人工智能专业本科生导师制实训课程设计与实践

曲衍鹏,张 博,赵 正,王怡洋

(大连海事大学 人工智能学院,辽宁 大连 116026)

一、引言

在“新基建”七大领域中,人工智能是新一轮产业变革的核心驱动力量,将推动数万亿数字经济产业转型升级,并且人工智能是新一轮科技竞赛的制高点,对经济增长和国家安全均至关重要。相较于其他已有计算机专业,人工智能专业的特点在于专业内容变化迅速、前沿理论与新技术层出不穷、专业应用实践与社会生活及经济的联系日益紧密。在2022年1月由浙江大学中国科教战略研究院课题组联合百度公司联合发布的《中国人工智能人才培养报告》[1]中,将人工智能人才主要分为方案应用型、方案开发型、算法应用型、算法设计开发型四个大类。方案应用岗是指能够结合特定使用场景,保障人工智能相关应用快速、高效地规模化产出和稳定运行的岗位;方案开发岗是指将人工智能算法及各项技术与行业需求相结合,实现相关应用工程化落地的岗位;算法应用和研究岗是指创新、突破人工智能算法和技术研究,并将人工智能前沿理论与实际算法模型开发相结合的岗位。这些岗位要求体现了人工智能专业在人才培养模式和培养环节上多层次(应用型人才、开发型人才、科研型人才)、多输入(基础理论、前沿知识、动手实践)、多输出(应用实践、产学合作、创新研究)的特殊性。目前,我国的人工智能市场需求前景广阔,相关行业亟须以产业智能化需求为基础、理论与实践相结合的复合型人才。在教育部《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》中强调,要“加强不同培养阶段课程和教学的一体化设计,坚持因材施教、循序渐进、教学相长,将创新创业能力和实践能力培养融入课程体系”。因此,重视培养人工智能专业人才的创新实践能力就显得尤为重要。

对于人工智能专业人才来说,创新实践能力是指学习人工智能相关理论与技术,对人工智能应用领域开展深层次研究,形成AI思维和工程实践能力,具备创造性地解决人工智能领域实际问题的能力。因此人工智能专业不但需要关注学生对于人工智能前沿技术的理论学习,而且还要重视学生的实践能力的培养[2]。但现阶段,人工智能人才培养实践活动普遍采用独立的教学实验、实践实训课程的方式来完成。由百度组织的对人工智能教师开课进展跟踪调研的结果显示:65%的教师认为人工智能技术更新和迭代速度太快,难以在迅速变革的技术环境中进行充分的课程准备;78%的教师表示人工智能属于实践性学科,对数据和算力要求高,高校现有的本科教学实验资源难以满足大型的人工智能模型训练,阻碍了高质量人工智能人才的培养;高达83%的教师认为人工智能课程不仅需要知识教授,更重要的是各种真实的项目资源,这对人工智能教学实验、实训等环节提出了严峻的挑战。[1]

导师制(tutorial system)起源于14世纪的英国牛津大学。作为学分制的补充,20 世纪初,以哈佛大学为代表的美国高校也逐步引入导师制。导师制在20世纪30年代传入中国。21世纪初出现了大规模的高校学分制改革浪潮, 与之相配合的本科生导师制也成为高校教学改革的重要内容。本科导师制按照指导时长、模式大致可分为全程导师制、年级导师制和科研导师制等[3]。全程导师制是指本科生大学四年均有导师从多方面进行引导。目前清华大学、武汉大学等高校部分院系实行的是全程导师制,有些高校的实验班建设也采用这一模式[4]。但这种制度需要大量的教师资源,且耗时较长。年级导师制一般是在大学低年级,每个班配有一名导师,对学生进行学习能力的培养和专业领域的讲解; 到高年级由导师带领学生进行科研实践,为其日后的发展方向提供有针对性的建议。目前南京林业大学、厦门大学等高校部分院系实行年级导师制度。这种制度有利于培养精英人才,但对学生其他方面的发展关注不够。科研导师制一般是从大学高年级开始,由导师带领学生进行科研实践探索,培养学生的科研创新能力,与年级导师制很相似。目前中南大学、济南大学等院校实行这种导师制。这种培养方式主要是就学业而言的,有利于高年级学生科研能力和创新能力的提高。这是目前国内大多数高校实行的一种模式。目前,导师制在数学、计算机、文学等传统专业内得到实施和变革[5]。2019年10月,教育部发布的《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中提出,“建立健全本科生学业导师制度,安排符合条件的教师指导学生学习,制订个性化培养方案和学业生涯规划”。

