研究生人工智能課程研究性教學(xué)探索

1、研究生人工智能課程研究性教學(xué)探索0 0 引 言人工智能是一門歷史悠久的學(xué)科， 其研究內(nèi)容非常廣泛且不 斷發(fā)展。它的基礎(chǔ)學(xué)科包括運(yùn)籌學(xué)、概率論、經(jīng)濟(jì)學(xué)、語言學(xué)、 信息學(xué)、模式識別、哲學(xué)、程序設(shè)計(jì)、電子工程等，是在研究人 類智能行為規(guī)律的基礎(chǔ)上， 利用人工的方法和技術(shù)， 研制智能機(jī) 器或智能系統(tǒng)來模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能，實(shí)現(xiàn)智能行為。它 研究如何用計(jì)算機(jī)模仿人腦所從事的記憶、識別、理解、證明、 推理、規(guī)劃以及問題求解等思維活動， 并以此解決需要人類專家 才能處理的復(fù)雜問題，例如自動問答、診斷、調(diào)度、規(guī)劃、翻譯 等問題 11 。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的興起和發(fā) 展，人工智能興起了一股新

2、的應(yīng)用和研究熱潮， 已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、 學(xué)術(shù)界的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前，人工智能很多研究領(lǐng)域，如自然 語言處理、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、信息檢索、智慧醫(yī) 療等都得到了極大的發(fā)展， 有許多研究成果已經(jīng)進(jìn)入并影響著 人們的生活。人工智能是一門綜合性、 實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的理論技術(shù)學(xué) 科，具有以下兩大特點(diǎn)：（1 1）課程內(nèi)容及內(nèi)涵極其豐富。這是由人工智能本身的特 點(diǎn)所決定的。 它的內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科及技術(shù)領(lǐng)域。 人工智能本科 課程中需要學(xué)生掌握人工智能的核心內(nèi)容， 包括基本概念、 基本 原理方法及其主要應(yīng)用。 而研究生人工智能課程需要學(xué)生了解 人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢、 人工智能研究遇到的主要問題，

3、以 及人工智能產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的最新成果。因此， 人工智能課程 與其他很多計(jì)算機(jī)課程存在不同， 人工智能課程的講授應(yīng)具有相 應(yīng)的特點(diǎn)。 尤其是研究生人工智能課程， 需要探索研究性教學(xué)的 應(yīng)用，積極引導(dǎo)學(xué)生參與到人工智能的相關(guān)應(yīng)用與研究當(dāng)中來， 培養(yǎng)學(xué)生對人工智能的能動性和主觀見解。（2 2）課程內(nèi)容外延極其廣泛。人工智能把整個(gè)科學(xué)體系作 為自己的理論和知識基礎(chǔ)。任何工作都離不開智能， 因此任何 領(lǐng)域都是人工智能的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。 當(dāng)前， 人工智能以前所未有 的速度和廣度延伸到社會經(jīng)濟(jì)與生活的各個(gè)領(lǐng)域， 人工智能的廣 泛應(yīng)用能夠把人類從低層次的腦力和體力勞動解放出來， 以幫 助人類留出更多的時(shí)間和精

4、力來完成那些需要更高層智慧和大 量經(jīng)驗(yàn)的工作。 因此， 人工智能是一門肩負(fù)著重大歷史使命的學(xué) 科， 它將使整個(gè)科學(xué)體系和人類的生活方式發(fā)生本質(zhì)性的變化。 當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)硬件與處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的 發(fā)展，人工智能的研究與應(yīng)用進(jìn)入到一個(gè)新的發(fā)展階段， 面臨著 新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。由此看來， 培養(yǎng)學(xué)生借助人工智能來完成各 類實(shí)際問題求解的敏銳洞察力和有效執(zhí)行力是十分必要和緊迫 的，對其以后從事科研和技術(shù)應(yīng)用工作都是非常有益的。研究生教育是本科后以研究為主要特征的高層次的專業(yè)教 育?！案邔哟蔚膶I(yè)教育”和“以研究為主要特征”是研究生教 育的本質(zhì) 11 。研究生教育在本質(zhì)上是培養(yǎng)研究者的教育

5、，是使 研究生學(xué)會研究的教育。 研究生教育的這種特殊性， 要求研究生 課程要以強(qiáng)化研究生的研究品質(zhì)和能力為主要目標(biāo)。 科學(xué)研究要 以專業(yè)知識為基礎(chǔ)， 但積累了一定的專業(yè)知識并不等于就能從事 科學(xué)研究。知識并不等于能力，研究能力不會自發(fā)產(chǎn)生，必須在 使用知識的實(shí)踐中，即科學(xué)研究的實(shí)踐中，自覺地加以培養(yǎng)和 煉才能獲得和提高。因此，對研究生研究品質(zhì)和能力的培養(yǎng)，或 者說對研究者的培養(yǎng)， 必須在研究的實(shí)踐過程中通過學(xué)習(xí)者的親 身體驗(yàn)、反思、領(lǐng)悟而進(jìn)行，通過學(xué)習(xí)者與研究對象的相互作用 而建構(gòu)。人工智能課程教學(xué)是研究生掌握人工智能基礎(chǔ)理論和專 門知識的主渠道， 但其目標(biāo)的指向性不應(yīng)僅限于使研究生學(xué)習(xí)和 掌

