面向新工科的人工智能基础课程教学改革实践探究_余亮.pdf
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1、本栏目责任编辑:王 力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第18期(2023年6月)第19卷第18期(2023年6月)面向新工科的人工智能基础课程教学改革实践探究余 亮(广东科技学院,广东 东莞 523083)摘要:面向新工科对课程教学的要求,针对人工智能基础课程作为物联网工程专业的专业任选课,其课程内容多、理论枯燥且难度大、课时少和教学方法单一等问题,提出了基于BOPPPS的线上线下混合式教学模式改革。从教学内容优化与重构、教学方法创新、教学模式设计等三个方面进行课程的教学改革与研究,探索出一套“以学生为中心”的创新教学模
2、式,能极大地提高学生的学习兴趣和实践应用与创新意识。关键词:新工科;线上线下混合式;教学改革;BOPPPS;人工智能基础;学生中心中图分类号:G642 文献标识码:A文章编号:1009-3044(2023)18-0168-04开放科学(资源服务)标识码(OSID):0 引言传统工科在专业划分上偏窄、偏细,缺乏交叉性,人才培养上缺乏创新性,无法解决复杂的工程问题,与社会的人才需求不相适应。2017年2月18日在复旦大学开展了高等工程教育战略研讨会,会上达成的“复旦共识”展现了我国工科教育改革的积极性。同年4月8日,新工科建设研讨会在天津大学举办,会上确定了新工科建设方向“天大行动”,启动了全国范
3、围工程教育改革1。新工科是在继承传统工科优点的基础之上增加了创新交叉与融合的元素,从而致力于培养出多元化高素质创新型的卓越工程人才2,这也是教育部工程教育认证的内在要求。在新工科背景下,专业的课程设置应以产业需求为导向、学科交叉融合、面向未来布局、综合全面突出创新四大特征为抓手,贯彻“新方法、新思想、新技术”的理念,进行学科、专业和课程的建设。随着人工智能技术的发展与应用,物联网工程专业为了增加学生对该技术的了解,提升前沿知识认知眼界,为后续新技术的研究探索开启启蒙之门,便在人才培养方案中设置了人工智能基础专业任选课程。而由于人工智能基础课程具有知识点内容多、难度大、学科交叉性强、知识更新快、
4、课时少的特点,仅通过教师理论讲授或者理论+编程等方式,很难让学生理解与领悟,很难认识到人工智能基础课程的内涵和价值。在“新工科”建设背景下,需要学生具有较强的编程能力、自主的学习能力、解决实际问题的应用能力和创新能力3。在课时较少的条件下,如何培养学生的上述能力将是本课程教学改革的重点。针对人工智能基础课程教学过程中存在的不足,对该课程各个教学环节进行了研究与探索,构建了一套基于BOPPPS的“以学生为中心”创新教学模式,对该课程的教学具有一定应用价值与指导意义。1 人工智能基础课程教学存在的问题1.1 课程内容多,课时少人工智能基础课程作为物联网工程专业的专业任选课,其教学课时只有32学时,
5、2个学分。而人工智能所囊括的内容其实是一个领域,教学学时远远不够,并且目前我国为了大力发展人工智能相关技术,培养相关高科技人才,便将其设置为一个专业,可想而知其课程内容相当多。而其作为物联网工程专业的开阔学生眼界的课程,因而需要根据学生特点,教学课时情况以及社会对专业的需求情况,进行了教学内容的选取就显得至关重要。另外,为了让学生能在有限的时间里,系统而全面的学习整门课程体系知识,必须进行课程内容的优化与重构创新。根据人工智能基础课程知识体系结构可知,该课程的主要内容如表1所示,包括五大知识模块即知识表示、机器感知、机器思维、机器学习和机器行为。同时这五大知识模块对应的知识点也较多,如知识表示
6、的产生式表示,知识工程,专家系统和知识图谱;机器感知的计算机视觉、语言处理;机器思维的模糊逻辑推理、智能启发式搜索算法;机器学习的有监督学习中的分类与回归,无监督学习中的聚类,同时现在主流的深度神经网络(深度学习)既可以作为有监督学收稿日期:2022-11-08基金项目:教育部产学研合作协同育人项目(202101363014);广东省高等教育学会“十四五”规划课题(21GZD02);广东省基础与应用基础青年基金项目(2021A1515110834);广东科技学院一流课程(GKZLGC2022338);广东科技学院物联网工程协同创新中心(GKY-2019CQYJ-9)作者简介:余亮(1989),
7、男,湖北鄂州人,副教授,硕士,研究方向为物联网,智能控制,机器学习。E-mail:http:/Tel:+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.19,No.18,June 2023168DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0894信息化与计算机教育本栏目责任编辑:王 力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第18期(2023年6月)第19卷第18期(2023年6月)习算法也可以作为无监督学习算法使用;机器行
