OBE视角下人工智能专业《图论》在线教学改革*

徐泰华 窦慧莉 宋晶晶

（江苏科技大学计算机学院 江苏镇江 212003）

1956年约翰·麦卡锡等人在达特茅斯会议上提出了“人工智能”这一术语，历经几十年科学研究的积累，人工智能这一研究领域发展迅速，并已经深刻地融入人类社会和生产生活的方方面面。近两年，我国已将人工智能产业认定为国家战略[1]。服务于国家战略，加强人工智能教育是高等教育必然的发展趋势。因此，2019年3月21日，教育部发布了《教育部关于公布2018年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》，包括江苏科技大学在内的共35所高校获首批“人工智能”新专业建设资格。

威廉·斯巴迪（William Spady）于20世纪80年代提出的OBE（outcomes-based education）教育理念，强调了教育的焦点应该是全体学生的学习效果，课程的教学方案设计以及授课实施目标要以保证学生学习效果为前提，同时还建立了“评级—反馈—改进”这种可以不断提升教学效果的机制。和以往的教育理念相比，OBE理念有着三方面的转变：（1）学科导向转变为目标导向；（2）以教师为中心转变为以学生为中心；（3）质量监控转变为持续改进。

作为一门前沿综合性学科，人工智能的目标是设计出一种能做出与人类智能相似反应的智能机器，可以在识别、分类和认知等功能实现方面替代人类。换句话说，人工智能是一门研究如何使机器能够模拟人类智能行为的科学。例如，自动驾驶技术就是人工智能替代人类驾驶在生活中的应用。当然，人工智能的应用不仅局限于人类生活，也在科学研究中具有重要作用。发展人工智能能够帮助人类突破现有科技水平的瓶颈，将科学研究与人类生活带入更为广阔的天地。

图论课程是人工智能专业的专业基础课，兼具理论与实践两方面的特性。图论课程的教学实施是实现人工智能专业目标的关键一环。要想学习好人工智能专业，前期图论课程的教学必不可少。面临在线教学现状和保证线上学习效果的需求，本文将讨论基于OBE理念的人工智能专业图论课程的在线教学模式，以及将OBE理念引入图论课程大纲修订中。

一、人工智能专业教学现状分析

作为高校教育专业，人工智能专业的目标是培养出一批掌握该专业的理论，并可以在面临实际问题的时候利用所学理论分析问题并设计解决方案的人才[5]。换句话说，人工智能专业致力于培养出既掌握专业理论又能解决实际问题的应用型专业技术人才。为了实现上述目标，人工智能专业的本科教学需要从以下两方面加强：

（一）夯实理论基础

人工智能已经融入人类社会的很多领域，因此人工智能领域所面临的问题也是千变万化。人工智能在解决这些复杂、抽象问题的时候，需要利用各种数学工具对这些问题进行形式化描述。当前人工智能的核心是机器学习以及深度学习，在计算机学科中，这二者对数学基础的要求是比较高的。因此，对于人工智能本科专业的学生，需要加强他们的数学建模能力和逻辑思维能力。这两种能力是学好人工智能的基础。

（二）增加实践经验

人工智能专业实践的重要性不容置疑。实践是人工智能专业学生接触人工智能系统，并训练如何将所学基础理论应用于实际问题的重要教学手段。将理论知识应用于实践是人工智能学习的关键步骤。抽象的、复杂的人工智能理论知识使得学习过程比较枯燥[6]，实践环节可以一定程度地解决这一问题。将所学知识应用于实践中，在实践中巩固所学知识，理论与实践互为作用，是掌握人工智能专业技能的有效途径。总的来说，理论要与实践有效融合起来，通过实践提高经验，才能真正学好人工智能，并且用好人工智能。

二、基于OBE的图论课程大纲修订

针对人工智能专业目标，将OBE理念融入图论课程大纲修订具有重要意义。OBE理念聚焦全体学生的学习效果。为了提升图论课程的学习效果，在图论课程大纲的设计中，需要考虑以下几方面因素：首先，将世界发展趋势、国家战略目标以及社会需求等方面综合起来，分析外界对人才的需求；然后，确定合理的图论课程培养目标，再根据培养目标有针对性地制定毕业要求，同时要制定一些指标点来量化毕业要求；最后，以指标点为依据，设计相应的课程体系。此外，在制定图论课程大纲时，还需要考虑图论在整个人工智能专业课知识体系中承上启下的作用。对图论课程教学大纲的修订，也可以使参与教师更加深入地理解如何开展图论课程以取得更好的教学效果，将“以学生为中心的教学”这一OBE理念核心真正地应用于图论课程的教学全过程中。

