新工科背景下基于CDIO+课程思政的人工智能课程教学改革研究*

罗声平 郭宇 何科荣

1 南昌师范学院物理与电子信息学院 南昌 330032 2 南昌交通学院基础学科部 南昌 330032

0 引言

随着我国创新驱动发展、“中国制造2025”等重大战略的实施，我国高等工程教育界达成“新工科”建设共识，迫切需要培养一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，在未来全球创新生态系统中占据战略制高点[1]。人工智能是典型的“新工科”和交叉学科，是实现科研创新的基础，是普适性技术，具有广阔的应用前景。国家从战略层面对人工智能提出了规划和要求，例如发布了《新一代人工智能发展规划》(国发〔2017〕35号)和《高等学校人工智能创新行动计划》(教技〔2018〕3号)等文件，为我国新一代人工智能发展提供了政策支撑。但目前高校人工智能课程教学依然存在与现实应用脱节、难以适应人工智能技术快速发展的需求、创新精神等思政元素与课程内容衔接生硬等问题。因此，新工科背景下，人工智能课程的教学改革势在必行。

1 人工智能课程教学现状分析

人工智能课程主要包括专家系统开发、自然语言处理、智能机器人应用三大领域的内容，既有系统电路设计，又有算法编程调试，综合性较强，是典型的“新工科”，但是目前高校人工智能课程教学普遍存在如下问题。

第一，课程教学模式有待完善。现有的人工智能课程教学模式仍以传统授课方式为主，“三全育人”践行不足。

第二，课程实践内容有待规划。人工智能技术的新算法、新手段不断发展，实际需求日新月异，课程实践内容却依旧停留在验证性、基础设计性实验层面，实践项目选题的设计有待进一步规划。

第三，课程实践方式有待拓展。现有的人工智能课程未形成“课内+课外、线上+线下”的完整教学生态链，课程的广度和深度有待进一步拓展。

第四，课程考核方式有待完善。

因此，新工科背景下，面对人工智能技术综合卓越型人才的迫切需求，各高校亟须积极探索人工智能课程教学的“三全育人”新途径，形成一套高效可推广的课程教学体系，为我国智能产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑。

2 基于“CDIO+课程思政”的人工智能课程教学改革

基于工程能力培养与课程思政的人工智能教学研究与实践，目前国内研究成果较少，有较大的探索意义。

CDIO工程教育模式是由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等多所高校针对教育模式改革研究出的工程教育新方法。CDIO 是 Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和 Operate（运作）四个英文单词的缩写，着重培养学生的工程能力[2]，可针对性弥补目前人工智能课程中实践性、应用性低等不足，以主动、实践的方式提高学生人工智能技术工程能力相关素养。

课程思政以构建全员、全过程、全方位的育人新格局为指导，在专业课程教学过程中融入思政教育，深度挖掘和提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，实现立德树人的教育目标[3-4]。由于理工类课程专业性较强，较难实现思政元素与教学内容的无缝融合，思政元素的针对性挖掘及创新性深度融入模式的探索势在必行。

将CDIO工程教育理念与课程思政相结合的教学模式（“CDIO+课程思政”教学模式）应用于人工智能课程教学中，可以提高学生人工智能技术的实际应用能力以及发现问题、分析问题、解决问题的工程能力，同时达到提升价值引领和意识形态教育效果的目的。

2.1 基于目标导向的教学方法改革

本教学模式以CDIO工程教育理念为基础，基于目标导向，认真研究课程中学生需掌握的内容，针对人工智能技术中的专家系统开发、自然语言处理、智能机器人应用三大领域，分别合理设置提高型、创新型及综合型三类设计项目选题，共设计了9个高质量的思政专题。

同时，利用翻转课堂进行项目任务梳理与分节点实践，结合超星学习通等信息化平台实现课内课外全过程覆盖，拓展专业课程的广度和深度，将知识传授与价值引领有机结合，整体改革思路如图1所示。

图1 基于目标导向的教学方法改革

2.2 基于思政导向的实践内容改革

人工智能技术的实践性和应用性很强，如何实现思政元素与专业内容的无缝衔接是一个难题。本教学模式对教学中的实践内容进行改革，通过思政导向，切实提高人工智能课程教学体系的“三全育人”功能。本次实践内容改革设置9个思政专题设计，并择优参加创新创业大赛、中国机器人大赛等，以赛促学。具体专题设计如下。

