基于学科前沿与实践应用的人工智能课程教学改革研究

胡秀华，王长元，王亚文，陈 芳

（西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安 710021）

0 引言

作为面向高等学校计算机科学与技术学科软件工程等相关专业的本科生开设的专业基础课，人工智能课程内容涉及诸多概念、原理、方法与技术，目的在于让学生通过学习来进一步了解并掌握人工智能领域的相关基础理论及典型应用方向[1-2]。然而，人工智能作为一门前沿性交叉学科，课程内容概念抽象、知识面广，传统的一成不变的课程教学内容与教学方式不能适应新时期学生对知识的渴望与需求，妨碍教学目标的实现，更不利于专业能力培养的达成。

为了取得更好的教学效果，课程负责人与授课教学团队一直在探索有益的教学内容、教学方法和教学手段[3-5]。文献[6]中先提出了树立精品意识的重要性，然后从教学内容、教材编写、教学方法以及教学队伍等方面分析了已有问题并探讨了改革方向。文献[7]从学习和落实科学发展观的思路出发，阐述了现阶段课程教学改革的意义、内容和具体举措。文献[8]给出了以问题智能化求解观为核心的教学方法，通过理论联系实际提高学生学习兴趣，并逐步建立课程资源库，能够有效提高学生的课程掌握水平。文献[9]分析了已取得良好教学效果的改革举措，指出教学内容的优化、实验环节的改进、教学方法的创新能提高学生学习效果。文献[10]分析了课程的教学特点，并提出教师要了解学生需求进而优化教学内容、教学手段与方法，调动学生积极性。文献[11]基于典型自动推理系统设置教学问题，在实例中激发了学生探索与应用符号主义人工智能学派成果的兴趣。文献[12]对课程的教学与实践进行了探索，给出了教材的选择，实验教学的内容、方法和手段，以及学生学好该课程的建议。文献[13]通过问题驱动式教学法引导学生通过课前问题设置开展学习，鼓励学生深入思考并动手解决问题。文献[14]结合教学中存在的问题给出了4个方面的改革内容，并探讨了怎样构建多元化的人才培养模式。文献[15]提出从案例设计、问题引导和实践安排等几个方面进行探索，强调了实践教学改革的重要性。文献[16]给出了结合师资教学情况及学生综合能力情况修订教学大纲的举措，并强调理论与实践相互转化的重要性。

相关研究丰富了人工智能课程的讲授技巧，一定程度上提高了课程教学效果,但是在智能信息化社会，如何提高课程教学质量，建设满足知识、能力和素质协调发展的人才培养模式要求的人工智能课程教学体系，还需要深入挖掘存在的弊端，在教学内容、教学方法、教学手段等方面继续探索，不断创新与完善。

1 问题的提出

人工智能课程先修课多，知识抽象，理论方法更新快且应用领域宽，是公认的理论强而实践难的一门专业课，在教学过程中普遍存在着教学内容老化、实践教学环节薄弱、教学模式欠妥等典型问题，具体现状分析如下。

1）教学内容陈旧。

在前期的课程教学中，教学内容均依据教学大纲采用传统的“精讲+略讲”形式授课，由教师单方面讲解，学生被动听课，这种教学模式使得学生只能被动接受教师对课程内容的安排与讲授，削弱了学生学习的主体性与主动性。即使在知识点讲授过程中教师设置一些问题，学生也缺乏互动的积极性，完成课后作业的过程也是敷衍了事，不对知识点做深刻剖析。

此外，人工智能学科所涉及的原理技术和应用领域发展迅速，新的模型框架及应用推广层出不穷，诸如深度学习等前沿技术词语也已经成为大家耳熟能详的名词。然而，对于本科生来说，他们对这些前沿的技术也大多止于名词的认识，而少有时间精力与自主性去深入了解算法的核心或新技术的应用进展，缺乏前沿性思考。考虑到教材版本中知识更新的速度及该课程动态应用性强的矛盾性，仅仅依靠单一的教材知识讲授不能有效涉及相关的新技术与新方法，容易使学生局限于传统技术，不能及时了解和掌握最新研究方向与成果应用，不利于学生创新性思维的培养。

2）实践能力培养缺失。

人工智能作为一门具有独特创新性与应用性的课程，内容涉及大量的经典理论与典型应用，存在诸多值得思考的典型问题。而在前期的教学大纲与教学内容设置方面，均忽视了应用实现这个环节，以至于学生在课程结束后，也仅仅是知道了几组概念与原理，忽视了学生动手实践能力和科研创新能力的培养，没有实现运用理论知识解决实际问题的学习目的。虽然固有的教师传授模式会通过教学用例或简单实例进行理论说明，但学生对理论的掌握还是容易受限于表层认识，不易激发学生的深层兴趣，更难于让学生通过课程学习将基础理论应用到更宽的应用实践中。如何通过这门课程对学生的创新思维与应用能力进行培养，值得在后续教学过程中深刻思考。