对图论课程大纲的修订主要分为以下三个方面：一，梳理图论课程目标对人工智能专业学生毕业要求的支撑；二，明晰图论课程有哪些教学（实践）重难点，以及重难点的讲解方案设计思路；三，课程的考核对于实现OBE理念中的“持续改进”是至关重要的，因此还须关注课程考核方案的设计。

2.进行专业策划，体现高水准。组织大型电视活动，其专业化的素质与追求是必不可少的，这是频道专业品质和专业资质在大型活动中的体现和彰显。为强化频道在这一行业、领域的“话语权”，组织活动前一定要进行精心策划，要找到这一行业、领域的主管职能部门作为顾问单位或支持单位，邀请这一行业、领域的权威专家、学者、记者等一同参与活动，体现活动的专业水准和专业影响，比如央视的《汉字听写大会》。鄂州广电办栏目可以借鉴这一模式，借力打造品牌，提升栏目和影响力。

（一）课程目标对毕业要求的支撑

课程目标是课程开展前制定的教学方向和预期效果的行动指引。换句话说，课程目标是指通过课程的实施所要达到的标准和目的。课程目标被确定之后，根据OBE理念的反向推导思路，设计实现课程目标所需的教学活动。图论课程对学生能力培养的要求是能够将实际问题进行数学抽象与建模，熟练使用算法对问题进行分析并解决。根据上述要求，通过人工智能专业中的图论课程的教学和自主学习，学生应取得如下学习成果。

课程目标1：理论和知识方面。通过本课程的学习，使学生能较系统地掌握图论的基本理论和基本算法，学会用图论的语言来描述现实世界中的某些定性和定量的关系，并用图论的方法加以解决。

课程目标2：能力和技能方面。培养学生对现实世界中离散对象的结构和关系的表述能力、逻辑推理能力、用图论方法分析问题和解决问题的能力，以及算法有效性和可行性的意识。

这两个课程目标与该专业学生的毕业要求之间的关系如表1：

表1 课程目标与毕业要求关系

（二）基于OBE的课程重难点讲解方案设计

课程重难点是影响教学目标完成度的关键因素。在图论课程大纲的修订过程中，需要明晰课程重难点。作为一门兼具理论与实践两方面特性的人工智能专业基础课，图论课程的理论教学重点是让学生在了解图论知识背景的基础上，逐步掌握图论的基本概念和理论知识，掌握图论中各个主题内容基本思想、应用方法及适用范围，发展学生数学思维水平，提高学生逻辑推理能力。实践教学重点是训练学生如何通过提出问题，建立相应的数学模型，并设计算法来利用这些数学模型的综合能力，使学生能够运用图论的基本原理、方法分析和解决软件工程中的实际问题。

定理的证明是图论课程的教学重点之一，也是难点之一。根据OBE“从以教师为中心转变为以学生为中心”理念，培养学生的逻辑思维能力是教学效果的重要部分，而理解图论定理的证明过程可以有效培养学生的创新能力和逻辑思维能力。但是从在线教学的学生反馈结果来看，没有老师对学习内容的实时解读，学生自主理解图论定理的结果很不理想，只能了解定理证明的具体内容，达到似乎明白的程度。很明显，这种没有思考和探索的学习过程，在遇到同类的新问题时就难以解决。

针对在线教学中的这一理论教学难点，本文提出以下解决方案：

1.吸引学生注意力，激发学习兴趣

教师在讲解定理的时候，首先介绍该定理被提出的时代背景和定理作者的相关轶事，以及该定理是什么问题的抽象描述，最后说明该定理的提出有什么学术意义和应用价值，来成功激发学生的兴趣。比如，通过视频或图片展示定理背景，利用故事逻辑来搭建定理的讲述逻辑。这种引入背景—分析问题—解决问题的探索方式，可以成功提升学生对定理及证明的学习效果，还可以引导学生主动去探索所学知识，达到了OBE理念的从以教师为主体向以学生为主体的转变。

2.化繁为简，深入浅出

图论课程常常会涉及一些定理证明过程。图论定理的证明过程很多时候会使用一些技巧，学生在理解上具有一定的难度。因此，教师要提前梳理好讲解思路，尽量将抽象的、不好理解的证明过程用比喻或者易懂的方式讲解出来。然而，在线教学仍然受制于当前存在的许多短板，限制了教学效果的取得。比如，计算机设备无法像黑板一样方便展示推导过程，会增加定理证明过程的理解难度，教师可以使用数位板等计算机外设来模拟黑板板书讲解过程以解决这一问题。

