“新工科”背景下人工智能教学改革研究
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作者:贵向泉 高祯 李立 王瑞鹏 谢鹏寿 薛建彬 张玺君 马维俊
摘要：“新工科”计划中的“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”的工程教育目标是推动研究生教育课程改革的重要动力。将新工科的建设理念与人工智能教学实践相结合，紧跟技术发展的趋势，在理论和实践结合的基础上，摒弃单一的教学方法和模式，根据实时教学情况修改和更新课程内容，充分调动学生的积极性以及培养创新能力，从而达到提高教学质量和效率的最终目标。
关键词：“新工科”建设;人工智能;教学改革;创新能力
中图分类号：G643.2 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）15-0129-03
近年来，我国为主动应对新一轮的科技革命和产业变革，以支撑服务创新驱动发展，提出“新工科计划”。其中，“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”的工程教育目标是推动研究生教育课程改革的重要动力。研究生智能教育的开展和完善是我国实现智能创造的迫切需求，同时对我国在2030年成为全球人工智能创新中心的战略目标具有重要意义[1]。
自人工智能概念的第一次提出，理论和技术不断发展，其应用领域也不断扩展，该课程所培养的学生具备很强的工程性和实践性，为高新技术研究及产业发展提供人才支撑。将新工科的建设理念与人工智能教学实践相结合，对该课程在教学内容、教学方法和教学模式上进行变革，重点应放在如何紧跟技术发展的趋势，在理论和实践结合的基础上，摒弃单一的教学方法和模式，根据实时教学情况修改和更新课程内容。
一、新工科，新智能
“新工科”的新在于“存量更新”和“增量补充”，新型工科专业属于“存量更新”，新生和新兴工科专业属于“增量补充”[2]。未来新工科不仅仅涵盖工程领域，各个专业领域之间的关联更为紧密，彼此依靠、协同发展成为一种趋势。因此，新工科发展面临的首要问题就是应解决不同学科之间交叉融合产生的复杂工程问题。
现今社会各个领域的发展与人工智能的关系愈发紧密，对于不同领域专业知识的融合，教育逐渐显现出其在人工智能发展历程中发挥的重要作用。在高校中建设人工智能课程是为满足市场不断增长的需求，专门建立一门课程体系乃至专业，对培养新一批拥有创新型思维、交叉融合多学科、具备高水平能力的人才至关重要。
人工智能课程的“新”应从基础课程出发，建立独立的课程体系，在教学过程中穿插区别于传统教学方法的培养模式。教师应摒弃课程的目的在于知识传授、以单一的考试测评作为评判学生水平高低的标准的传统观念，秉承“授人以渔”的教学态度。基础课程应聚焦于人工智能前沿技术，及时更新知识点，以多角度切入不同领域人工智能的应用，灵活运用慕课、微课等授课手段，实现师生交互式教学，提高学生参与度，充分调动创造性和积极性，营造奋发向上、积极进取的良好创新环境。
二、“智能”培养
作为一种新型的交叉学科，人工智能发展迅猛的关键在于其与其他学科的融合率高、对不同学科的发展建设起到极大的推动作用。人工智能发展迅速的时代背景对人工智能的教學提出新要求：注重实践和理论的结合，在传授基础理论的同时，紧跟前沿技术的发展趋势;根据具体问题及时更新知识点，淘汰过时的理论，提高教学效率;建立完备的教学资源库和完善的培养模式以保证整体教学质量;明确培养目标，为今后人工智能发展提供高水平的人才支撑[3]。为满足人工智能发展的要求，本文着重讨论从教学内容、教学手段和培养模式三个角度变革进行讨论，建设具有创新色彩和质量保证的课程教学体系。
（一）优化教学内容
作为一门课程的基础，教学内容的选择是人工智能教学首要考虑的问题，适宜的教学内容可以使得教学的效果取得事半功倍的效果。对于人工智能教学内容的选择，基础理论可以帮助迅速了解人工智能的起源发展以及充分理解基础理论的表达和推理，奠定良好的专业知识基础。前沿技术的概述则能够以实际应用展现人工智能与其他领域的结合点、切入点，为以后现实问题的提出和解决培养创新性思维。
（二）拓宽教学手段
教学手段总是随着课程体系的建设变革而不断创新和增加，根本目的在于充分调动学生的积极性，培养创新思维。改变教学方式，提高学生的参与度是目前教学面对的根本问题。
人工智能的学科性质决定了在教学过程中运用新型技术和新颖的方式更能引起学生的兴趣，对于课堂互动式教学，可采取的教学手段包括课堂辩论、网络实验以及运用成熟的教学应用程序（例如慕课）等等。鼓励他们参与到教学过程中，增加师生之间的沟通，及时向教师反馈教学存在的问题，从而提高教学的效率。
（三）完善培养模式
