新工科时代人工智能课程教学模式探讨

         吴  秦，宋晓宁，杨金龙  

（江南大学 人工智能与计算机学院，江苏无锡214122）

[摘  要]对于高等学校来说，最重要的使命便是人才培养。新工科时代的到来，对高等学校人才培养目标提出了全新的要求。培养多元化、创新型卓越工程人才，是高校教育工作者面临的崭新任务。本文以《人工智能》课程为例，首先分析了当前课程教学中存在的一系列问题，然后从启发式理论教学、理论联系实际的实践课教学、各类资源的有效使用、灵活多样的师生互动等方面探讨了如何从传统的教学模式向创新人才培养的新型教学模式转变，从而有效地激发学生的学习热情、培养学生的创新能力和动手能力、提升学生分析问题和解决问题的能力。本文所探讨的教学模式不仅适用于《人工智能》课程，也适用于计算机专业相关的其他理论与实践相结合的课程。

[关键词]新工科时代；人工智能；创新型人才；人才培养；高等教育

[基金项目]2020江南大学国家级一流课程培育立项项目（立项时间：2020年，课程名称：人工智能）(无编号）；2021年江南大学课程思政建设项目（立项时间：2021年）资助(无编号）。

[作者简介]吴秦（1978-），女，江苏宜兴人，博士，江南大学，副教授，研究方向：计算机视觉；宋晓宁（1975-），男，江苏南京人，博士，江南大学，教授，研究方向：人工智能、模式识别；杨金龙（1981-），男，江苏连云港人，博士，江南大学，副教授，研究方向：信号处理。

[中图分类号]G642.0    [文献标志码]A    

一、引言

高等教育是社会发展的重要依靠，高等教育的发展对一个国家的科技、军事、经济发展等都具有至关重要的作用。对于任何一所大学来说，最重要的使命便是人才培养。2017年，教育部发布《关于开展新工科研究与实践的通知》。建设发展新工科，要着眼高等教育改革发展全局，把握高校人才培养工作的新形势新任务^[1]。在新工科时代，要培养多元化、创新型卓越工程人才^[2]。为了实现这一人才培养目标，我们理应以最新的理念来引领高校的课程教学模式改革。

笔者结合自身多年在高校讲授《人工智能》课程的教学经验，分析了国内《人工智能》课程的现状及存在的问题。然后从理论教学、实践教学、各类课程资源的利用和师生互动等方面探讨了如何对《人工智能》课程的教学模式进行改革，如何培养学生的创新能力和实际动手能力，如何提升学生分析和解决实际复杂工程问题的能力，以实现新工科时代创新性人才培养目标。

二、《人工智能》课程教学目前的主要问题

在新工科背景下，课程的教学方法及教学内容应围绕工程教育改革的新理念进行开展，培养学生的创新能力和实际动手能力，提高学生运用掌握的知识分析问题和解决问题的能力。然而，国内高校目前的《人工智能》课程教学，通常存在如下问题：

（1）在课程内容方面，人工智能涉及的面广，涵盖的知识点多，内容抽象。如何改革教学方法、设计更合理的教案，将知识点以更形象生动、更易接受的方式传授给学生，提升学生的学习积极性，需进一步探讨和研究。

（2） 在应用方面，存在理论教学与具体实践脱节的现象。如何有效的将最新应用案例嵌入课堂内容，激发学生兴趣，培养学生的创新意识，也非常重要。

（3）在实践方面，实验课内容枯燥乏味，实验难度大，缺乏有效的指导。如何合理设计实验、有效地提升学生的实践能力和实践积极性，也是值得我们深入思考的问题。

（4）在课程资源方面，大部分老师通常采用以某一本教科书为主，辅以若干参考教材的模式，而且国内的教材通常以理论内容为主，缺乏生动的应用案例，存在理论与实际脱节的现象。有些高校使用的教材甚至是十年以前的教材，完全与人工智能领域的最新发展相脱节。如何选择最新、最优秀的课程资源给学生，也是我们需要考虑的内容。

三、启发式的理论教学

《人工智能》课程包含的内容非常广泛，涉及到知识表达、问题求解方法、推理技术、机器学习、神经网络、深度学习、自然语言处理、机器人等多方面的前沿科技。而课程的授课时间不可能把人工智能的所有内容都进行全面深入的讲解。因此我们就需要结合专业背景、时代特征有针对性的讲解。在教学模式方面，则需要摒弃一味向学生传授知识的观念，从传统的知识传授教学向理论与创新实践并重的启发式教学转变，推动学生自主学习。

