建构主义视域下人工智能专业工程实践模式构建

聂秀山，袁 艺，刘新锋，袭肖明

（1. 山东建筑大学 计算机科学与技术学院，山东 济南 250101；2. 山东财经大学 计算机科学与技术学院，山东 济南 250014）

人工智能属于新兴的交叉学科，涉及到机器学习、自然语言处理、语音处理与识别、视觉智能处理等领域的前沿知识，学生需要具备较强的分析、归纳、演绎、抽象、综合、假设等能力. 为培养厚基础、强能力的人工智能专业人才，实践教学环节至关重要.[1]为进一步提升人工智能专业开展工程实践教育的系统性、科学性、实效性，缩小人才培养质量与用人单位实际需求之间的差距，本文将在新工科理念的指导下，基于“学以致用、知行合一”的实践教育共性目标，面向人工智能产业发展的最新要求，从建构主义视角对人工智能专业的实践环节进行全面审视，构建新型的工程实践模式，用充分有效的实践教育培养学生的专业能力和职业素养.

1 人工智能专业工程实践新模式

1.1 理论基础：建构主义

建构主义起步于实践，落脚于“积极实践”，是人工智能专业建立新型工程实践模式的理论依据. 建构主义认为知识是基于情境建构的[2]. 以Jean Piaget 的认知发展理论和Lev Vygotsky 的社会建构理论[3]为基础衍生出了经验学习理论，强调完整的学习应坚持“从实践中来，到实践中去”，运用思考后形成的判断去尝试解决实践情境中的具体问题，在实践中检验自己的认知/ 思考/ 判断是否符合当下具体情境，是否能够解决当下面临的特定问题. 在Dewey 经验教育哲学的辅助下，经验学习理论提出了包括四步走的闭环式经验学习模型（具体经历→反思性观察→抽象概念化→积极实践）.[4]该模型的核心是步骤二和三，为对其进行补充与解释，出现了情境学习理论、合作学习理论和Gestalt 学习理论等.

反思性观察对应于情境学习理论与合作学习理论. 从广义来说，反思是对学生个人的价值观、道德、行为、知识体系等进行系统省察的过程. 从狭义来说，可聚焦于知识体系的反思. 将知识运用于实践对学生的独立判断、灵活应对、融会贯通、批判创新等能力都有着较高的要求，这些能力的培养需要通过有效的反思来实现.学生通过反思能有效总结经验教训，促进自我知识体系的建构，从而提高分析问题和解决问题的能力. 在建构主义中，反思是整合理论与实践的重要方式，倡导从多角度来帮助学生反思，并贯穿实践的始终. 情境学习立足于学习过程的交互性特征，鼓励学习者进入相应的情境从事实践活动、进行反思性观察并建构出新知识[5]，从而可体悟和领会到课堂知识的功能/ 边界，更好地理解或解决特定情境下的问题，实现知识的灵活运用. 合作学习是“反思性观察”的具体化，强调合作对于反思的重要性，合作学习中的语言交流、思维碰撞、分工协作不仅是促进反思发生的有效策略、可提升反思的效率和质量，还可拓展互动建构的广度和深度.

抽象概念化对应于Gestalt 学习理论.Gestalt 学习理论从认知层面进行经验与知识的结合，促使学生在实践中关注“思考”，确保实践的价值和意义.[6]该理论认为个人知识的形成会经历三个层次：（1）Gestalt 层次是一个由价值观、感受、显性及缄默知识等组成的混沌共同体，会在学生与实际情境的互动中得到触发.（2）图示层次，通过图示化的过程（识别、描述、分类、推理等）在学生大脑中形成概念化的关系.（3）理论化层次，学生的思维会随着实践经验的累积和不断反思上升到对于知识本质的理论建构过程并形成理论体系. 之后，既可通过认知降级为Gestalt 来指导实践，也可将新获知识应用到实践领域进行试错检验. 积极实践将内化后的知识应用于实践、在主客观建构中不断调整个体认知与世界互动方式的过程. 建构主义视域下的人工智能专业工程实践新模式概括为图1 所示, 依据人工智能专业工程实践新模式对应于经验学习模型的四个步骤. 包括四个模块：

图1 人工智能专业工程实践新模式

1.2 强化实景实训，促进“具体经历”

搭建高性能教学科研实践支撑环境人工智能专业的前沿项目涉及大数据/ 深度学习等技术，对软硬件环境的要求高，因此，有必要搭建高性能的教学实践平台，保障实践课程正常高效运转，支持工程实践实施过程. 实践支撑环境包括面向不同课程共性搭建的基础平台和面向各课程自身实践内容和要求搭建的个性化高性能平台.

高质量的案例教学实践性较强的课程应突出案例教学，包括针对专业知识点强化的专题案例和多课程知识点交叉融合的综合项目案例. 案例设计原则：基于校企深度融合进行案例共建，面向实际应用场景，保持实用性. 内容依据人工智能产业发展动态和应用需求的变化进行实时更新及改进，保持先进性，并提供详细的使用说明书，保持可行性.

