以人工智能鱼为抓手探索海洋信息类创新实践人才的培养

杨蒙召，袁红春，周应祺，钱卫国，谢霞冰，孔祥洪

(上海海洋大学 a.信息学院；b.海洋科学学院，上海 201306)

0 引 言

如何选定合适的内容切合多学科融合研究和创新实践人才培养是教学中一大挑战[1-2]。许多学者在各自的教学领域开展了相应的研究，根据分子生物学的实验环境和多学科融合的实验特点，郑小坚等[3]设计了阶梯式实验教学的体系以适合不同年级和专业的学生，从而建立了分子生物学的实验网络教学平台；白瑞峰等[4]则根据自动化专业核心课程的交叉融合，开发了控制类多学科融合的虚拟仿真实验教学系统。这些学者仅仅关注于仿真实验教学系统，缺乏对整个教学模式设计和创新实践人才培养的系统研究。另外一些学者[5-6]从研究生培养的角度出发，讨论了核心课程之间的多学科有机融合和实践人才培养方法，根据取得课题研究成果，进行了研究生培养实践,也具有一定借鉴价值。林健等[7-8]则从宏观的方面，探讨了学科交叉融合为导向的大学教学改革，给出了课程体系建设、教学内容形成、实践教育教学体系以及教学方式等方面的改革建议，探索设计培养具有多学科交叉知识基础的复合创新型人才的体系。这些学者均指出重视交叉学科研究和创新实践能力培养，对新生工科专业建设和人才培养极具重要[9]。

为了实现我国的海洋强国梦，对海洋信息领域提供科技支撑和学术研究，亟待探索培养海洋特色信息类创新实践人才[10-11]。2012年，在我校原校长周应祺教授的倡议和协调下，学校教务处联合海洋科学学院、水产与生命学院和信息学院等多位骨干教师组建了上海海洋大学人工智能鱼教学团队，这是一个跨学科、多层次、创新型的教学团队。

该团队于2014年和2015年分别获得学校“人工智能鱼人才培养基地建设项目”和“创新人才培养的实验环境建设项目”的基金资助，依托数字海洋研究所和人工智能鱼实验室，旨在有机融合国家一流学科：水产学和学校优势学科：海洋学、鱼类学、鱼类行为学、计算机科学和数字媒体技术等学科，以人工智能鱼的教学、科研、大赛和科创为抓手[12]，开展多层次一体化教学设计、多学科融合的课程内涵建设和创新实践人才培养等相关教学和研究，进而促进多学科的交融发展，探索海洋特色信息类的创新实践人才培养的新机制。

1 以人工智能鱼为抓手的多学科有机融合的教学体系

团队首先梳理出了“人工智能鱼”涉及的核心要素，并据此制定课程体系和内容，使之有机融合，切合信息类创新实践人才的需求。同时系统设计了以“人工智能鱼”为抓手的多学科有机融合和实践人才培养的教学体系，如图1所示。

图1 以人工智能鱼为抓手的多学科有机融合教学体系

该教学体系以面向海洋特色的跨学科信息类实践人才培养为驱动，梳理“人工智能鱼”研究领域的关联知识体系和脉络，选取海洋学院的海洋学和海洋流体学、水产与生命学院的鱼类学和鱼类行为学、以及信息学院的计算机科学和数字媒体技术等，深化多学科知识有机融合的课程内涵建设，以人工智能鱼教学团队为依托，建立重点突出、层次分明的人才培养体系，以开设的人工智能鱼和数字动画与虚拟现实技术导论两门课程为基础，探索人工智能鱼第二课堂“四位一体”的教学设计，同时自2012年起连续举办上海海洋大学人工智能鱼设计大赛，以课程育大赛，以大赛促课程，全过程互动贯彻始终，加强大赛和教学的深度融合，借助于各类大赛、科创项目和本研一体化建设，从而实现培养学生的创新实践能力。

