新工科背景下人工智能专业实践类课程教学改革探析

张晓孪 何苗 王西锋 李亚峰 张文博

关键词：新工科；人工智能；实践类课程；教学改革

0 引言

2017年以来教育部积极推进新工科建设，积极探索工程教育的中国模式和经验，助推高等教育强国建设。新工科的内涵是以立德树人为引领，培养卓越工程人才，核心点是提高人才培养能力。人工智能专业是一个研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。在新工科的背景下，新工科建设的新标准对该专业的人才培养提出了更高的要求。2019年教育部高教司组织开展人工智能领域核心课程知识体系和资源建设。目前构建人工智能人才培养体系、建设高质量的人工智能方向理论、实验课程资源已成为人工智能人才培养的迫切需求。宝鸡文理学院在2020年获批人工智能专业，笔者从人工智能专业实践类课程教学实际出发，旨在探索提高课程教学质量的可行方法，提出了一系列的有效措施，将为培养“新工科”卓越工程人才，提升大学生工程实践能力与创新能力，为学生走向工作岗位奠定良好的基础。

1 人工智能专业实践类课程现状

宝鸡文理学院的人工智能专业旨在培养立足宝鸡、面向西部、服务全国，德智体美劳全面发展，具备良好的人文素养、职业道德和社会责任感，掌握相关基础理论、专业知识和技能、分析设计方法，能够在人工智能及其相关领域从事科学研究、设计研发、运维管理等工作的高素质应用型人才。在该专业的人才培养方案中，人工智能实践类课程发挥着十分重要的作用[1]。实践类课程主要培养学生工程实践能力，工程实践能力指的是能够具有工程意识、创新意识，能够将所学知识应用于工程实践当中的能力。学生工程实践能力包含学习能力、思维能力、表达能力、创新能力、计算分析能力和团队合作能力等要素，培养目标是为社会输出适应社会需求的应用型人才。该实践类课程主要实践教学环节安排如表1所示。

2 人工智能实践类课程教学存在的问题及分析

新工科建设是教育强国建设的引领力量，教育部在2019年3月批复了35所高校作为人工智能首批新专业建设资格，首次确定了人工智能这个本科专业。截至目前，已有400余所高校获批人工智能本科专业。由于人工智能专业整体开设时间不长，目前国内高校的人工智能实践类课程教学体系建设尚处于初级阶段，呈现出开设时间短、理论和实践结合度不高、课程体系化程度建设不足、实践教学资源不丰富、教学内容陈旧没有及时更新，专业所学内容与工业界的实际需求脱节等缺点。目前教学模式上还是主要采用教师讲授与布置实验作业的方式，学生通过课内外的实验作业完成课程目标所对应的主要算法、基本思想、核心技术等的训练。在新工科背景下，依然采用传统教学模式难以适应工作岗位对专业或者研究方向的人才需求。

现有的实践教学模式和存在的问题影响到学生能力培养和素质的提升，主要原因分析为：部分任课教师在教学过程中过于重视各门专业理论课程中知识点学习，忽视了学生工程实践能力的培养，学生动手实践机会少，工程实践能力不高；具有实际项目开发经验的教师和创新创业导师数量匮乏；专业实验室软硬件环境落后，严重影响到人工智能专业学生的发展；过于注重学生基础课的学习忽视了学生素质的提升；传统教学模式禁锢了学生能力的提高，导致学生不能将所学知识运用于实际解决问题。

3 人工智能实践类课程改革思路及实施路径

在人工智能专业教学中，需要培养学生丰富的专业实践能力，具有发现问题、分析问题和解决问题的能力。新工科背景下的人工智能课程教学目标是为国家培养一流人才，要求在大学四年的实践教学环节中不断提高大学生的工程实践水平。宝鸡文理学院的人工智能专业学生毕业5年后应达到的一个目标是综合运用自然科学、工程科学和专业知识，对人工智能领域实际工程项目提供系统性的解决方案，因此今后的专业教育必须关注市场需求和发展，不断巩固学科理论基础，并为社会培养专业领域的紧缺优秀人才，满足国家各行各业的智能化建设和发展的需要，具体路径可从以下几个方面实施。

3.1 更新实践教学理念

新工科建设在注重学科交叉融合的同时也对工程教育与学生综合素养、能力提高提出了新的要求[2]。任课教师要加强自我学习，不断丰富自己的综合素养，研究和学习新理念，积极构建新工科背景下专业实践教学体系，改变传统考核模式。

以人工智能导论课程为例，通过本课程的学习，学生应该掌握人工智能的基本概念与方法，了解人工智能领域的前沿技术和现存问题，掌握如何用计算机实现系统建模、推理，大数据挖掘与分析、机器学习等，具有一定的人工智能算法编程和运用能力，把握人工智能技术的社会应用和发展方向，所以该门课程的实践教学理念就应该以能力培养、加强实践为中心，不断激发大学生对人工智能学科的学习兴趣，能将知识运用于工程问题的分析、建模和技术开发过程，培养学生知识创新、技术创新以及理论迁移为应用的能力。