提升实习条件为学生提供关系稳定的实习合作单位，提供优质多样的实习环境和高质量的实习机会.

建设校企联合培养实训基地校企双方制定合理的合作建设规划，完善相应制度，明确双方的“责任/ 权利/ 义务”，实现资源共享、产学研统筹、合作共赢.

1.3 强化合作互动，促进“反思性观察”

学习者与外界的合作互动过程可以促使个体既有经验的外化，实现对既有经验的改造并生成新经验，对实践意义建构起着关键作用，因此，合作互动学习是人工智能专业工程实践的主要方式.为更好地实现合作主体的知识建构，应强化“反思”，引导学生在合作共同体中从不同视角审视自身与同伴的认知/ 观察/ 经历，进行多元观点碰撞，在资源共享和互动中最大限度地生成新经验，实现个人实践收获的边际效益最大化. 合作互动策略就是营造“合作、互动、反思”的实践情境.

生生合作互动生生合作互动围绕实践经历在小组和班级两个层面进行. 小组范围内，学生围绕每次实践活动分享自己的收获及遇到的障碍，内部成员间互相提供评价与建议. 班级范围内，各小组共享合作互动的结果（问题/思考/收获），组外同学可自由参与，随时提问或发表观点（建议）.这种合作互动可给学生提供从他人视角看待自身实践经历的机会，从他人的分享和反思中学会批判性地看待多元化观点，在多元观点的碰撞中实现知识的批判吸收，从群体经历中找到共性与个性，促进高质量的反思.

师生合作互动充分发挥指导教师的作用，构建师生学习共同体. 一是工程实践中必须配备学术指导教师，提供技术指导，及时沟通并解决存在的问题，引导学生综合已学知识/ 自身经验去分析问题产生的原因，结合他人有效经验找出解决对策，避免因学生缺乏专业指导而导致实践活动盲目或低效的问题. 二是参与生生合作互动，提供有效引导，督促学生回顾与整合自身理论与经验、他人经验以及教师的指导，认真反思先验知识的有效性与局限性，帮助学生反思实践，实现意义建构. 三是可在教务管理人员中选拔若干实践指导教师负责工程实践中的行政事务（准备表格/ 进行记录等），通过与学术指导教师的互相支持，密切沟通，形成闭环实践反馈链.

1.4 强化思维训练，促进“抽象概念化”

在工程实践触发学生的Gestalt 之后，教师要引导学生对实践中经历的大脑刺激进行识别/ 推理等思维活动，担当起促进思维抽象化的“催化剂”，使Gestalt 达到升华直至形成自身理论.

• 重要的专业课程分两阶段授课，中间设置间隔期，让学生有充足的时间和机会进行实践，在实践中反思并不断调整和完善自己Gestalt，强化实践与认知之间的相互建构，助力个性化理论体系的建立.

• 引导学生认真思考所遇到的理论知识与实践效果的一致性或冲突性，训练元认知技能，发掘缄默知识，进行反复建构，真正获得个人知识与能力的提升.

• 案例分析环节设置思考题，组织小组讨论（可邀请企业技术专家参与），实现高水平的思维训练.

• 鼓励学生参与教师的科研项目，体现前沿热点研究对教学的引领作用. 教师在课程基础知识讲授完成后，可讲解自己的研究领域和正在开展的科研项目，并提供若干个学术界和产业界关注的前沿热点项目，组织学生自发选题组队参与其中，从而得到更深层次的思维训练，甚至可以产出学术论文. 这一过程可切实提高学生的综合实践能力，激发创新意识，锻炼团队协作能力.

1.5 强化合理评价，促进“积极实践”

工程实践的评价应提倡多元性、过程性评价.[7]将工程实践的目标与要求分散到各个环节，设计出多元化的评价指标（个人电子档案情况、反思能力的表现情况、参与讨论情况、思维训练成果等），给不同考核指标赋予相应的权重，最终形成每个学生的评价结果. 强调对反思能力的评价，提升反思能力建设在实践评价中的地位.

实践过程是确保实践效果的前提条件，因此，应将考核目标分解落实到实践过程的各个环节，精心设计出合理的评价指标体系，以过程性目标作为考核重点，实现对各环节、各目标的控制和评估，以过程控制促进最终实践质量的提升，不断在认识层面促使学生重视实践过程，引导学生建立发展性思维.

2 结语

本文以建构主义为指导，以经验学习理论、情境学习理论、合作学习理论、Gestalt 学习理论的核心理念为基础，构建立了系统化的工程实践新模式.模式包括强化实景实训、合作互动、思维训练、合理评价四个版块，分别对应于四步走的闭环式经验学习模型（具体经历→反思性观察→抽象概念化→积极实践）.新模式理论基础扎实，逻辑清晰，结构完整，可操作性强，体现了“以学生为中心”的工程教育理念，帮助学生在具体经历中积累经验、在合作互动中促进反思、在思维训练中形成知识体系和自我理论、在积极实践中达到知行合一，可切实提高学生的工程实践水平，更好地达到工程能力培养目标，为学生日后从事复杂实际项目筑牢基础，同时也能提升综合素质和创新能力.