3）教学模式与评价方式单一。

在前期教学中，受限于单一的课堂讲授式教学模式，对学生的课程考核也仅仅是在课程学时结束后进行闭卷答题，试卷内容主要涉及一些基本概念和基本原理，侧重于理论记忆与公式套用，对于灵活运用理论知识解决实际问题的应用型题目则少之又少，同时，实践性问题也无法通过卷面文字分析来有效呈现。单一的卷面考核方式影响对学生独立思考问题并解决问题的能力综合评定，不利于培养和挖掘人才，需要探索多样化的教学模式与评价体制。

针对上述教学问题，课程小组在前期教学过程中虽然也在课堂原理讲授过程中引入了简单应用实例，利用课间时间或课下给学生分享了一些领域前沿或产业需求现状，为学生分析当下各产业领域对人才的技术需求，但也仅限于点到为止，停滞于表面，不能从根本上帮助学生在迷茫中找准方向，让学生真正理解知识内涵并意识到相关技术方法的重要性。因此，有必要进行深入有效的课程教学模式改革的研究。

2 基于学科前沿与实践应用的教学改革思路

课程教学改革应以学生为中心，以产出为导向，通过探索新的教学模式，实践新的教学方法，加深学生对人工智能领域相关研究方向的认识，逐步启发学生的创新思维，激发学生的学习兴趣，将理论知识转化为应用实践，锻炼学生的实践应用能力，为培养具备创新创业能力的新工科卓越人才奠定基础。教学改革的整体框架如图1所示。

依据课程目的与特点，结合人工智能领域中最新研究热点问题，专注于学生思维能力与应用能力的培养，为学生能够运用所学理论知识解决实际问题打下良好基础。具体建设内容采取如下思路。

图1 教学改革整体框架

（1）修订教学大纲，确定课程教学内容，突出教学重点与应用难点，启发学生从整体上认识基础原理与实践应用的统一，引导学生真正理解并掌握基础知识，帮助学生深刻剖析应用难点，以在理论学习阶段将课程知识点全面掌握各个突破。以现有教学大纲中学时分配为主线，将教材理论教学学时压缩，在授课阶段有步骤地引入相关领域最新技术方法，并结合学术前沿讲解技术核心思想，同时与学生建立多渠道的交流机制，及时了解学生学习动态及学习瓶颈，适时地对教学过程进行调整。

（2）积极引入人工智能学科相关研究领域的前沿知识，结合课程教学内容适时地给学生分享最新技术方法，激发学生学习兴趣；同时，精选教材中的经典理论算法进行分析，引导学生深刻挖掘算法核心模型的构建思路，并鼓励学生在实现基本算法的基础上提出改进创新思路。在讲授教材中的原理公式时，除了通过简单计算示例进行分析以外，着重讲解实际应用案例，突出前沿性与实用性，并通过设置典型应用问题让学生分组实现不同技术方法。让学生做到理论和实践的统一，更好地应用原理技术解决实际问题，培养科研兴趣，提升应用能力。

（3）探索多样化的知识讲授方式，改变传统教学过程中教师单方面讲、学生被动接收的模式，通过问题设置、研讨汇报、答辩总结等途径激发学生的主动性与创造性，让学生以主体地位全面融入课堂学习中。通过理论实践的融会贯通，让学生能够更全面地了解并掌握相关技术，更好地认识社会对技术人才的需求，准确定位自我，并通过学生反馈改善教学思路，提高教学效果。

3 具体教学改革内容

采取相关教学改革模式措施，使学生在具备扎实理论功底的基础上，以研究领域的前沿问题为牵引，思考如何利用所学知识实现具体应用问题的求解，最终实现思维能力和应用能力的综合提升。相关建设思路的具体实施方法如下。

3.1 夯实基本理论知识

坚实的理论基础是开启创新思维的前提，是进一步应用实践的基础。依据修订的教学大纲研究确定课程教学内容，除了依据选定的国家级规划教材为大家讲授最基本的概念、原理与技术以外，还可以为学生推荐相关参考书籍进行配套学习，如由机械工业出版社出版的史忠植编著的《人工智能》、电子工业出版社出版的王万森编著的《人工智能原理及其应用》、清华大学出版社出版的殷建平等译著的《人工智能——一种现代的方法》（第3版）、清华大学出版社出版的周志华著的《机器学习》等书籍，相关参考书籍力求与教材内容相互补充，挖掘课程内容体系的深度，拓宽原理方法学习的广度。同时，进一步丰富课程配套的授课课件、研讨环节实例及应用模型演示等教学资源，便于学生更好地理解、掌握所学知识。具体教学内容体系如图1中部分模块所示。

时刻树立以学生为本的教学理念，授课过程中注重利用学生感兴趣的问题逐步引出新的知识结构，选取动物识别典型应用系统，将其中涉及的关键技术作为各章节中概念讲解及原理剖析的实例载体，通过贯穿课程体系内容最终完成应用系统实现的演示，增强学生对理论知识运用于实际开发的直观理解，为后续学生自主解决实际问题提供借鉴性思路。此外，课后与学生积极交流，了解他们在章节学习中遇到的困惑，找准学生思维短板，在后续课程教学过程中有针对性地巩固已学知识，让学生在闭环回路中掌握扎实的理论基础，通过对内容整体的系统了解，为后续的创新思维意识培养与能力强化奠定根基。

