(fā)掘問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路，并借助信息技術(shù)發(fā)展的成果為教學(xué)評(píng)估提供更智能化的手段，希望這些研究成果能為其他專業(yè)課程的教學(xué)改革提供有益的借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：凌菁（1982—），女，工學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂葡到y(tǒng)應(yīng)用及教學(xué)方法。劉世安（1972—），男，工學(xué)碩士，講師，通信工程專業(yè)負(fù)責(zé)人，研究領(lǐng)域包括電子信息工程、通信工程專業(yè)教學(xué)方法研究。鐘君柳（1981—），男，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄軕?yīng)用及教學(xué)方法。趙瑩琦（1983—），女，工學(xué)碩士，副教授，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼?/p>

基金項(xiàng)目：2023年度廣州市高等教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程課程思政示范課程項(xiàng)目（2023KCSZ039）；2022年度廣州市高等教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程電子技術(shù)課程教研室建設(shè)項(xiàng)目（2022KCJYS018）；2022年度廣州市高等教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2022JXGG096）。