人工智能背景下计算机及信息类大学生创新能力培养与实践

张宇昂，郑向伟

（山东师范大学 信息科学与工程学院，山东 济南 250014）

0 引言

当前，以人工智能[1-2]为代表的新技术方兴未艾，新一轮科技革命和产业变革已初见端倪。如何顺应时代发展，紧紧围绕国家战略和区域发展需要，提高学生创新实践能力，提升国家硬实力和国际竞争力，对于大学教育，尤其是理工类学科的人才培养，带来新的机遇与挑战。

2018 年，教育部发布了《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》[3]，指出“深化创新创业教育改革，把深化高校创新创业教育改革作为推进高等教育综合改革的突破口，面向全体、分类施教、结合专业、强化实践，促进学生全面发展”，强调大学生创新创业实践能力的培养，并能与社会需求对接。同时“加强创新创业示范高校建设，强化创新创业导师培训，发挥‘互联网+’大赛引领推动作用，提升创新创业教育水平”。在2018 年教育部、工业和信息化部和中国工程院联合发布的《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0 的意见》[4]中，也明确指出：“要健全创新创业教育体系。推动创新创业教育与专业教育紧密结合，注重培养工科学生设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新精神、创业意识和创新创业能力。深入实施大学生创新创业训练计划，努力使50%以上工科专业学生在校期间参与一项训练项目或赛事活动”。

由此可见，在当今大学生培养方面，尤其是计算机及信息类相关专业教育，需要相应地做出调整和改变，“面向工业界、面向世界、面向未来”，紧密联系实际，不断更新学生知识体系，以“加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才”。

1 当前课堂教育存在的不足

1）重理论，轻实践。

计算机及信息类专业很多核心课程理论性非常强，从课程体系的角度，它们是重要的基础，是进一步学习其他课程的先导课程。比如计算机科学与技术的计算机组成原理、通信工程的通信原理等。学生通过这些课程，打好理论基础非常重要。然而，不可否认的是，在教学的设计中，往往存在“轻实践”的问题。一方面，实践所占的比例都很轻，安排实验课时较少；另一方面实践的内容也很“轻”，大多是验证性实验，并且只是观察一个或几个知识点，与实际应用联系并不紧密。学生在学习过程中，容易感到枯燥，提不起兴趣，不知道学的知识有什么用，更无法主动将所学知识用于解决现实问题。

2）课程体系老化，知识更新慢。

课程体系的建立是一个审慎的过程，对课程体系的更新，往往需要较长的周期。然而，现代技术和知识更新速度越来越快。以计算机为例，在摩尔定律[5]的驱动下，每约18 个月，集成电路的集成度提高一倍。从20 世纪40 年代计算机发明，到现在不到80 年的时间，计算机硬件架构、计算机网络协议、计算机软件应用等，均已发生了巨大的变化，深刻影响了人类社会。更不要说，近十几年掀起的深度学习[6]浪潮、5G 技术[7]等，已开始影响世界，新一次科技革命已显出端倪。但是反观课程体系，部分相关内容要么是缺失的，要么是停留在20 多年前，无论课程的建设还是教材的更新，都明显远远滞后于学科和产业的发展。因此，培养引领新一轮科技革命和产业变革的卓越人才也就无从谈起。

2 创新能力培养与实践案例分析

针对当前课堂教学存在的两个问题，从近几年的教学与大学生创新实践中，笔者剖析一只“麻雀”，通过分析近几年指导本科创新实践的经验，探讨计算机及信息类专业创新性教学的途径，并希望能够提出一条解决思路，以供参考。

2.1 创新实践项目背景

近几年，笔者指导的创新性实践项目，是以绿色智慧建筑这一应用为背景，为计算机、通信工程、物联网专业学生设置，目的是综合利用人工智能、计算机网络、物联网、电子电路等技术，实现对室内灯光、空调、风扇等电器的智能控制，降低能耗，构建绿色宜居的建筑环境。本项目是以应用为驱动，重点解决将新技术运用到实际问题中，为解决现实问题提供模型或方案，具备了前沿性、新颖性以及可操作性。由于本项目目标明确，应用特色鲜明，与最新技术以及学生专业背景联系紧密，因此很快吸引了多名学生的加入，并建立起团队。

2.2 创新实践项目的组织与实施

项目团队设立了组长1 名，副组长1 名，组员多名，总人数不超过10 人。定期汇报进展及存在的问题，做好分工，又群策群力，共同探讨解决，其形式类似于企业中的项目团队。图1 给出了本创新实践项目的实施模式。

图1 创新实践项目实施模式

项目实施过程中，学生能够独立解决问题，并不断迭代方案，最终确定了以YOLOv3[8]目标识别算法为核心，以Wi-Fi 为网络通信手段的系统框架，采用单片机建立了原型系统，并在该系统上进行了验证，基本解决了基于室内摄像头对灯光等设备的智能控制。图2 给出了该系统的框图。

图2 智能灯光控制系统框图

2.3 创新实践项目的效果及进一步的改进方向

该创新实践项目的效果可分为以下几个方面。

1）通过创新实践，提高了学生的综合素质。

在实践过程中，学生形成了独立思考问题的能力、检索能力、阅读文献能力、团队协作能力、编程能力等。通过完整地接触一个项目，并采用最新的科学技术解决实际问题，培养学生设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新精神、创业意识和创新创业能力。

