《智能科学技术导论》课程教学改革研究

田中大，张志佳，张娜，孙平，张俊，李冬

（沈阳工业大学 人工智能学院，辽宁 沈阳）

一 引言

作为一门新兴的学科，智能科学与技术专业在2004年成为试点专业，并于2012年作为正式专业而被教育部承认。作为一门融合了自动化、电子科学与技术、人工智能、网络技术等多种学科的专业，智能科学与技术在这些学科基础上，实现对信息的采集、处理、传送、控制、优化等目的。毕业的学生可以完成智能科学技术与工程相关行业的研究、开发以及管理工作，专业的目标是培养具备现代创新科学意识的高级科研与技术人员[1]。截至2021年，全国包括南开大学、北京科技大学、北京邮电大学、大连海事大学等142所院校设立了该专业[2]。2010 年，作为新增专业，沈阳工业大学的智能科学与技术专业获教育部批准，并于次年开始招生。专业建设基础为信息科学与工程学院控制理论与控制工程、系统工程硕士点。2020年沈阳工业大学在智能科学与技术专业的基础上成立人工智能学院，深化人工智能技术的基础研究与技术应用。由于智能科学与技术专业开设时间较其他成熟本科专业相对较短，对于如何建设该专业，国内各个学校都在不断地进行改革与实践。

图1为智能科学与技术专业特点，从中可知其具有多学科交叉、多技术综合、跨领域应用的特点。

图1 智能科学与技术专业特点

在智能科学与技术专业的课程架构体系中，《智能科学技术导论》是专业的基础课，从学生实际需求角度出发，科学、系统地介绍学科中所包含的基础知识，使学生对本专业产生一个整体认识，初步了解本专业及相关学科领域所涉及的知识，对专业的其它课程起到一个综述的作用[3]。故而，研究并探讨该课程教学策略的改革具有十分重要的意义。

二 《智能科学技术导论》教学现状

沈阳工业大学智能科学与技术专业从2016年开始设置《智能科学技术导论》，通过3年多的授课效果的调查发现该课程的教学效果不算特别理想，因此2020年对课程进行了改革，课程效果不理想的主要原因在于以下几个方面。

（一）教学内容太宽泛

智能科学与技术是多个专业交叉融会的专业，需要学习很多相关的学科知识，如数字信号处理、运筹学、智能传感技术、无线传感网络、机器人运动控制、大数据技术等，这些课程与知识涉及的领域非常广泛，知识的覆盖范围很广，教学内容分散，需要的背景知识多，同时很多课程之间的紧密性不强。而这些知识都需要在《智能科学技术导论》课程中进行介绍，这就导致教学内容与学时量之间的矛盾。因此如何在有限的教学周内向学生讲授学科内的重点知识是每个老师所面对的问题。如果不能在宽泛与集中之间找到一种平衡，那势必会影响课程的讲授质量。

（二）学生知识储备不足

本校的课程设计中，将《智能科学技术导论》课程开设在大二上学期，学生在一年级学习的都是高等数学、英语等基础课程，缺乏对专业背景的了解，对于相关的基础知识缺乏认知。这导致学生的学习习惯、学习方式以及对学习内容的把握不适合专业基础课的讲授。教师讲授过程中如果侧重基础理论的讲解，学生无法深入理解，同时这些内容可能在后续的课程中会专门讲授。相反，如果侧重应用的介绍，学生对基础知识没有相应的学习，无法了解应用过程的必要性和如何实现。因此，教师如何在授课过程中平衡理论与应用的平衡，使得学生在整体上对智能科学与技术专业有整体的认知是一个重要问题。课程目的是使得学生能够在课程中熟悉并掌握学科的基本知识点，为之后在专业课的学习中夯实下坚固的基础。

（三）教学方式陈旧

现在高校课程依旧以传统课堂教学为主，通过教师的讲授使得学生理解课程的内容。如今虽然部分课程采用的是多媒体授课，但是其弊端比较突出，那就是教学的机械性，教师无法获知学生是否有效地掌握了学习的知识，而且也不能把教学质量与人才培养方案有效结合。老师采用的是注入式的教学方法，对于提高学生的学习兴趣与创新能力帮助很小，导致学生基础知识学习的不够深入，无法延伸知识的体系，对于学生理解课程学习内容没有裨益。

（四）学生学习积极性不高

在教学过程中，察觉到大多数学生缺乏在大一就应具有的有关智能科学技术领域的基础知识，也没有正确的学习方法，对本专业的专业知识缺乏更深层次的理解，甚至有的学生对其完全陌生。

在导论课程的学习过程中，感觉学习的知识都是陌生的，不知道如何将这些知识与后续的专业课程进行关联。最后导致对课程学习没有兴趣，严重的甚至认为自己不适合智能科学与技术专业，转向其它感兴趣的专业。

（五）教材存在滞后性

在如今的《智能科学技术导论》课程中，其中涉及的知识体系比较复杂，使用的教科书中理论知识较多。现如今是一个信息化的时代，人工智能技术更新比较快，在使用的教材中不能及时写入最新的智能科学理论知识，所以教材的内容有滞后性。对于大多数学校而言，在选择《智能科学技术导论》教材版本中，从实际出发，一定程度上不能够满足学生的需求，而且版本众多。有的侧重计算机学科，有的侧重自动化学科，而有的侧重脑科学，没有实现内容的均衡，这都会使教学效果不好。

三 《智能科学技术导论》课程改革策略

《智能科学技术导论》的教学不应该一成不变的，应该根据内外部环境的变化而变化。同时，智能科学与技术专业侧重于实践能力的提升，因此教学中理论与实践相辅相成，进一步的教师应该充分选择先进的教学方式或者教学手段，加深对课程的改革程度，推动课程教学策略与课程建设的进一步完善与发展。

