基于学生能力导向的人工智能课程教学改革_高广谓.pdf

第 22卷 第 2期2023年 2月Vol.22 No.2Feb.2023软 件 导 刊Software Guide基于学生能力导向的人工智能课程教学改革高广谓1，李佳雯2（1.南京邮电大学 先进技术研究院；2.南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院，江苏 南京 210023）摘要：当前人工智能相关课程通常以教师为主体，根据课程大纲统一授课，忽略了不同教育背景学生对课程知识掌握的差异性。针对该不足之处，提出基于学生能力导向的人工智能课程改革方案，强调以学生掌握知识能力为导向，围绕工程教育核心理念，融合分组课堂讨论、实验训练环节、教研融合等多种教学方法，采用线上线下相结合的混合式教学模式，实现因材施教的教学目标。学生可根据自身工程实践能力选择合适的学习通道，有助于教师针对性地培养学生的创新、实践能力。研究表明，基于学生能力导向的人工智能课程教学改革能最大程度调动学生积极性，达到预期教学改革效果，以期为其他课程改革提供参考与借鉴。关键词：人工智能；学生能力导向；课程改革；实践案例；混合式教学DOI：10.11907/rjdk.222308开 放 科 学（资 源 服 务）标 识 码（OSID）：中图分类号：G420 文献标识码：A文章编号：1672-7800（2023）002-0178-06Reform of Artificial Intelligence Course Based on Students Ability OrientationGAO Guang-wei1，LI Jia-wen2（1.Institute of Advanced Technology，Nanjing University of Posts and Telecommunications；2.College of Automation&College of Artificial Intelligence，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China）Abstract：Currently，AI related courses are usually taught by teachers in accordance with the syllabus，ignoring the differences in the knowledge of students from different educational backgrounds.In view of this deficiency，this paper puts forward the AI curriculum reform plan based on the students ability orientation，emphasizes that the students ability to master knowledge is the orientation，around the core concept of engineering education，integrates multiple teaching methods such as group classroom discussion，experimental training links，teaching and research integration，and adopts the online and offline hybrid teaching mode to achieve the teaching goal of teaching students according to their aptitude.Students can choose appropriate learning channels according to their engineering practice ability，which will help teachers to cultivate students innovation and practice ability.The research shows that the teaching reform of AI course based on students ability orientation can mobilize students enthusiasm to the greatest extent，achieve the expected teaching reform effect，and provide reference for other course reforms.Key Words：artificial intelligence；students ability orientation；course reform；practical cases；blending teaching0 引言随着深度学习、机器视觉等核心技术的发展和突破，人工智能迎来新一轮发展热潮，迈入“黄金时期”。人工智能是一门研究难以通过传统方法解决实际问题的学问之道。通常而言，人工智能的基本目标是使机器具有人类或其他智慧生物才拥有的能力，包括感知、问题求解、决策能力、行动及支持任务完成的体系架构。基于学生能力导向的人工智能课程所涉及的基础知识和原理被广泛应用于交通、服务、医疗健康、教育、就业、公共安全与防护等领域1。人工智能课程建设及人才培养需要物理学、数学、电子工程等方面的综合知识。因此，培养人工智能人才挑战巨大。工程教育是我国高等教育的重要组成部分，在国家工业化进程中，对工业体系的形成与发展发挥了不可替代的作用。