基于“立地顶天”教学理念的人工智能课程建设

王 艳

（北京物资学院 信息学院 , 北京 101149）

0 引言

近年来，随着深度学习、大数据等支撑人工智能的关键技术得以突破，人工智能以前所未有的速度与态势迅猛发展，其应用逐步渗透到人类生活的很多领域。2017年7月20日国务院发布的《关于新一代人工智能发展规划》[1]更是将人工智能提升到国家战略的高度；10月，人工智能被写进党的十九大报告。同时，生物芯片、虚拟现实、增强现实、自动驾驶、情感机器人等高端事物的层出不穷，人类已迎来了弱人工智能向强人工智能转变的新时代[2]。在这种时代背景下，社会发展急需人工智能领域的人才，而现实却是具备人工智能理念与技术的综合应用型人才的稀缺。

人工智能教学不仅仅要从计算机专业的角度去教授学生人工智能的理论知识，培养学生开发智能系统的能力，让学生具备“立地”的能力，更要结合时代背景，培养学生的智能情感与态度及智能伦理于一体的智能素养，同时让学生开拓广阔的国际视野，清晰领域前沿，能够独立思考，具有自觉利用智能理论及技术解决实际问题的意识与能力，发展学生“顶天”的潜力。因此，将“立地顶天”教学理念融入人工智能课程建设的实践中具有重要的理论意义与实用价值。

1 人工智能课程建设发展现状

教育部2018年4月制定了《高等学校人工智能创新行动计划》[3]，明确提出要“支持高校在计算机科学与技术学科设置人工智能学科方向，推进人工智能领域一级学科建设”“加大人工智能领域人才培养力度”。在此背景下，对于人工智能教育的思考与教学模式的探究进入了一个崭新阶段，许多专家学者对人工智能教育提出了思考[4-6]，为高等教育中的人工智能专业建设提出了很多崭新的观点[7-9]，这些思考与观点引领了我国高校人工智能教育的方向，促进了高校人工智能教育的发展。同时在此背景下涌现出一批对人工智能课程创新的探讨与实践[10-12]，这些项目的研究有的是从教学大纲入手，研究如何设置和编排教学内容，能够让学生更好地掌握和理解人工智能的基本原理及相关技术；有的研究是通过翻转课堂的教学模式，主要以人类的多元智能为参照，从多元智能空间结构的技术实现程度、时序结构的技术框架达成度等方面来分析人工智能的研究现状及未来的发展趋势。

诚然，这些课题或项目的研究在一定程度上大大促进了人工智能教育，但在某种程度上凸显出一些弊端。作为高校本科学生，他们将是我国高端应用型人才的主要来源，在人工智能迅速渗透到人们工作、生活各个领域的背景下，人类要想在这个时代中生存、发展就必须具备掌控甚至超越这个时代的基本素养，因此探索一种高效易行的人工智能课程的教学模式势在必行。

综上所述，本科院校人工智能课程的建设要综合考虑学生的学情、学生的兴趣、学生未来发展相关智能素养的培养[13]，既要教授学生人工智能的基本原理、基本方法及技术，又要开拓学生对人工智能及其发展的视野与认识，具备运用所学知识自主规避人工智能风险的能力。因此“立地顶天”的教学理念适合普通本科院校教育。

2 基于“立地顶天”教学理念的人工智能课程建设

2.1 精选教学内容

人工智能的基本理论包括状态空间图的搜索技术，与或图搜索及博弈树，谓词逻辑及归结原理，知识表示，机器学习，智能计算等内容。以上教学内容是人工智能理论与技术的基本理论，为人工智能深入研究夯实基础，无法再进行删减。作为专业选修课，人工智能课程是32-48学时，对于教学内容应根据学情精心设计，否则不但无法在指定时间内完成既定的教学内容，而且学生会感受到学习过程枯燥无味，缺乏兴趣。上述教学内容中，状态空间图的搜索较为简单，主要介绍深度优先与广度优先搜索策略及部分启发式搜索算法，考虑到研究生的学习能力一般较强，这部分可以课堂简单介绍，主要通过引导学生课下设计具体案例及解决方案深入理解并掌握。但搜索算法中的A*算法是人工智能领域中的一个具有可纳性的基本的启发式搜索算法，是今后人工智能算法开发的基础，需要课堂着重讲解并给出学生相应的具体案例，让其运用所学知识解决。与或图及博弈树是人工智能领域中的重要基础，这部分内容在解决实际问题及竞技对弈类游戏中有广泛应用，因此需要着重讲授。但考虑到课时限制，可以通过引导学生课后分组完成类似于跳棋、五子棋等简单棋类游戏的开发来加强学生对理论的理解及增强学生学习兴趣。谓词逻辑及归结原理大部分内容在人工智能的选修课程——离散数学的数理逻辑部分有所介绍，但对于有些学校计算机专业学生而言，由于没有开设离散数学课程，所以不能省略，可以通过课上讲解理论、课下完成趣味推理或刑侦判断等类似案例的方式加强学生对理论的理解与提升运用理论解决实际问题的能力。知识表示是知识工程和自然语言理解的基础，考虑到学生不同的研究方向，这部分只介绍比较常用的产生式系统、语义网络、框架等知识表示方法。机器学习是当前人工智能领域一个比较热门的研究方向，可能会成为一部分学生将来的研究课题，因此需要着重将机器学习部分的基本框架及几种常用的机器学习的思想讲授。同样，计算智能也是当前的一个研究热门，要着重将几种常用的算法思想向学生讲授。为了避免理论性过强，后面这几部分教学内容需要精选案例，让学生在课下实践中掌握相关方法与技能。