（一） 修订大纲，明确教学目标

旧的《智能科学技术导论》的教学大纲与正常基础理论课的教学大纲很相似。大纲中首先是介绍课程的教学目的、然后给出各个章节及其对应学时、给出需要介绍的各个知识点的难点和重点。为了使得教学大纲更加合理，对教学大纲内容和结构进行了修订，更能体现课程的教学目的。修改后的大纲包括5个内容，分别为课程目标、教学环节及其对应学时、教学内容与教学组织、课程考核与成绩评定、教材及书目。新旧大纲的对比如下表1。同时将课程安排在大二下学期进行讲授，在一年安排讲座、参观、交流等活动，增加对专业知识的储备。

表1 新旧大纲对比

（二）课程内容设计

考虑到智能科学与技术专业是综合性学科特点，因此《智能科学与技术导论》课程教学需要以学科内容内涵为中心，重点是学科的基础知识、核心研究问题、主要方法、热点技术及前沿的应用等[4]。改革后的教材内容涉及意识识别、算法结构、智能系统、机器人等诸多方面。讲授内容对专业需要的最基础的知识全面地进行了介绍，将基础与前沿同样考虑，对于学科的基础、理论研究以及实际应用都进行了介绍。学科基础主要侧重学科概述、算法应用以及学科展望等；理论研究主要侧重环境感知、思维运作、行为表现等；实际应用则重点讲解了智能接口、智能系统以及智能社会等方面。具体的章节结构和学时安排如下表2。

表2 《智能科学技术导论》课程内容及学时

（三）教学方式革新——引入翻转课堂

翻转课堂，也可以叫做颠倒课堂。翻转课堂就是在课堂教学活动中，进行师生角色、教学模式、教学方法等方面都进行了翻转。具体而言就是师主生配翻转为生主师配、教学中利用网络以及各种多媒体技术、教学中将讨论、分组协助等方法都进行了结合[5]。对于《智能科学技术导论》课程翻转课堂的引入是必需的。

在课程的教学活动中，教师向学生提出课程教学改革的要求，并介绍实施翻转课堂的教学活动安排计划。同时在首次授课教学活动中，老师采取问卷调查的形式向学生了解他们自身的知识基础、学习目标及其对《智能科学技术导论》教学成果的期望等情况，达到掌握学生基础资料的目的，为翻转课堂的顺利实行打好基础。然后，向学生说明本课程的教学网站、多媒体教学课件、雨课堂信息、慕课等电子资源的操作方法，对于学生需要完成的工作内容也应该布置好[6]。通过学院教学网站，对教学中需要的教学计划安排、相应的教学内容和目标要求都要进行上传，学生掌握学习的主动权。实施翻转课堂后的教学工作的设计流程如图2。对于翻转课堂的教学单元，需要提前预置好各个子课题，其数量和小组的数量相对应。不同的子课题对应的学习深度、广度以及难度都不完全一致，目的是对学生的学习能力起到充分调动的作用。学生通过随机抽取的方式获得子课题。

图2 翻转课堂流程

（四）考评方式改革

考核中，若仅仅从期末试卷成绩来判定学生的学习效果是不恰当的，没有体现学生的独立思考以及创新能力[7]，有悖于《智能科学技术导论》这门课的开设初衷。改革后将实行多元化的教学考核方式：小组讨论答辩制：在课程教学过程中，学生按照兴趣分为各个小组，并各自选择和学科方向相关的题材进行学习，配合资料查询、小组讨论、设计实现，最初提交报告并进行答辩；实践创新：学生针对教师以及实验室所演示的智能系统，撰写一篇小论文，并提出自己的观点、疑惑点以及创新点，有兴趣的学生可以参与智能系统的开发中；期末仍然进行卷面考试：题型主要有填空题、选择题、简答题、问答题、程序设计题、综合能力测试题等。力争对于学生对专业基础概念、各自理论以及实际应用的理解，考查学生是否具有了利用学习的知识对问题分析和解决的能力。

（五）实验课建设

《智能科学技术导论》作为从宏观视角对智能科学领域相关内容综述的专业性基础课，最主要的工作就是将专业的知识以及学习方法传授给学生，但是缺少对于专一知识点的详细描述[8]。结合该导论课程的特殊性质，可以利用参观、演示、介绍等方式进行实验课程。将最新的设计竞赛、创新创业项目介绍给学生。尽可能地让学生能够参与到这些项目之中，使得他们了解实际中如何解决问题。另一方面，智能科学与技术专业涉及的专业较广，实践性要求较高，可利用现在市场中一些相关知识领域的成果。如学院实验室中的智能电梯控制及优化实验平台涉及到自动控制、网络通信、优化策略、系统调度等诸多前沿科学技术，学生从中可逐步认识、理解、学习并掌握这些智能控制、优化、设计等相关知识。实验课的开设不仅能够培养学生对掌握本专业知识的兴趣，也为以后专业学习打下了基础。

四 结语

经过一轮的《智能科学技术导论》课程改革后的课堂教学实践，对学生开展了问卷调查，结果显示，《智能科学技术导论》课程教学改革后，学生对专业的认知度和认可度都大幅提升。后续课程的教师反映学生的学习积极性、技术交流和动手能力相比改革前的学生有明显提高。通过课程改革，《智能科学技术导论》课程改变了以往形式化课程的面貌，学生在观念上形成了对智能科学与技术专业的整体印象，明确了自己未来应肩负的责任，培养了工程意识和工程能力，了解了智能科学实践中应掌握的知识和能力，明确了学习任务和目标，提升了学习兴趣，为今后的进一步深入学习打下了基础。