3.2 加强实践教学设计

在新工科建设下需要从人工智能实验实践教学的内容体系上加强教学创新性设计，新体系应加强课程群建设，有机融入课程中的基础理论知识和最新发展动态，不断研究与软件公司合作的各种实践教学内容设计，加强创新创业实践教育和工程教育，继续完善校企合作、产教深度融合、各类实习和技术培训。人工智能+新工科的新目标落实的重要基础就是如何建立一個完善的实验实践教学新体系[3]，具体措施为在课程实验设计上既要体现课程间知识点的交叉融合又要注重学科的继承和创新，定期更新实验内容与时俱进，将从专业的基础实验、人工智能应用实验两个角度构建实验知识体系。同时任课教师在实践教学中也应当以生为本、因材施教，重视大学生实践操作能力培养和提升，引导和帮助大学生将所学专业理论知识和成果转化为专业应用实践能力[4]。

在人工智能导论课程中，综合考虑到教学大纲中理论学习内容、实验教学目标和实验要求，实验内容设置情况如下：

3.3 改进实践教学方法

工科专业要培养应用型人才，核心环节是实验教学，计算机实验教学离不开现代化的高效实验室。教学方法在新工科背景下的教学过程中，对应用型本科人才的培养发挥着十分重要的作用，因此需要解决传统实验实践教学模式中存在的痛点，探索和确立实验实践教学新方法和新途径，积极发挥虚拟仿真实验、云端实验教学等新途径的优势。教学新方法、新途径的实施需要专业教师的专业能力作为基础，因此还要认真探讨专业教师应对新背景下的专业能力提升新策略。教师要探索实验实践教学新模式，是落实“人工智能+新工科”视域下新目标的重要保障。此外教师还应提高对市场的关注，了解市场对于大学毕业生的素养新需求，了解计算机实验教学的新要求与新形态，对以往的固有教学模式与教学方法进行更新与调整，制定切实可行的解决对策。同时教师应对实验教学内容和效果不断进行总结，提炼出可行的实验教学策略与教学模式，切实提高实验教学水平与教学质量。教师可以把理论教学与实践教学相融合，讲授一些理论知识点时通过实践课实例驱动。在实际教学中采用丰富的教学手段，例如老师利用案例驱动、分组讨论、反转课堂等对学生进行理论与实践知识的讲解。

例如在《人工智能导论》课程中的VGG-16迁移学习实验中，实验目的是加深对迁移学习含义的理解，基本掌握VGG-16结构和迁移学习过程，具体内容是在Python中实现VGG-16迁移学习，将其迁移到与图片分类不同的领域，实现动物体长的识别，效果如图1所示。

在具体的教学实施过程中，有关VGG-16网络结构和原理的学习要求学生通过网络中的视频资源采用自学方式在课前初步掌握，实验中用到的Python第三方库安装和技术点的理解通过分小组讨论和案例驱动的方式掌握；迁移学习过程由老师现场讲解主要步骤和关键技术，学生分组动手实践，学生提问老师现场答疑解惑。课后分组撰写和提交实验报告巩固实验课学习内容。

3.4 建立多层次实践平台

一个专业的实践教学类型丰富，具体有各门课程的实验和实践、期末的课程设计、各种实习，也包含学生参加的各种社会活动和劳动。科学地构建和完善实践平台，对推进专业人才培养和改革具有重要意义[5]。构建有效工程实践途径，建立多层次实践平台，包括以下几个层次：1） 建设以实验教师为主体的用于理论教学的专业实验室；2） 组建以专业教师为指导教师的学生创新实验室和各类竞赛小组；3） 构建以专业教师和企业技术人员为主体的工程研究中心和企业实训基地；4） 搭建以学科带头人为主体的各类研究所；5） 打造创新创业教育基地，鼓励学生积极參与学科竞赛等创新创业活动，组织大学生利用课余时间开展行业调研、了解行业发展的问题和困难，完成调研报告；鼓励大学生利用寒暑假到企业参加专业实习和创新创业实践，强化实训和与企业的产学合作协同育人教育，扩宽学生眼界和知识面，提高工程实践技能，旨在提高学生的创新创业能力。通过以上措施，建立对师生的激励制度，吸引和鼓励学生进入实验室、研究所和实训基地等，发挥各级实践实训场所在工程实践型人才培养中的作用。

4 结束语

新工科是基于高等学校落实立德树人新要求和国家战略发展新需求而提出的工程教育的改革方向，是新时期高等教育改革的探索和尝试。一所大学的人工智能专业要办出专业特色和高质量，需要根据自身专业的特点、生源基础、师资力量和教学资源等进行因材施教。相信在当前新工科理念的指导下，人工智能实践类课程教学改革能更好地达到专业培养目标和培养该学科领域的专业研究与技术人才。