2）以赛促创，形成正反馈激励模式。

近年来，从国家各级部门到高校，都很重视对学生创新创业能力的培养，因此设立了“互联网+”大赛、创青春、挑战杯等一系列创新创业赛事。基于本创新实践项目的基础和研究计划，教师积极申请创新创业项目，指导学生参加“互联网+”大赛等赛事，并获得了“建行杯”第四届山东省“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖等奖项。参加竞赛的过程中，学生不但学会如何创新，还受到创业的训练，了解到一个项目应该如何落地、预算怎么做、怎么才能盈利等。通过一系列的实物成果和比赛奖项，进一步激发了学生的创新兴趣和勇攀科研高峰的决心，形成了很好的正反馈激励模式。

通过近3 年的创新创业实践活动，也发现了进一步的努力方向。

1）教育学生“创新永无止境”的理念。

比如项目实施过程中，教师很快会发现别的高校也有类似项目出现，这就需要不断调整项目的创新点，甚至出现难以找到参考、需要独立解决较大难度问题的情况。对本科生来说，刚刚开始接受创新训练，往往会产生畏难心理，不愿意解决难问题。当然，这是受学生知识体系还不健全、平时学业负担较重的影响。但是要对学生进行积极引导，建立“创新永无止境”的理念，这也是国家解决“卡脖子”问题，实现产业升级所需要的。

2）从实践中提炼科学问题，为学生创造科研条件。

从产业界可以知道，越是有竞争力的公司，越是重视在科研上的投入，这样才能在技术上先人一步，比如美国的微软、英特尔，我国的华为等。因此，要能从工程实践中提炼科学问题，并给有能力的学生创造科研条件，让学生有机会接受科研训练，培养学生独立创新的能力，撰写学术论文的能力，将创新应用于实践的能力，为真正成为“引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才”提供条件。

3 创新教学解决对策及方案探讨

从以上的分析可知，当前课程设计中，知识体系更新较慢，对学生创新创业能力的培养有所欠缺，而实践类创新创业教育可以较好的弥补这些不足。如何处理创新教育和传统课程教育的关系，形成人才培养上的互补，并避免出现头重脚轻，轻视基础课程的问题。结合近几年教学和学生创新创业训练的经验，我们提出层次化的创新创业培养框架。

1）合理设计基础主干课程创新实践教学。

对于任何一个专业，一定有一批核心课程构成专业的基础。本科生教育，首先要打好基础，培养其专业素养，其次才是创新。否则一味追求创新，反而喧宾夺主，本末倒置。但是基础课程如果有实验的，应该加强实验建设，设计一部分综合型和挑战性实验项目。另外，并不是说，主干课程就不能有创新性教育，例如，即便高等数学、线性代数、概率论等基础理论性数学类课程，仍然可以开设不同层次的数学实验、数学建模类课程，将数学理论与外部世界联系起来。

2）基础课程可以增加部分创新性项目。

在某些基础课程中，应加入一定量的项目任务，并作为考核的重要标准之一。例如，数字电路课程可以与硬件描述语言结合起来，讲授电路原理的同时，可以给学生布置若干个电路设计实现作业，让学生知道数字电路是如何设计和实现的、集成电路如何设计等。讲授计算机组成原理课程时，可以考虑让学生基于计算机仿真平台，设计一个计算机系统，了解计算机流水线如何工作，甚至可以考虑让学生通过系统级仿真实验，学习和实践最新的计算机架构，例如多核、GPU等。创新性实验部分需要统筹规划，考虑学生的知识背景和基础。

3）开设综合性创新实践类课程。

在培养计划中，可以增添部分创新课程，可以采用讲座的形式，也可以采用项目的形式。在课程设计上，要与专业知识背景结合，并且可以与主干课程相结合。让学生根据几门课程的学习，完成一个完整的项目：一方面是知道所学知识如何应用在实际生活中，提高兴趣，加深对所学知识的融会贯通；另一方面，提高学生创新创业的能力，激发学生的创造力。

4）创新创业竞赛及科研训练。

对于能力较强的学生，可以采用创新创业导师制，为学生开辟创新实验室，建立固定的研究和学习场所，并直接与导师对接。采用类似研究生的培养方式，让学生与导师经常交流，为有能力、有兴趣的学生创造宽松创新创业实践及科研的环境，让师生能够把更多的精力，高效率地投入其中。各级部门也可以有一定财政和政策上的倾斜，学校需要对本科生的创新创业活动有一定资金和政策上的倾斜，使教师愿意花时间和精力，参与本科生的创新教育。

以上4 层是层层递进的，并与现有教学体系密切结合，有的是现有教学体系的一部分，如第一和第二层次，有的是对现有教学体系的创新创业方面的有益补充，如第三和第四层次。图3 给出了层次化创新创业培养框架。

4 结语

图3 层次化创新创业能力培养框架

“十年树木，百年树人”，对人才的培养，是一个长期且意义重大的事情，关系国家和民族的未来。当前，国际形势正发生深刻的变化，国与国之间的竞争，其实质是人才的竞争。只有有了一大批掌握核心技术，富有创造力的人才，才有可能在日新月异的科技和产业发展中占得先机。本科生作为高等教育的主力军，将来是各行各业的中坚力量，因此培养本科生的创新意识和能力，有着重要意义。本文针对计算机和信息类专业本科生，以一个计算机网络与人工智能创新创业实践项目为切入点，探讨了创新创业教育与现有课程体系的关系，并提出了一种层次化的创新创业培养框架，为创新创业教学设计提供参考。