研究性教学在人工智能课程教学中的探索与实践

张彦铎　李　迅　鲁统伟

摘要：本文从计算机专业人工智能课程的自身特点和实际需要出发，为了课程教学和人才培养质量的提高，根据研究性教学的规律，在课程教学实践中深入实施研究性教学，并取得良好的教学效果，对其他课程的研究性教学实践有积极的启示。

关键词：研究性教学；人工智能课程；计算机专业

中图分类号：G642文献标识码：B

为了探索创新人才培养的有效途径，以研究性教学(研究性学习)理论研究为指导、以机器人足球技术为平台、以计算机专业课程和实践教学环节为对象，开展了一系列理论探索与教学实践。在此基础上，逐步树立了学生实践与创新能力培养的教育教学理念，形成了典型创新平台(机器人足球)上的突出特色，取得了众多的人才培养成效。

1指导思想

2005年教育部发布的旨在提高我国本科教育质量的教高[2005]001号文中提出明确要求：“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”，为课题研究指明了主要方向。

实践能力的提高和探索精神的加强，作为创新人才培养中相互联系、相互促进的两个重要方面，是围绕研究性教学进行理论研究和教学实践的主要目的。充分利用机器人足球这一典型实践与创新平台，在传统课程和实践环节的教学中积极鼓励和引导学生自主的寻找、发现、分析和解决问题，成为开展研究性教学实践的主要途径。

同时，在政策、机制方面的保证，教师对教学工作的高度投入和教学理念的逐步更新，是取得成果的主要基础。

2研究性教学

在历史上，研究性教学三次大规模的倡导，见证了现代大学本质含义的演变。第一次发生在18世纪末至19世纪初的欧洲，代表人物是卢梭，把人的精神从中世纪的蒙昧、迷信、盲从中解放出来，让理性的光辉照亮人的心灵。第二次发生于19世纪末至20世纪初的美国，主要倡导者有杜威、康茨等人，使大学适应了工业化时代和社会民主化的发展要求。第三次发生于20世纪50年代末至70年代的美欧诸国及亚洲的韩国、日本等，以美国的布鲁纳为代表，虽然适应了“冷战”时期的科技、军事与空间竞争的需要，但不可避免地因世界政治、经济与军事格局的改变而消退。

20世纪90年代至今，世界各国都把教学方式的转变视为教育课程改革的重要内容。欧洲的“主题探究”与“设计学习”活动、日本的“综合学习时间”，法国90年代初开始的“研究性学习课程”、美国的“以项目为中心学习”和“以问题为中心学习”、我国香港的“终身学习、全人发展”，都验证了“研究性教学”顺应了世界课程改革的发展趋势，符合时代发展的要求。

一方面，现代意义的研究性教学是当代教学改革、创新人才培养的必然要求。

首先，从教学理念的角度，其教学的目的是培育个性健康发展的人，而不仅是理性的人，也不仅仅强调智力的卓越性；其教学的内容要面向学生的整个生活与科学世界，而不仅面向学生的学科和知识结构；其教学的出发点是认为每个学生的学习都是其独特个性的体现，课程的内容结构也应遵循每个学习者学习方式的独特性，而不是追求普遍的通用于所有学生的模式。

再者，从知识观的角度，它强调了缄默知识在学生实践与创新中的重要作用，并密切了显性知识与缄默知识的内在联系；它突出了私人知识在学生知识体系中的地位，促进了社会知识与私人知识之间的相互转化；它注重人类知识内容的整体性、发现过程的重要性和为“创”而知的目的性，并加速了由“小知”向“大知”(强调整体、重视过程、旨在创新)的过渡过程。

最后，从主体观的角度，它有利于学生从“边际人”(传统教学理论是基于青少年学生不成熟的假设和规定而建立的)到“年轻的成人”(自我调控、自己赋予自己活动的意义、自我超越以及成为自己的主人)、从“不成熟的认识主体”到“知识的批判者与生产者”、从“受教育者”到“学习者”的转变。

另一方面，研究性教学回应了现代高等教育的本质规定性和时代性的要求。

研究性教学强调通过问题来进行学习，把问题看做是学习的动力、起点和贯穿学习过程的主线；也强调通过学习来生成问题，把学习过程看成是问题的寻找、发现、分析和解决的过程。因此，符合大学教学本质上的探索性。

研究性教学超越了接受性的学习，而强调亲自实践、亲自体验发现科学真理的认识过程。只有通过实践内化了的知识，才是真正为学生所掌握，才能发展起知识学习、接受、批判、迁移的能力，促进创新精神和能力的发展。

研究性教学从学习内容、学习方式、活动空间上都具有开放性，这是学生从被动向主动、从消极向积极、从他律向自律转变的前提，而这一转变正是现代大学教学的要求。

这样，通过研究性教学，学生就可以获得丰富的知识经验和情感体验，形成永不满足、追求卓越的科学态度和克服困难、超越自我的意志力；通过个性、特长的张扬，获得一种成功的体验，进而升华出对自身精神价值的肯定和不断发展与完善自我的追求；通过与他人、社会、自然的交流而产生对个人生命价值的肯定和定位，明确自己的使命与责任，从而自觉地使德、智、体、美、劳等得到全面提高和发展。

3课堂教学中的研究性教学

“人工智能”课程在计算机专业人才培养方案中占据着重要的位置。从专业理论上，它承续了离散数学中的逻辑知识；从专业方法上，是数据结构、算法分析与设计的继续：从专业工具上，是面向对象程序设计的生动实例。因而以此课程为依托，通过以下四种途径在传统课程中实施研究性教学。