专家系统开发领域：专题一为中国伟大人物图片识别系统开发（提高型项目），能正确识别并列出相关事迹，增强学生的爱国情怀；专题二为“五常”“八德”知识系统开发（创新型项目），“五常”为仁、义、礼、智、信，“八德”为孝、悌、忠、信、礼、义、廉、耻，传播中华优秀传统文化，坚定学生的文化自信；专题三为党史学习教育系统开发（综合型项目），培养学生坚决拥护中国共产党，坚持道路自信。

自然语言处理领域：专题一为机器翻译技术——井冈山精神（提高型项目），引导学生发扬艰苦奋斗精神；专题二为语音合成技术——给父母的话（创新型项目），引导学生常怀感恩之心；专题三为语音识别技术——我的中国梦（综合型项目），引导学生坚定理想信念。

智能机器人应用领域：结合机器人虚拟仿真软件Gazebo，专题一为中国古代机器人仿真设计（提高型项目），学习古人的精益求精，传承工匠精神；专题二为智慧农业机器人仿真设计（创新型项目），从农业发展状况切入，教育学生发扬袁隆平的开拓进取精神；专题三为智慧防疫机器人仿真设计（综合型项目），教育学生弘扬团结互助、自强不息的防疫精神。

基于思政导向的实践内容改革整体思路如图2所示。

图2 基于思政导向的实践内容改革

2.3 基于时空导向的实践方式改革

CDIO工程教育模式强调将综合能力培养贯穿于课内课外全过程，因此，本教学模式基于时空导向进行改革，利用信息化平台与开放性实验室（具备深度学习服务器、智能语音识别模块、智能机器人等硬件、软件条件），以翻转课堂的教学模式，形成“课内+课外、线上+线下”的新型实践方式，拓展教学的广度和深度，如图3所示。

图3 基于时空导向的实践方式改革

2.4 基于过程导向的考核方式改革

为培养卓越型人工智能技术人才，结合CDIO工程教育标准，课程在考核方式上基于过程导向进行改革，重点考核学生专业知识的运用能力、创新能力、沟通能力和团队协作能力，增加过程考核比重，包括系统项目设计方案、硬件设计、软件设计及调试、项目展示、专家系统思政能力测试等方面，全面实行形成性评价和综合性评价，完善综合素养考核制度，如图4所示。

图4 基于过程导向的考核方式改革

3 “CDIO+课程思政”的人工智能课程教学模式实践成果

3.1 创新创业大赛参与度有效提升

随着人工智能课程专业教育与课程思政的同步推进，学生课程团队的创新意识、工匠精神、团队协作能力得到有效提升，在“互联网+制造业”“互联网+现代农业”“互联网+信息技术服务”三大领域产生了一些优质的创新创业项目。2022年，共有5个学生课程团队参与了第十三届“挑战杯”江西省大学生创业计划竞赛、第八届江西省“互联网+”大学生创新创业大赛，覆盖人数达到35人次，较2021年有较大提升，其中，“安全智驾——基于面部特征的全天候疲劳驾驶检测及预警系统的研究及应用”项目荣获第十三届“挑战杯”江西省大学生创业计划竞赛铜奖。

3.2 学科竞赛获奖率明显提高

本教学模式基于时空导向进行改革，以翻转课堂的教学模式，形成“课内+课外、线上+线下”的新型实践方式，在较大程度上促进了课程相关的学科竞赛获奖率。

2022年，学院学生在蓝桥杯软件和信息技术专业人才大赛中获江西省一等奖2项、二等奖5项、三等奖12项，获奖名次和获奖面都较2021年有较大提高。

4 结束语

基于课程思政的教学模式已被用于部分课程的教学改革，但本教学模式创新性地将CDIO工程教育理念与课程思政进行了深度融合，在人工智能课程中建立“CDIO+课程思政”新教学模式，以工程教育理念为基础，在专家系统开发、自然语言处理、智能机器人应用三大应用领域设计9个思政专题，将思政内容作为作品设计要点，以信息化平台、开放实验室为依托，形成“专业设计+思政元素”的实践方式，同时细化综合性评价指标、完善综合素养考核制度，实现了知识传授与价值引领的同步发展。