2 创新设计“人工智能鱼”方向的教学模式

团队以创新和实践为目标，以人工智能鱼大赛为抓手，以校企、校际合作为机会，以学生动手实践为主要形式，激发学生的学习兴趣和创新热情，巩固其所学知识，锻炼其技能。教师要发挥“教练”的作用，对学生进行引导和指导，并且通过对创新进行总结，巩固创新的成果，为学生提供一个良好的实践平台。为此，团队面向全校开设人工智能鱼公共选修课，由海洋科学学院、水产与生命学院和信息学院等多位骨干教师，根据教学设计要点和专业特长联合授课，如图2所示。

图2 多学科骨干教师联合授课方案

基于多学科有机融合，采用多位老师特色授课和指导、专业机房边授课边实践、人工智能鱼实验室情景化授课的方式，革新了人工智能鱼的教学方式，提高了学生的理解和实践能力。

以人工智能鱼课程和数字动画与虚拟现实技术导论新生研讨课为载体，先后共近300多名学生选修两门课程，新生研讨课中又组织学生前往上海软件园上海河马动画公司、张江高科园区等数字动画公司进行参观和体验，增进了学生们对该领域的兴趣。团队还邀请上海市兄弟院校的老师为顾问，进入校园和课堂，为同学们讲解生物仿真和制作、数字动画创作和虚拟现实，有些现场配置VR装备的互动体验，极大调动了学生学习的积极性。对于在人工智能鱼大赛中获奖的同学，团队选送他们到相关实习基地和单位进行再培训，由专业技术骨干指导其进一步提升设计能力，使得作品更加完善，为参加各类大赛和申请科创项目做准备。

3 切实提升学生的创新实践能力

以人工智能鱼教学团队为依托，以“教、赛、研、创”为内容，切实提升学生的创新实践能力，学生在上海市大学生科创项目、国家和省市各类大赛、研究生培养等方面，都取得了优异成绩。

经人工智能鱼教学团队老师全方位指导，以人工智能鱼大赛作品为主题，完善并推荐到各类大赛，近5年来在国家、市、校各级大赛上获得奖项近80余项，诸如：全国海洋航行器设计与制作大赛、全国机器人创意设计大赛、中国大学生计算机设计大赛、中国大学生原创动漫大赛、蓝桥杯全国程序设计大赛、上海市计算机应用能力大赛、上海市汇创青春大赛、上海市浦东新区滴水湖创新创业论坛、上海市“临港杯”水下智能机器人大赛、上海海洋大学人工智能鱼设计大赛、上海海洋大学人工智能鱼设计大赛、上海海洋大学移动应用创新大赛等多个大赛上获奖。

近3年来，学生以人工鱼为主题，申请获得了5项上海市大学生创新实践项目：人工鱼感知与行为的真实感设计与仿真、基于骨骼蒙皮技术的人工智能鱼设计、基于沉浸式虚拟现实技术的真实感海底环境仿真、基于VR交互技术的人工智能鱼设计、基于Unity 3D的虚拟海洋环境与鱼类行为模拟研究等。借助于大创项目，夯实了学生的科创能力和实践能力。团队老师指导1名学生获得2015年学校大学生创新联合大作业项目：“基于鱼类行为学的人工智能鱼仿真”，并通过该项目的学习和积累，该生进一步又获得了2016年 “上海海洋大学骆肇荛大学生科技创新基金”项目：基于生物仿真的人工智能鱼设计，全面提升了学生的创新实践能力，在2018年毕业时，该生因其创新实践能力强，以高薪应聘一家上海单位，并被评选为信息学院的优秀毕业生。我校元鼎学院是通过选拔全校精英学生组建的，团队老师指导元鼎学院的1名优秀学员，以人工智能鱼为主题撰写的国际论文，获得2017年度元鼎学院优秀学员结业三等奖，培养了其科研能力和论文撰写能力。