8、为的智能控制。上述主要内容也囊括了人工智能三大主要学派(符合主义、连接主义和行为主义)的主要知识内容。表1 课程主要内容序号12345课程内容模块知识表示机器感知机器思维机器学习机器行为课程主要内容一阶谓语知识表示法、产生式表示法、框架式表示法等计算机视觉、语音、触觉等模糊推理、智能搜索、智能优化等有监督学习、无监督学习、集成学习、强化学习等智能控制、控制论等1.2 教学内容难度大,理论为主由于人工智能是一个交叉学科,学习其课程知识体系并理解掌握会有一定难度,需要多学科知识作为基础,特别是数学知识、计算机知识、编程语言知识等。因此,学习门槛有点高,加之有限的学时,使得学好该课程难度较大。其中人
9、工智能基础课程难度较大的知识点主要有启发式智能搜索,如遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)、粒子群算法(Particle Swarm Optimization,简称PSO);有监督学习的支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)4;无监督学习的主成分分析(Principal Component Analysis,简称PCA);深度学习和强化学习等。而目前大部分高校针对人工智能基础课程的讲解采用偏理论的讲解方法,讲解各个人工智能算法的原理以及数学推导与证明,非常晦涩难懂,使得学生很难掌握,造成学生学习兴趣低下。还有另一类教师采用在理论的基础上辅之以
10、编程实现,使得学生能较好地掌握,但对于学生的编程能力有较高的要求,同时现在主流的人工智能框架较多,如 Tensorflow、Microsoft CNTK、PyTorch、Caffe、PaddlePaddle、MindSpore等,而每种框架采用的编程语言也不尽相同,主要有Python、Java、C+、R语言等,造成学习差异性较大。1.3 教学手段单一人工智能基础课程目前大多还是采用传统的多媒体教学方式,或者计算机机房的教学情况,还是主要老师机械的讲解,推导,学生听为主,有些结合计算机机房进行编程验证,教学方式单一。未能利用各种软硬件资源和信息化的教学平台调动学生的积极性和能动性,学生的参与度较
11、低,教学效果较差。而此教学模式还是以教师的“教”为中心,与现在教育部高教司提倡的以学生的“学”为中心是极度不符的,特别是在疫情期间,还是采用这种方式进行线上教学,那效果还会更差,情况更加糟糕。在新工科背景下,该课程应该强调学生利用人工智能算法融合多学科进行实践创新解决实际问题,而不是理论知识的灌输,应该加强学生对知识的应用能力,发挥其解决实际问题的意识与能力5。2 面向新工科人工智能基础课程的教学改革方向2.1 优化重构教学内容针对人工智能基础课程体系知识点较多,课时不足的问题,文中采用优化重构教学内容。它作为物联网工程专业的开阔视野的前沿新技术课程,因此其课程目标主要是强调对课程的知识体系、
12、知识框架和知识脉络的掌握,而不是各个知识点面面俱到,蜻蜓点水。因此,本课程通过选取人工智能五大知识模块中一些最具代表性(最基础,应用最广的)的内容将其讲懂,讲深,不仅分析其原理、数学表达与推导证明,还进行编程实现,最后有条件的话还通过虚拟仿真软件平台实现或者实物部署实现,通过以点带面,以面带片,将知识体系进行融会贯通。而各个模块的其他相关内容给学生提供学习材料供课后阅读学习,进行自我探究提升。该课程采用此方法通过广东科技学院物联网工程专业的多年教学实践可以看出,学生的掌握情况较好,期末大作业每个同学都能利用人工智能基础课程中的一到两个算法解决生活实际问题,取得较好的结果。同时学生参加中国人工智
13、能挑战赛获得较好的成绩,获得过全国一等奖,说明采用优化重构教学内容的方法针对该课程的困境还是有一定的效果。其人工智能基础课程教学内容重构方式如图1所示。2.2 虚实结合,增加实践环节由于人工智能算法很多原理都比较难理解,若采用简单的理论讲解+推导的方式,或者加之编程实现都让学生学习起来较为困难。因此,针对人工智能算法的讲解采用了虚实结合的方式进行6,根据实验室已有的条件有些算法的讲解除了常规推导外,还进行实物部署实现,有些则采用虚拟算法软件平台的方式进行仿真实现,可以脱离实验室的限制,特别是在疫情期间的线上教学,非常便利与合适7。下面通过两个算法实例介绍一下虚实结合的讲解方式。其中遗传算法的讲
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