图论算法是课程的实践重难点，体现在两方面：一方面是算法思路的理解具有难度，比如佛罗莱（Fleury）算法。佛罗莱算法的主要思路是“避割边行走”，而这个“割边”理解起来是有难度的，特别是在佛罗莱算法中，该割边并不是针对目标图的初始状态而言的；另一方面是算法实践具有难度，主要在于问题的设计。问题的设计需要考虑到测试算法的适用性，如果存在若干个类似的算法，还需要考虑所设计的问题能否区分出测试算法的差异。这两方面无疑为图论课程的在线教学带来了挑战。

针对在线教学中的这一实践教学难点，本文提出以下解决方案：

（1）OBE理念强调以学生为中心，教师在讲解算法思路的时候，可以先给出一个生动有趣的案例，来激发学生探索的兴趣。然后，教师引导学生们一起把算法应用在这个案例上，每一个中间步骤，每一个中间结果，都务必引导学生自主地理解。同时，要将算法的重难点、易错点等凸显出来。

（2）OBE理念强调教学的产出。教师在指导学生进行算法实践的时候，根据所测试算法的特点，提前设计出目标问题。此外，所设计的实践问题应该具有紧密联系国家战略、社会需求、重点产业和舆论热点等领域的特点，可以提高学生们求解问题的使命感，增加问题解决方案的应用价值。

（三）基于OBE的课程考核方式设计

课程考核可以清晰地展示教学效果，一直被广泛地应用于各类教学中。实现课程目标和使学生理解课程重难点的重要方式就是课程考核，设计具有针对性与综合性的考核具有重要作用。考核内容应该全面地兼顾学生的理论与实践两方面。学生可以利用考核结果对自己的学习不足进行补充，同时也可以对自己的学习方式进行改进。老师应在考核过程中对学生起到引导作用，这样能帮助学生不断进步，激发学习热情。

考核内容要覆盖课程学习的主要步骤。首先，是对复习步骤的考核。在课堂的开始，教师可以采用问问题的方式带领学生回顾重点。比如，用一道针对上一讲学习重点的题目来考核学生对该模块学习内容的掌握程度；其次，是对预习内容的考核。教师可以提出一个具有启发性的问题，根据学生的反馈来考查学生对本次课程内容的预习效果；再者，将作业应用于阶段性考核。比如，教师用大约四次的平时作业来检测学生的阶段学习成果；最后，期末考核检验总体学习效果。期末考核一般采用闭卷考试的方式，试卷的内容要涉及大部分的所学内容，特别是重难点知识的考查，分数的划分还要考虑到不同章节的知识点分布情况。

OBE理念要求教学效果要能持续改进。因此，上述各阶段的考核方法能够及时反馈学生各阶段的学习效果，同时能够使得教师在后续教学过程中持续改进。例如，预习考核的结果，可以当场将学生对知识点的了解情况反馈给教师。如果学生因为某些原因没有实现理想的预习效果，教师可以采用适当地增加讲解知识重点的时间、增加课堂练习的次数、对那些预习考核结果不理想的同学进行重点课堂互动等方式来提升教学效果。复习考核结果则可以指导教师在布置课后练习的时候，重点布置那些复习效果不理想的知识点。

OBE理念提出学科导向转变为目标导向这一观点。教师在教学过程中所扮演的角色就是引领学生完成自己的既定目标。在这一过程中，学生获得的不仅仅是书本上的知识，更是一种对自己能力的锻炼与提升。教学过程中的重难点，就是学生在目标导向完成过程中需要掌握的知识和锻炼的技能，目标导向能够让学生获得“真实学习经验”，这样使得学生锻炼的能力不只是记忆书本知识的能力，更是可以应用于未来生活中的能力。

结语

图论课程是人工智能专业的专业基础课，是后续部分专业课程的先修课程，在线上教学需求增加的时候，对图论课程进行教学改革具有重要意义。本文从OBE视角进行图论课程的课程大纲修订、重难点知识讲解方案设计和课程考核方式的探讨。根据OBE理念，教学改革应不断地、持续地进行，以期得到更好的教学效果。同时，教育过程从以教师为主体向以学生为主体的转变，也强调了如何帮助学生更好地掌握专业知识。强调目标导向的OBE理念，持续地促进教学改革和帮助学生成为学习的主体。将OBE理念引入人工智能专业的教学活动中，可以更好地结合学科发展趋势和国家发展战略，为社会输送逻辑思维能力好、解决科学问题能力强的复合型科技人才。