(1)提出开放性论题，供学生思考与讨论。例如“人工智能会给未来社会带来什么?”、“人工智能会给我们作为一个物种的人类自身带来什么?”、“机器人会战胜人类吗?”等本身具有开放性的问题，并注意将一些封闭性的问题转变为开放性的问题。例如将“简述人工智能的应用领域”这一常见问题转变为“请你举出一个人工智能现在没有应用并且将来也无法应用的领域”。

(2)提炼开放性课题，供学生研究与实践。在搜索与推理技术的教学中，提炼传统的数字魔方、华容道和现代的风靡世界的数独游戏等课题；在进化计算的教学中，给出经典的旅行商为题和指派问题；在自然计算的教学中，推出自动聚类问题等。这些课题，既是经典问题，又具有研究上的前沿性。

(3)引入开放性平台，供学生自由介入与发挥。我校开展了仿真、半自主、全自主和类人等机器人足球的研究活动，并且本科生一直是其中的主干力量。学生们对这项活动的喜爱，既源于他们对科学技术的向往与期望，又是自身在科学技术上进步的需求。在这样一个适宜进行研究性学习的开放性的平台基础上，衍生了众多典型的课题，而这些课题大部分是学生在其中研讨、实践了相当长一段时间后自己拟订的。

(4)引导开放性教学，时间向课后延伸、内容向纵深

推进。学生的课程学习还促进了学生对众多科学技术问题的广泛兴趣、对科学研究工作的内在热情，进而围绕着人工智能课程，学生自主地进行了众多的时间、空间、内容、深度上的拓展。

以上四种途径同样为其他课程(如面向对象程序设计、数据结构、数字图像处理等)所借鉴、应用。

4实践环节中的研究性教学

(1)以机器人足球比赛为基本平台

机器人足球是现代信息技术的高度集成，又借助于体育的竞争形式，成为学生喜闻乐见的实践平台。提炼其中的各种典型课题，如图像处理、模式识别、搜索与推理、知识表达与处理、机器学习、智能运动控制，等等，进行研究性教学，使学生们能够分工合作、又能相互竞争。

(2)以实践教学环节为基本对象

结合各种环节的不同特点，在机器人足球平台上规范了一些基本和前沿课题，通过不同工作量和工作难度的建议，供学生在生产实习、毕业实习、课程设计、毕业设计等实践教学环节选择，从而是研究性教学延伸到实践环节之中。

(3)以课外科技活动为重要途径

对于学有余力的学生，通过课外科技活动的方式，在机器人足球平台上进行大量的研究实践，获得了丰硕的科研成果、比赛成果和人才培养方面的收获。

因此，在实践教学之中的研究性教学，充分的印证了“教学相长”的基本规律，围绕着机器人足球平台，不仅进行了卓有成效的研究性教学工作，也使教师科研水平逐步提高。

5实施的效果分析

从2003年以来，武汉工程大学计算机学院参加有关课程学习的学生有728名；参加有关实践环节的学生有274名，其中参加毕业设计环节的学生有52名；指导课外科技活动91人，全校参加机器人足球比赛的人数达到270余人次。效果体现在学生具有更高的学术追求和学术水平，例如计算机专业考研率逐年提高，近四年分别为5.1％、9.3％、12.2％30 17.7％，特别是考研学生的复试录取比例为100％。学生的实践能力得到社会的认可，就业率保持在93％左右。04级本科生杨鸿武，毕业后直接进入美国Worcester Polytechnic Instirnte(WPI)攻读计算机学科的博士学位。

对以上结果进行分析，研究性教学的效果如下。

5.1从教学的视角来看

(1)促进了教师对现代教学理念的接受、掌握与运用。构建了从传统课程教学与实践教学向研究性教学转变的机制，形成了行之有效的具有吸引力的实践途径，衍生的标志性成果也增强了教师对现代教学理念和学生主动学习等方面的信心。

(2)改变了教学与课程分离的状况。课程与教学的分离，使教学呈现出教师一知识一学生相分离、相对立的局面，成为教学过程中的现实困境。研究性教学的实践，促进了教学与课程的融合，以问题为中心、以课题为线索，打破了传统课程只传授确定性知识的局面；建立了民主的师生关系，使学生成为真正的教学主体。当教学与课程逐渐融合以后，课程就不再会先定于学生而存在，而成为师生共同建构的一种过程。

(3)超越了传统的教学时空界线。时空的开放性是现代教学的一个重要特点。研究性教学主要是在教师指导下，学生在学习生活与社会生活中进行选择的结果，突破了传统的教学时空界线。学生将不仅在一节课的有限时间内，还可以自由地安排自己的学习时间，也将不再局限在教室之内，还可以在实验室、图书馆等更广阔的空间中，从而营造了一种动态、开放、多元的教学环境。

5.2从学生的视角来看

(1)有利于发展学生的主体性。研究性教学，带动了教育观念的转变，实现了以教师为主体向以学生为主体的转变，促进了教学形式从单一型向多样型的转变，教学内容从传统桎梏中的解放，从而在更深层次上保证了学生的主体性。

(2)有利于智力资源从类主体向个体的转化。研究性教学，由学生自己探索、寻找解决问题的理论与工具支持，使学生在更广阔的智力资源中、在实践活动中进行探索，有利于人类智力资源较好地转化成个体的智力资源。

(3)有利于培养学生可持续发展的能力。通过研究性教学，学生学会了选题、制定计划、搜集资料、利用信息、自我调整、自我评价；学生探究的欲望能够得到满足，由此逐步形成对科学、对社会、对自己的积极情感。

(4)有利于学生养成严谨务实的良好作风。

6结束语

研究性学习是现代教育理念的集中体现，反映和回应了时代对教育的需求，必将成为课程与教学运行的重要理念与策略。

希望本文的研究能够对高校的创新人才培养具有一定的参考意义，渴望研究性教学能够从成果形态转变成高等教育中的一般性教学形态。