作为新兴的人工智能专业,导师制的实施形式和内容还处于探索阶段。上海大学采用全程导师制建设人工智能类专业“六位一体”学生社区(指对学生思想教育、行为指导、学业辅导、文化建设、生活服务以及安全防范的六个方面全面开展培养工作)[6];东北大学也在“人工智能+自动化”专业开展了个性化导师制人才培养模式[7];江西师范大学在人工智能专业开展“一主线三阶段四导师”人才培养模式,将工作室导师、思政导师、企业导师和产研导师组合引入课堂教学中[8];湖南工商大学采用“导师牵引+竞赛驱动”的方式培养人工智能专业人才创新实践能力[9]。这些案例都验证了在人工智能专业实施导师制将有助于教师根据学生的具体情况引领学生在人工智能专业领域进行调研学习,激发专业兴趣,并在此基础上引导学生进入科研实验室开展力所能及的实践研究活动[10]。

本文以递进式、多层次实训课程为框架,结合专业课程、各级竞赛、创新科研等培养要素,探索人工智能专业导师制实训课程模式,为本科专业整体培养过程提供系统化的导师制设计思路。

二、人工智能专业导师制实训课程实施方案

大连海事大学(以下简称学校)人工智能专业于2021年2月获教育部批准设立,是学校围绕智能交通、智慧海洋、智慧法学等领域智能化发展需求重点筹建的特色专业。学校人工智能专业从专业具体内涵出发,采用“人工智能+交通运输工程”复合型人才培养模式,培养学生具有良好的人文素养、强烈的事业心、使命感及担当精神,具有创造性和批判性思维能力,具有全球化视野和终身学习能力,具有能够使用人工智能专业的基础理论和专业技能,在智能交通、智慧海洋、智能法学等交叉学科提出并解决人工智能领域挑战性问题的能力,具有能够担负人工智能相关科学技术或工程管理工作的能力,具有能够服务国家重大需求,增强交通强国和海洋强国核心竞争力的能力,最终培养学生成为有交通运输工程领域特色的复合型智能创新人才。

学校人工智能学院计划编制专任教师40人,而目前唯一的人工智能本科专业每个学年招收一个班级,共30～33名学生。因此,四年一个培养周期中,师生比大约为1∶3。这个优秀的比例可以确保指导教师以及学生所构成的团队高效地开展各项实训工作,并且本科学生也会有更多的机会来参与指导教师的科研活动。依据师资建设进度,依次全面实施导师制教学,让每一名学生受到充分关注和享用最大化教育资源。同时,强调因材施教和发展学生的个性,有利于促进教育改革的发展,为实施培养拔尖创新人才创造一个广阔的空间。

(一)实施目标

学校人工智能专业根据教育部《高等学校人工智能创新行动计划》,将学分制下的导师制概念引入综合实践训练中,以导师制构建实训课程形式,以学分制规范实训课程过程。导师制实训课程可以发挥本科生导师在本科生的思想引领、学业指导、专业引导、职业规划与人生规划等方面的指引作用,对学生在课内学业、专业兴趣、读研深造、创新创业、职业规划等方面予以指导,加强学生和专业课导师的交流,加深学生对于专业的认同感。对于专业能力突出、成绩较为优异的学生,导师能够给予个人规划指导和学术引领;对于基础较弱、成绩不理想的学生,导师可以起到督促和学业指导作用,提高学生学习主动性,帮助他们提高专业成绩。本科生导师实训课程可以实现因材施教,多层次地激发学生的学习热情,着力培养学生的创新能力与协作能力。此外,本项目还能增强专业教师之间的交流,促进教学团队建设。