对于培养模式，首先明确培养方向和教育理念，实行教学和研究结合，将实践作为教学过程的重要组成部分;其次，引导学生培养独立探索、主动求解的思维，鼓励学生提出自己的主张，调动学生进行科研的主动性和积极性;突破传统的教学方法，在教学过程中探索教学方法和拓宽教学手段，与时俱进的调整教学内容;针对研究型、应用型、综合型等不同方向建设教育模式;严格把控教学过程，建立多层次的教育质量评估体系，反馈教学过程中存在的问题，促进模式变革的良性发展[4]。
三、教学改革的实践
兰州理工大学十分重视学生的创新实践能力，在对国家“新工科”建设理念进行剖析以及对人工智能课程改革中涉及的教学手段和培养模式进行研讨后，教研组认为必须适当增加人工智能课程教学过程中科研讨论和专题讨论的强度;引导学生积极参与课程实践，以实践促进对基础理论知识的吸收，培养学生独立学习和融汇多学科交叉应用的能力;充分利用本校工程类强项专业的优势，将人工智能的理念与其他专业课程内容紧密结合，让学生更直观的了解人工智能在其他领域的应用以及实现方法。
（一）教学目标和大纲
人工智能课程的根本目的在于介绍如何通过计算机来实现模拟人类智能，对于课程的设置应让学生了解人工智能的概念、发展历程以及国际人工智能的主要流派和研究情况，熟悉人工智能的研究领域，熟练掌握知识表示的各种方法、基本原理、算法、设计语言、编程环境和系统技术，熟悉人工智能的主要应用领域等基础知识。教学大纲内容以实际问题与人工智能相关理念结合为切入点（见下表）。 （二）课程组织和实施
本课程的教学分为两个部分：理论教学和实践教学，共计8周。理论教学以相关概念、基本原理、算法、设计语言、编程环境和系统技术的传授为主;实践教学则以基础方法的实现和结合相关应用的实际问题解决为出发点进行制定。理论教学部分采取课堂上教师讲授基本理论和案例教学的方式，对基础知识进行讲解，历时6周;实践部分采取实际问题布置，提交学生个人研究方案，并对课题进行总结和优化，历时2周。
第一阶段，教师讲授。课堂上讲授人工智能的相关专业知识，并对具体案例进行专题分析。每周4课时，历时3周。
第二阶段，个人子课题和小组选题。教师引导，学生自主查阅资料、调研、团队交流，确定研究方向，拟定选题。课上2课时。
第三阶段，研究方案拟定。学生设计研究方案并对其进行调整和优化，提出设计思路，步骤、需求分析和进度规划。历时一周，课下进行。
第四阶段，汇报研究方案。课上汇报研究方案，教师进行指导调整。历时4课时，课堂教学部分结束。
第五阶段，研究课题实施。学生对研究方案进行优化调整、实施，并提交最終方案总结报告和设计成果。教师对课题研究进行审核，提出方案存在问题并给出意见。历时3周，12课时。
（三）科研训练和实践创新
培养学生利用课下时间学会独立获取知识的能力至关重要。鼓励学生广泛阅读国内外人工智能相关文献，积极参与科研论坛和学术交流，在共享资源的环境中提高学生自主发现问题、分析问题、解决问题的能力。提倡学生参加科研竞赛，学以致用，锻炼学生面对实际问题的分析决策能力[5]。
在实践创新方面，要求学校建立完善的实践环境，引导和培养学生参与到项目创新中;增加实践课的设置，鼓励学生参与科研训练和创新项目，将课程的理论性和应用性结合，结合基础知识点分析案例，重点突出项目实训和实践操作的作用。引导学生在学习和实践的过程中，培养出独立自主、创新发展的思维。
（四）考核方式
基于本课程的目的在于充分调动学生实践创新的积极性以及掌握人工智能的专业知识，培养学生独立学习和实践能力相结合的综合素养，采取结课考试和平时成绩相结合的考核评价方式。结课考试占60%比重，平时成绩占40%比重。其中，平时成绩的考核包括课题研究和教师评价，课题研究成绩占70%，成绩设定为优秀、良好、及格和不及格四个等级，比例控制在10%、35%、45%和10%。
四、结束语
人工智能的发展是随着时代的发展和技术的进步而变化，本文从高校角度出发进行课程体系变革的探讨，为新时期如何培养创新型人才和新时期的工程教育变革提供参考。
参考文献：
[1]李德毅，马楠.智能时代新工科——人工智能推动教育改革的实践[J].高等工程教育研究，2017，（05）：8-12.
[2]林健.引领高等教育改革的新工科建设[J].中国高等教育，2017，（Z2）：40-43.
[3]游晓明.新工科背景下人工智能课程教学改革与实践[J].福建电脑，2019，35（01）：59+62.
[4]徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017，（06）：6-10.
[5]马晓雨，生龙.新工科背景下引入人工智能理念的“结构概念与创新设计”课程的构建[J].高教学刊，2019，（06）：36-37+40.
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