为了有效利用课堂时间，课前的准备就显得颇为重要。为此，我们特意为本校的《人工智能》课程录制了每个章节的MOOC视频，并将相应的MOOC资源发布在人工智能课程的网站，在每节课后给学生布置下次课程内容相关的MOOC视频。这样，学生在上课前通过观看对应章节的MOOC视频，快速了解了下节课即将讲述的基本内容，从而提升了课堂的授课效率。我们在布置MOOC视频学习任务的同时，也会给学生布置一些问题，这些问题并不要求学生在上课前就找到答案，而是让学生带着问题看视频、带着问题进课堂，学生在上课的过程中就会变得更加积极主动。

在课程的内容讲授方面，很多老师往往偏重于讲解理论知识，如基本概念、基本定义、基本定理的证明。而这些内容由于比较抽象，学生们听起来通常觉得枯燥乏味，加之有些理论比较难，学生听了以后就往往望而生畏，对课程本身也就失去了兴趣。如果我们在讲授理论知识时，能够先描述一下相关的简单案例，再引入相应的理论知识，那么学生就可以将案例里面的内容和理论知识相对应，学习起来就会轻松很多。在讲完理论知识以后，又可进一步引入相对深入的典型案例，通过典型案例的分析进一步加深学生对理论更深层次的理解。

在教学模式方面，我们的课程教学应该更注重对学生的引导。我们需要摒弃填鸭式教科书式的教学模式，探索更加开放的教学模式，激发学生学习热情，引导学生独立思考问题、分析问题，培养学生解决实际问题的能力。 例如我们在讲《人工智能》问题求解方法这一章时，就可以在讲解具体的问题求解算法前先给出一个具体的实际应用问题：假设学生在假期打算出去游玩，那么通常他们会通过百度地图输入出发地和目的地，寻找一条路径。给出这一案例以后，先让学生思考“如果你是百度地图搜索的开发人员，你会用什么样的方法来找到出发地和目的地之间的路径？”从而引入盲目的图搜索算法。在此基础上，可以进一步让学生思考如何找到最优路径，从而引入A*搜索算法。这些问题的提出，自然而然就会引发学生积极的思考，并且会让学生感受到课程内容的实用价值，从而对课程的学习更具激情。事实上，我们认为，只有培养学生对课程的喜爱，使学生对课程的学习具有内在的驱动力，才会使得学生更加有学习激情。

四、理论联系实际的实践教学

人工智能是一门应用性极强的课程，很多应用与我们的实际生活息息相关。因此，我们在设计实验课程的编程实践案例时，应该选择更贴合学生实际兴趣的题目，将理论与实践有机地融合在一起。例如《人工智能》课程中的alpha-beta剪枝算法，其本质是博弈问题的一种解决方案。而现实生活中的许多游戏（如五子棋、国际象棋、围棋等）皆是博弈问题。那么我们在设计alpha-beta剪枝编程案例时，就可以设计开放式的题目，让学生们选择自己喜欢的一款游戏用alpha-beta剪枝进行编程实现，让计算机和学生进行对战。通过这种方式，学生选择了自己喜欢的题目，就更有参与感，编程时也就更有激情。学生在编程实现自己选择的游戏后，则可以与自己编写的游戏对战，更有利于学生发现自己程序中的漏洞，让学生进一步发现问题和解决问题。学生也可以把自己编写的游戏分享给自己的朋友，既完成了课程的实验内容，同时也让学生感受到了一定的成就感。

目前，人工智能已进入与产业深度融合发展新阶段^[3]。为了更好的让学生感受到人工智能课程的重要性以及其应用的广泛性，我们还邀请人工智能相关企业的研发人员进实践课堂，让他们分享他们企业中与人工智能相关的应用，让学生们切身感受到人工智能的价值，开阔学生视野，激发学生的学习热情。并让企业研发人员分享他们尚需解决的问题作为开放式实验，引导学生思考实际问题，充分挖掘学生的潜能，培养学生创新能力。

在实践教学过程中，我们也依托教育部产学研合作协同育人项目，以实现“应用创新+能力提升”的课程目标，建立人工智能教学和实训平台进行实例展示、现场演示，并与学生进行互动实践操作，提升学生实践能力。鼓励学生带着问题研究，通过发现问题、思考问题、解决问题，激发学生的创新热情。