(二)实施方案

实施人工智能专业本科生导师制,首先应让学生对人工智能专业有一个比较清晰全面的了解。因此在学生一年级大类培养分流之后,以“专业导论”课程作为平台,由多个专任教师向学生介绍各自研究领域的前沿发展以及所在研究组的具体情况,让学生初步了解专业教师的研究方向和人工智能领域各个方向的前沿技术。之后根据个人兴趣,与参与导师制的专业教师进行双选,最终确定由指导教师以及被指导学生组成的研究组。其次,将导师对学生的指导内容以系列专业认知实习课程的形式框定,并将专业认知实习课程嵌入培养计划。具体可以从第三学期(大二上)到第七学期(大四上)依次开设。考虑到学生成长过程中知识构成和能力要求的阶段性,以专业基础认知、专业学习理论认知和专业学习实践认知为主线,每门课程的性质设为必修,时长30学时,学分1分。系列专业认知实习课程环环相扣、层层递进,不仅直接强化了认知实习在专业学习过程中的作用,还为构建持续有效的导师—学生互动机制奠定了平台基础。学生在导师指导下完成规定学时及取得一定成果,向导师提交研究报告并由导师审核认定后,获得专业培养方案中规定的学分。

1.基础认知实训

本阶段的基本目标是引导学生了解专业基本情况和发展现状。提高目标可以根据学生自身情况,指导教师安排学生有针对性地学习使用一些编程工具,也可以安排研究生带领本科生完成一些编程练习。在学有余力的情况下让学生报名参加“大学生创新创业训练计划”立项申报工作。这一环节有助于学生强化本专业的基础理论和实践能力,为后续工作的开展做好铺垫。

2.体系认知实训

本阶段的基本目标是结合专业课程内容,指导学生熟悉专业知识体系构成,以及各自团队的学术方向。可以给学生安排与课程内容相关联的中英文科技论文阅读工作,同时培养和训练学生的专业英语阅读能力。提高目标可以设为指导学生参加一项大创项目或学科竞赛。通过这一环节,学生可以充分地与指导教师和专业其他任课老师进行交流,梳理专业知识体系。

3.研究认知实训

本阶段基础目标可以设为深化专业理论知识,通过一些典型的案例,帮助学生进一步熟悉专业知识的应用。提高目标可设为在学科交叉背景下,指导学生用人工智能技术解决跨学科、跨行业的应用问题。这一环节有助于拓宽学生的视野以及专业知识面,帮助学生融合理论知识和提高实践能力。

4.创新认知实训

本阶段的基本目标在于指导学生运用已掌握的专业知识参与实验室或实习基地的专业实习活动。该目标可以进一步提升为指导学生进行创新创业活动,鼓励学生对人工智能技术的应用场景有所创新。学生通过这个环节进一步锻炼自己的实践动手能力,初步形成自身专业发展的思路,为将来就业或深造做好规划。

5.实践认知实训

本阶段的基本目标是由指导教师综合前4门实训课程内容,为学生确定毕业设计选题。通过5门实践课程的系统培育,学生可以很好地完成毕业设计工作。此外,本阶段的提高目标可以设为指导学生参与科研论文写作或专利申请工作,让学生了解完整的科研成果研究转化流程。这些任务积累的理论知识和实践能力有助于提高学生自身在就业和考研过程中的竞争优势。

以上课程内容作为对学生参与导师实训课程的基本要求,其目标在于使学生的专业实践能力得到递进式的提升。对于主动创新精神较强并学有余力的学生,各阶段的学习内容相应地可以提前进行,以便有更充足的时间让学生开展创新创业项目以及科学研究工作,从而达到创新创业能力螺旋式的提升。导师制实践课程各环节之间的关联、基本目标和提高目标如图 1所示。