人工智能人才培养需要面向世界科技前沿、国家重大需求、国民经济，对人才进行分类培养，因此要充分发收稿日期：2022-11-04基金项目：国家自然科学基金项目（61972212）作者简介：高广谓（1986-），男，博士，CCF高级会员，南京邮电大学先进技术研究院副研究员、硕士生导师，研究方向为计算机视觉、模式识别；李佳雯（1999-），女，南京邮电大学自动化学院、人工智能学院硕士研究生，研究方向为计算机视觉。第 2 期高广谓，李佳雯：基于学生能力导向的人工智能课程教学改革挥高校的教育优势，探索人才培养的新模式2。近年来，国内学术界对人工智能教育的研究急剧增长，各高校纷纷开设人工智能相关课程，引导学生深入掌握人工智能技术的基本概念及相关技术，对学生今后的工作需求、科研项目与企业项目开发，发挥着至关重要的作用。1 现存问题1.1学生主体性被忽视虽然长时间以来，发挥学生的主体作用是教育改革的主要方向，但参照目前的课堂教学情况，学生的主体地位仍然容易被忽视。在课堂实践中发现，由于并未充分重视学生的主体作用，部分教师在课堂上会出现控制学生及课堂的倾向，整个课堂成为了教师的主场，学生反倒成为旁观者2。此外，教师过多关注于如何安排自己的教学活动、设计执行教学行为，忽视了学生的主体作用，不利于培养学生思维能力、创新能力与实践能力，因此与目前追求的教学目标背道而驰。1.2课程缺少实践投入部分高等院校在培养人才方面受应试教育理念束缚，仅将学生学科成绩作为考核成绩是否合格的重要依据，将成绩量化为学分，并未将实践应用能力纳入学分体系，导致学生只注重分数，忽视了其他素质能力的提升3。并且，部分学生由于自身缺乏主动实践的意识，受传统思维模式影响，认为考上大学就有了好工作，从而忽视了社会竞争的残酷性，导致学生在学习过程中无法充分发挥自身主观能动性，所学知识得不到灵活运用，学生实践能力较弱。1.3教学考核形式单一目前，课程考核形式大多采用单一的笔试形式，大多课程仍然以闭卷为主。然而，过多的闭卷笔试考试会加重学生负担，让学生依赖于教师“划重点”，忽视了课程开设的真正目的，不利于提升学生理解、掌握知识的能力，与教学目的背道而驰。此外，教师考虑到自身课程目标达成情况，在期末命题时往往更倾向于考核学生对基础知识的掌握情况，不会侧重于考量学生的综合能力和创新意识。因此，可将该考核理解为对学生记忆力的考量，由此导致了学生对知识的灵活运用和实践能力较弱，不可避免地影响了学生素质的培养。2 相关研究目前，人工智能课程的教学改革方案主要分为培养学生创新能力为主体与学生实践能力为主体两类。2.1培养学生创新能力为主体主张以培养学生创新能力为主体，让学生直接参与科研相关活动，通过持续性的科研实践有效提升学生的观察能力与分析问题解决问题能力，充分激发学生的创新意识与创新能力。例如，刘爽等1要求学生自主查阅资料，理解相关方法的关系并掌握其应用场景，带领学生阅读相关学术论文，鼓励学生发散思维提出新颖的想法，并加以修改实现，形成科研报告。王晗等4提出选择合适的内容实施创新小组合作学习方式，以锻炼学生的沟通、表达、团队协作、创新等关键能力。2.2培养学生实践能力为主体强调以培养学生实践能力为主体，突出理论与实践并重，将人工智能算法理论和典型应用讲解相结合，以实际应用激发学生学习兴趣，帮助学生活学活用。例如，王旭等5介绍了清华大学iCenter在人工智能实践教学中的探索，设计了由人工智能产业引导、应用探索、应用实践相结合的三段式教学方法，以科学引导学生有效开展人工智能应用实践。翟婷婷等6围绕工程教育的核心理念，从课程内容体系、实验训练环节、考核评价方式、课件展示、教学方法等方面介绍课程教学改革实践，提出了切实可行的改革方案。虽然，已有改革方案对人工智能课程的教学效果具有促进作用，但忽略了不同教育背景学生对课程知识掌握的差异性，无法充分激发所有学生的内在驱动力。针对当前人工智能课程教学过程中存在的问题，本文提出基于学生能力导向的人工智能课程教学改革方案。学生能力导向是以学生为中心、培养学生创新能力及实践能力为导向的教学模式，意在强调学生可根据自身工程实践能力选择相符合的学习通道，提升其内在学习驱动力，达到提高教学质量的目标。为此，本文依据经典案例驱动教学体系，设计了线上线下相结合的混合式教学模式。3 学生能力导向的教学改革3.1教研融合模式随着科学技术与社会的飞速发展，社会对高校培养人才提出了更高的要求。一方面要求学生具有坚实的专业基础知识；另一方面要求学生具有较强的实践能力和创新精神。然而，人工智能作为在各科技领域中应用极广的一门技术，相关理论和方法发展非常迅速，远远超过教材更新速度。因此，必须以培养学生创新能力与实践能力为导向，通过最新的科研成果不断充实、改革教学内容与方法调动学生学习积极性，不断探索新知识使高等教育适应社会发展需要5。3.1.1提高学生研究创新能力为学生提供项目研究创新平台，包括各级课题项目申 1792023 年软 件 导 刊报、各种建模比赛、创新创业及挑战杯比赛等。通过参与这些有益的项目申报和竞赛，提升学生理论联系实际的能力。在教学过程中，向学生开放一些教师在平时科研中遇到的难题，引导学生发表科技论文、申请发明专利等，还可设置若干与毕业设计课题、工作技能相关的问题，以此激发学生思考的动力与兴趣，有助于学生进一步升学深造。3.1.2提高学生仿真实践能力让学生适当参与一些实践项目，促进学生对整个人工智能系统的认识，为其在科研方面的研究奠定基础。例如，在人工智能课程识别系统开发部分，让学生动手开发人脸识别+活体认证相关项目。该项目基于人脸特征信息、人脸运动信息进行身份识别或在静态人脸图像基础上配合动态人脸动作（例如张嘴、抬头等）进行身份识别。通过科研实践训练，可进一步促进师生交流，锻炼学生的个性品质，形成严谨的研究态度和工作态度，在培养学生积极性和主动性的同时，提升其综合素质。与此同时，使学生在学习理论知识时提升专业能力和综合素质，有助于将来就业创业，也为职业发展奠定良好的基础。3.2课程内容优化人工智能课程建设在新工科培养中具有重要意义，有助于国家未来发展人才的战略部署，已成为高等教育建设与发展的重要内容和目标，对该