2.2 “立地”教学理念下案例设计

人工智能的基本理论和技术是培养具有智能素养的应用型人才的基础，但仅仅通过课堂讲授不仅由于课时限制而无法完成相应教学内容，而且学生学起来也非常枯燥乏味，更无法真正将所学知识融入具体的应用中，因此在确保教学内容“立地”的前提下实用性、趣味性、代表性较强的案例设计必不可少。根据各章节内容，需要设计课堂案例，以促进学生对所学知识和技术的理解与掌握，同时为了密切配合课堂所讲内容，充分利用课余时间，引导学生课下自己设计或以分组模式完成课下案例，以加强对所学知识的复习与巩固，并熟悉人工智能知识与技术的实际应用场景。

人工智能课程教学内容课堂及课下案例如表1所示。

表1 人工智能各章节所选案例

2.3 “顶天”教学理念下多元化教学模式实践研究

仅仅掌握了人工智能的基本理论及技术对于当代研究生而言是远远不够的，高校毕业生是我国高端应用型人才的主要来源，应清晰领域前沿，具有广阔国际视野，能够独立思考，具有自觉利用智能理论及技术解决实际问题且具有较高的智能素养。因此，在传授人工智能基本理论及技术的同时，必须让学生紧跟时代节奏，清晰明确人工智能的发展及瓶颈。这样，需要挑选一些与人工智能技术相关的案例或观点，通过讨论、辩论、翻转课堂等教学模式进行交流，促进学生对人工智能技术及发展的认识，提高学生学习兴趣。同时可以引导和组织学生积极参与世界机器人大会等人工智能相关的展会实习，不但能够使学生开阔视野，同时还能增强学生学习的成就感，明确学习人工智能的方向。前期的教学经历表明，探究式、讨论式、写作式等合适的多元化教学模式能够大大提高学生学习及探究的兴趣，明显提升教学效果。

2.4 多元化过程性考核设计

过程性考核是对学生所学知识的检验，也是对教师教学模式及教学过程的检验。“立地顶天”教学理念下的人工智能课程主要让学生通过理解与掌握人工智能的基本理论及相关技术，能够自觉利用所学知识解决实际问题，并具有国际视野。在过程性考核中，学生平时所掌握的知识、技能必须能够得以体现，因此可以采用期末与平时成绩相结合的方式，期末考试采用开卷形式，考试题目与平时课堂及课下案例类似，只有掌握了相关理论与技术才能灵活运用解决问题。同时为了体现平时学习效果，将“顶天”理念下的相关话题让学生分组或独立以论文形式完成，突出本组或自己的思想，同时让学生在论文撰写技巧及规范上得以提升，培养学生与他人合作的工作作风。对于平时任务完成较好的小组或个人，给予一定的奖励。

3 结语

总体上“立地顶天”教学理念下的人工智能课程建设取得了一定成果，通过精选教学内容，精心设计教学案例，实践多元化教学模式，完善多元化过程性考核评价体系等教学手段，使得不同层次的学生在课时非常有限的状态下均有不同的收获，符合既定的课程目标，让学生了解和掌握了人工智能的基本技术、基本原理及发展趋势，并将在他们今后的工作中有所应用。除此之外，由于这门课程具有融合多门学科知识的特征，使得部分学生对人工智能相关应用领域的知识产生了浓厚的兴趣，开阔了学生的就业前景。

今后，要进一步精化教学内容，努力提升教学案例的趣味性及实用性，以增强学生的学习兴趣，从而愿意在课下拿出更多的时间学习和研究人工智能的相关知识，密切关注人工智能的发展势态，为今后学生的工作或学习储备更多的知识与技能，为我国科技发展输送高水平的应用型人才。