团队老师于2015年，获得了学校“基于导师的本研一体化教学团队”建设项目的资助，进一步开展了多层次本科生和研究生一体化的相关教学研究和探索，2017年团队获得学校优秀教学团队称号。近3年，人工智能鱼教学团队指导4名研究生，分别在真实感海洋模拟和人工智能鱼仿真方面，发表了4篇EI国际论文，已培养1名研究生毕业[13]。

4 教学改革和实践创新能力培养等成果丰硕

该团队经过6年积累，各类教改项目、教学成绩、大赛获奖和创新实践成果丰硕。团队获得了2017年度上海市教学成果一等奖和校教学成果一等奖，基于导师的本研一体化教学团队获得了2017年校级优秀团队。出版人工智能鱼教材3部：《应用鱼类行为学》《鱼儿游泳的人工模拟教程》和《MEL脚本语言-鱿鱼游动的人工模拟教程》[14-15]；团队教师获得校级以上教研成果奖9项；发表教学改革论文20余篇；主持校级教学改革项目3项；获得了上海市高校本科重点教学改革项目1项；面向全校新开课两门：人工智能鱼和数字动画与虚拟现实技术导论，先后近300名学生选修，教学评价优秀。

自2012年起连续成功举办6届校级人工智能鱼设计大赛，全校共有600余名学生参加大赛，获奖团队50余个；指导学生以人工智能鱼为主题创作的作品累计获奖近80余项，其中国家及上海市等大赛获奖30余项；指导学生获得市校两级大学生科技创新项目共8项；指导4名人工智能鱼方向研究生(1名已毕业)，发表EI检索论文4篇；建成了上海海洋大学人工智能鱼实验室；联合上海河马动画公司拓展和建立1个动画类实践人才实训基地。

5 教学设计和实践过程的创新点

团队在设计和实施以人工智能鱼为抓手探索多学科有机融合教学体系和创新实践能力培养中，形成如下创新点：

(1) 多学科知识有机融合的课程内涵建设。结合海洋特色学科，梳理“人工智能鱼”研究领域的多学科知识脉络，切合海洋特色信息类人才的培养要求，从教师联合研讨授课、配套教材编写、教改项目研究、人工智能鱼大赛和人工智能鱼实验室建设等多方面，丰富了多学科有机融合的课程内涵建设。

(2) “理论、实践、体验、再培训”四位一体的教学体系。由跨学科多位教师联合授课，以人工智能鱼实验室为实践环境，并组织学生前往动画公司参观、体验，进一步选拔优秀学生去兄弟院校和实训基地进行再培训，真正实现了“理论、实践、体验、再培训”四位一体的教学体系。

(3) 大赛与教学深度融合的创新实践人才培养模式。以人工智能鱼设计大赛、国家、市、校各级大赛和创新实践项目为驱动，针对性地设计课程的教学内容和方式。以大赛促课程，以课程育大赛，赛中有教，教中有赛，激发学生学习兴趣，提升学生实践能力，探索了一条行之有效的大赛与教学深度融合的创新实践人才培养之路。

6 结 语

我校人工智能鱼团队结合学校的优势和特色，以人工智能鱼的教学设计和创新实践为抓手，开展鱼类仿真制作、数字动画与虚拟海洋等相关领域的教学和实践，进而推动多学科的有机交融发展，创新海洋信息类特色人才培养的模式，探索本研一体化多层次信息技术人才的教育教学改革，在各类教学改革和创新实践能力培养方面，取得了一系列丰硕成果，探索了一条适合自身特点的行之有效的人才培养之路。

虽然取得了一些成果，但团队也清醒地认识到存在许多问题和不足，比如：“人工智能鱼”涉及到的学科和技术门类比较多，对学生课外进行创新的知识和技能要求较高，学生往往需要克服较多困难才能取得一定的成果，而如何发挥教师的作用，加强对课外创新的指导工作，使学生能够将主要精力集中在具体的创新上，而不是基础的知识和技能学习上，是迫切要解决的问题。