3.2 培养实践应用能力

为了更好地实现学与用的并举，在教学过程中，将基本理论知识讲解与当前学术界与工业界正在研究与使用的前沿问题与技术结合起来，使学生在掌握基本理论的基础上，了解并运用基础知识解决实际问题。引导学生充分利用网络资料，多关注一些与人工智能领域相关的前沿技术与应用产品，了解其功能实现的核心方法，比如与我们生活息息相关的智能手机的指纹解锁技术、线上支付的人脸识别技术、摄像设备的场景理解技术、家具的智能自主控制等，以及关乎平安城市的安全隐患智能排查、智慧医疗的远程共享专家资源等，其中的某些细微之处都可以为学生课外创新大赛选题及研究提供良好的指导性思路，也可以让学生在继续深造、择业乃至就业中准确定位自我，这也是教学模式改革的关键环节。具体实践应用体系如图1中部分模块所示。

在课程相关领域抽取10类经典研究问题，设置实训练习项目，内容涉及传统机器学习算法与热点深度学习技术，将其中所使用的核心算法框架或模型结构与课程内容结合起来，通过课前提供学习参考资料、课中研讨交流和课后汇报总结的方式，有意识地培养学生的创新思维能力，使学生明白如何将所学理论与生活实际中面临的应用问题联系起来，初步构建解决问题的研究思路，为后续动手实践奠定基础。

3.3 拓宽知识讲授方式

考虑到课程应用性强的特点，与之前传统的教师在课堂上单方面讲授方式不同，后续课程教学方面采取3 种授课方式：精讲、研讨和报告。人工智能课程一共设置48 学时，课时分配设置为精讲课36 学时，研讨课4 学时，报告课8学时。精讲课是采用传统方式对基本概念、理论与方法进行详细讲解，突出重点与难点，让学生深刻认识到掌握基础知识的必要性；研讨课将研究前沿及热点问题与所讲解的基本理论及方法结合起来，针对具体应用案例，由教师分析相关理论基础并介绍研讨内容，列出讨论要点组织，学生依据课程内容及课外参考文献的学习了解围绕讨论要点进行认真思考并交流研讨，应用研讨环节课时节点的设置与相应的理论讲解相对应。报告课为前期大作业内容的汇报答辩，依据前期的分组设置有序进行研究原理分析及程序实验结果演示，并上交文档报告，在此过程中，其他组别的同学可以学习了解到汇报人的新思路、新观点，也可以就疑惑难点提出问题寻求解答。该项环节有助于学生在互动中启发思维，在实践中提升应用能力；也能让教师发现应用难点，以便在后续课程讲授时有针对性地深刻剖析原理方法，还可有效发掘有独特思维的学生以进一步有效指导。具体课程讲授模式如图1中部分模块所示。

多种授课方式并举可以有效改变传统模式下教师讲、学生被动听的局面，增强学生的主体性以及积极主动性。同时，新的教学模式对应了新的考核方式，可以通过平时研讨成绩、大作业成绩和闭卷考试成绩综合成绩对学生表现进行评价，从而能更全面地反映学生对知识的理解掌握的程度和实践应用的水平。

4 教学成果分析

为了进行教学成果的分析和比较，选取西安工业大学2015级与2016级软件工程专业两个不同教学班的学生作为实验分析对象，其中2015级学生采用了原有教学模式，2016级学生采用了改革的教学模式。

依据教学过程中涉及的考核要点，对学生的教学内容掌握情况、课外知识了解情况、应用问题解决情况、课堂互动表现等多方面表现展开调研，通过对两个教学班的学生进行问卷调查分析，得出总结情况如图2和图3所示。

依据图2和图3的调查结果以及考核成绩的综合表现，两种教学模式的教学成果分析见表1。

图2 2015级学生（71人）问卷调查结果

图3 2016级学生（78人）问卷调查结果

表1 教学成果分析

通过对学生的调查结果和课程评价小组的反馈可知，原教学模式中所反映出来的问题促使课程小组亟待采取改革措施，新改革的教学模式能够更加符合学生对知识的需求。相关举措可以在一定程度上激发学生自主地挖掘兴趣点，积极完成教学过程中的各项任务，尤其是对学科前沿及相关应用有了更多的了解，在查阅资料并编程实现的过程中锻炼了设计开发及文档撰写能力，综合素养得到了提升，学生满意度相对较高，教学效果较好，但是学生在主动挖掘问题及知识交流方面仍待进一步提高，以后工作中会继续探讨更有效的改革方案。

5 结语

信息时代对人才的培养提出了越来越高的要求，笔者在分析人工智能课程教学过程中存在的诸多问题的基础上，给出了课程教学模式改革的具体思路。相关举措可以做到充分利用网络提供的丰富教学与科研资源，使学生能够在学科前沿领域及相关研究方向接触到更多技术与方法，并基于应用问题进行深入分析与思考，有效培养创新思维与应用实践能力。