图1 导师制实践课程各环节间的关联、基本目标和提高目标

(三)考核方式

针对本科导师制实训课程的特点,引入形成性课程评价方式,随时了解学生在学习上的进展情况,获得教学过程中的连续反馈,从而为教师随时调整教学计划、改进教学方法提供参考。其中,实训课程过程记录应至少包括指导时间、指导时长、指导地点、课程主题、课程内容(指导内容参照前文介绍的人工智能专业导师制内容执行相应计划)。

此外,本系列实践课程还将由学生完成阶段性报告,结合教师对学生的过程性评价,最终给出学生每阶段课程的成绩。具体来说,实践报告内容可以包括以下三部分:第一部分,实训基本情况,包括实训时间、实训目的、实训完成情况、实训形式;第二部分,实训过程及内容;第三部分,实训总结、体会及建议。

(四)特色与创新

1.人才培养持续递进

本项目研究的人工智能专业实训教育打破了原来实训课程短期性、一次性的时间框架,在多个学期持续、递进地对学生进行培养,让学生尽可能多地掌握人工智能的理论知识和实践技能,由此解决了人工智能专业实训教育缺乏结构性和持续性的问题。

2.多方收益相结合

本项目研究的实训课程内容与人工智能专业导论以及其他专业课程内容紧密相关,并且实训内容可以与学生创新创业、毕业设计、就业升学等多个环节联动,确保实训过程及其成果能够实现一定的价值。此外,通过本项目研究的实训课程,学生可以在学业和个人能力提高上获得收益。指导教师可以指导学生参与一些实际的科研项目的工作,带领学生参加多种创新创业大赛,优秀的学生可以作为学校“双一流”建设的专业人才储备,这就解决了人工智能专业实训教育成果的转化问题。

3.分层次培养

对于基础和能力相对一般的学生,指导教师可以根据指导性教学大纲,指导学生掌握基础的人工智能实践操作技能;对于能力优秀的学生,指导教师可以通过创新创业等活动培养学生具备更高水平的实践能力。这就解决了人工智能专业实训教育缺乏层次性的问题。

三、结语

2022—2023年第一学期开始学校针对人工智能专业重实践的特点,从专业实际发展情况出发,为人工智能专业大二学生(也是学校第一批人工智能专业的本科生)安排导师制实训课程。通过系统的实训教学课程,引导学生体会人工智能、了解人工智能、研究人工智能、创新人工智能,并以此实践教学课程为中心,将成果辐射到学生创新创业、毕业生就业升学等工作。本项目自2022年9月开始实施至今,在人工智能专业认知实训课程的框架下,学校人工智能专业学生获得多项国家级竞赛奖项:2022年中国机器人大赛暨ROBOCUP机器人世界杯中国赛水下机器人水中巡游和水下作业项目两项国家级一等奖;2023年第二十五届中国机器人及人工智能大赛全国总决赛机器人应用赛(四足急速物流)国家级一等奖及机器人创新赛国家级一等奖;2023年睿抗机器人开发者大赛(原RoboCom)全国总决赛CAIR工程竞技赛道国家级一等奖;等等。针对本科生导师制实训课程的具体实施进行的访谈可见,学生和教师均给予比较积极的反馈:认为本科导师制使师生互动关系更加紧密,能更好地满足人工智能专业学生的学习需求,帮助他们更好地掌握前沿理论知识和实践技能;采用导师制的形式建设人工智能专业认知实训课程体系能够解决人工智能专业实训教育缺乏结构性和持续性、教育成果转化困难以及缺乏层次性的问题。由于现有开展导师制实训课程的学生为本专业第一批学生,所以以上介绍的实训课程的后续四个阶段尚未开展。因此我们设立了两个后续关注点:一是从学校特色、专业课程和专业前沿之间的共同点出发,引导指导教师为学生设计相应的实训课内容;二是将重新审视现有课程设置的合理性,可以适当调整课程的属性,将有些环节设为专业必修,有些环节设为专业限选,从而更加灵活地为学生安排实训课程。