五、各类课程资源的有效利用

2020年突如其来的新冠疫情，虽然对大部分人的生活造成了很大的影响。但也正因为疫情的影响导致学校无法开展正常的线下教学活动，使得在线课程和各类MOOC应运而生，受到了前所未有的重视。例如中国大学MOOC平台、学堂在线、超星尔雅、学银在线、智慧树等平台都有很多优质的慕课资源。现在虽然疫情已经基本过去，师生也都返回学校回归正常的线下教学方式，但我们认为，线上的很多课程资源也是非常有价值的。除了有效利用课堂时间进行课堂教学以外，也应鼓励学生利用好各类网络资源。然而，网上的各类MOOC资源鱼龙混杂。要让学生自行从中挑选中适合的学习视频，显然是非常费时费力的事情。作为授课老师，理应不断的学习和课程相关的最新知识，通过各种渠道获取最新最好的资源。因此，老师们可以通过亲自观看MOOC平台的视频、网络评价等方式，从中挑选出优质的课程视频，推荐给学生们。一方面，替学生节省了网上资源查找的时间；另一方面，老师在网上查找视频资源的过程中，也必然从这些优秀的课程视频中汲取到良好的教学经验，这些教学经验也必将帮助老师提升其授课水平。

美国威斯康辛大学斯托特分校对美国高校的学生进行了一项调查与研究，主要调研内容为：在课程学习过程中，观看课程相关的视频对学生的课程学习产生的影响。他们的调研结果表明^[4]：“大多数学生认为课程视频可以帮助他们学习课程内容，并且最好将这些视频的长度保持在15分钟以内。” 因此，我们在选择在线视频给学生作为辅助学习手段时，也最好挑选每个章节15分钟左右的短视频。但是，即便是同一门课程，每个学校在讲授课程时所选择的章节内容也会有所差异。为了更好的帮助我校学生学习《人工智能》授课内容，我们自制了《人工智能导论》MOOC视频，课程每一小节的内容对应一个短视频；MOOC内容比课堂的正式内容浅显易懂，正好可以作为学生课前预习的素材。而每个MOOC视频只有15分钟左右，也有利于学生更合理的利用自己的时间碎片进行高效学习。

另外，我们也可以通过在线作业或在线考试等方式，来丰富课程的教学方式。例如我们学校采用的CG平台，上同一门课程的老师可以将各自出的题目在系统内分享，从而更高效地丰富了课程题库，减轻了老师们的负担。老师可以根据实际情况从题库中选择适当的题目布置给学生。另外，由于系统有自动题目批改功能，也提高了老师的作业批改效率。

六、灵活多样的师生互动

学生是学习的主体，一切的教学都是为了让学生能更好的学到知识和培养学生的能力。如何才能了解学生对知识点的掌握情况？及时有效的沟通就显得尤为重要。一方面，我们要鼓励学生在课堂积极提问，及时解决学生的困惑。另一方，我们也要认识到：不同学生学习方式不一样，喜欢的沟通方式也不一样。有些学生遇到问题愿意在课堂上提问，而更多的学生则会担心自己问的问题是否太简单而不好意思在课堂提问。因此，我们应该提供灵活多样的沟通方式。互联网技术的发展以及各种社交软件的发展也为师生的交互提供了很好的平台。我们不仅仅可以在教室或者办公室通过面对面的方式跟学生交流答疑，更可以通过E-mail、QQ、微信等方式随时随地与学生进行交流。而在沟通的过程中，很重要的一点，就是要给学生积极迅速的正反馈。迅速的反馈，能够让学生感受到被重视，也能激发学生的学习热情。反之，如果学生通过QQ或微信向老师提出一个问题，满心欢喜的等待答复，而老师隔了几天都没有回复，学生必然心生失望，此后也就没有提问的积极性。

高等教育的过程和目的不仅仅是为了传授课程的知识，更重要的是培养学生自主学习、主动创新的能力。而这些能力不是一蹴而就，需要老师们通过平时课堂和课后的交互，对学生不断启发，不断的激励，让学生感受到做学问的乐趣，让学生勇于产生不同的思想，敢于针对教材内容和老师上课的内容提出问题，同时敢于思考是否有更好的方法来解决问题。只有这样，才能培养学生的创新意识，以及分析问题解决问题的能力。

七、结语

本文和大家一起探讨了《人工智能》课程的教学模式。以上教学模式不仅适用于《人工智能》课程，也适用于计算机专业相关的其他理论与实践相结合的课程。高校的课程教学不仅仅是为了让学生学到课程知识，更重要的是思维能力和创新能力的培养。对于不同的课程以及不同的专业，我们也应该结合课程和学生的实际情况，不断深化教学改革，提升课程教学效果，激发学生学习兴趣，以培养出更优秀的创新型人才。

[参考文献]

[1] 张大良.因时而动 返本开新 建设发展新工科——在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话[J].中国大学教学,2017(04):4-9.

[2] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究, 2017(03).

[3] 陈劲,吕文晶.人工智能与新工科人才培养:重大转向[J].高等工程教育研究,2017(06):18-23.

[4] Richard Berg, Ann Brand, Jennifer Grant, John S. Kirk, and Todd Zimmerman. Leveraging recorded mini-lectures to increase student learning[J]. Online Classroom, 2014, 14(2), 5.