6、握系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和專門知識， 也應(yīng)凸顯人工智能的研究性和 技術(shù)性， 使教學(xué)與研究結(jié)合， 致力于促進(jìn)研究生學(xué)會人工智能思 維的方法，掌握人工智能分析、解決問題的思路和要領(lǐng)，真正實(shí) 現(xiàn)由接受向探究人工智能理論與技術(shù)的轉(zhuǎn)變， 由追求人工智能知 識向追求利用人工智能解決問題的能力的轉(zhuǎn)變， 最終達(dá)到應(yīng)用知 識、創(chuàng)造知識的目的。 人工智能研究生教育“以科研作為首要的 成分，教師的作用在于把從事人工智能的相關(guān)科研和教學(xué)結(jié)合起 來，科研活動十分恰當(dāng)?shù)爻蔀橐环N教學(xué)的模式。 學(xué)生的作用就是 把人工智能科研和學(xué)習(xí)結(jié)合起來， 科研活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N學(xué)習(xí)的模 式” 22 。針對研究生人工智能課程的特點(diǎn)，我們提出了啟發(fā)式 的

7、人工智能教學(xué)、 基于案例驅(qū)動的教學(xué)、 培養(yǎng)學(xué)生探索精神的人 工智能教學(xué)等多種教學(xué)方式， 建立與人工智能研究性教學(xué)配套的 教師激勵(lì)機(jī)制。1 1 基于實(shí)踐的人工智能課程教學(xué)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)很大程度上依賴于學(xué)生對經(jīng)驗(yàn)的積累， 所以 切實(shí)加強(qiáng)研究性實(shí)踐教學(xué)， 提高學(xué)生實(shí)踐能力至關(guān)重要。人工 智能研究性實(shí)踐教學(xué)應(yīng)從實(shí)踐的角度提出問題， 引導(dǎo)學(xué)生將人 工智能理論與實(shí)踐相結(jié)合， 探究問題的答案。首先，需要在人工智能中引入大量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 研究生實(shí)驗(yàn)33是以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能局限于單 門課程的內(nèi)容，要輔以驗(yàn)證性試驗(yàn)的課程內(nèi)容，增設(shè)設(shè)計(jì)性、綜 合性、研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目， 在研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中， 學(xué)

8、生根據(jù)實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容和要求， 自主擬定實(shí)驗(yàn)方案； 指導(dǎo)教師的基本任務(wù)是為實(shí) 驗(yàn)提示方向， 嚴(yán)格審查并幫助完善學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案。 在實(shí)驗(yàn)過程中， 注重觀察調(diào)控， 釋疑解難， 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報(bào) 告開展分析討論， 評價(jià)實(shí)驗(yàn)所取得的成效， 找出不足和改進(jìn)意 見， 通過人工智能算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，使他們具備發(fā)現(xiàn)和解 決問題的能力，不斷提其科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。在人工智能課程中，可 以設(shè)置模式識別、搜索算法、邏輯推理、自動規(guī)劃、概率推理等 與教材內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)， 由學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)環(huán)境、 參數(shù)設(shè) 置等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果由學(xué)生進(jìn)行解釋， 進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)算法 和理論的理解。其次，需要和工業(yè)界建立合作伙伴關(guān)系。 本

9、專業(yè)具有較強(qiáng)的 實(shí)踐性， 為使人才培養(yǎng)滿足企業(yè)需求， 就應(yīng)該使學(xué)生充分了解工 業(yè)界對人才的要求。鼓勵(lì)學(xué)生自行參與企業(yè)的人工智能項(xiàng)目開 發(fā)，如需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)等，最后提交調(diào)試好的軟 件系統(tǒng)、完整的設(shè)計(jì)文件和調(diào)試文檔報(bào)告。此外，還應(yīng)組織學(xué)生 參觀企業(yè)研發(fā)中心， 現(xiàn)場學(xué)習(xí)人工智能產(chǎn)品化的設(shè)計(jì)和開發(fā)等全 部流程， 熟悉人工智能產(chǎn)品的生產(chǎn)和測試等所有環(huán)節(jié)； 由企業(yè)研 發(fā)中心研究人員做專題技術(shù)報(bào)告。 借助工業(yè)合作伙伴計(jì)劃， 加強(qiáng) 用人企業(yè)和學(xué)校的聯(lián)系， 還可進(jìn)一步加強(qiáng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)， 完善 校外專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)， 為學(xué)生提供一個(gè)更為廣闊的、 具有實(shí)際應(yīng)用 需求的聯(lián)合培養(yǎng)基地。 2 2 基于案例驅(qū)動

10、的人工智能教學(xué) 基于案例驅(qū)動的教學(xué)法要求教師能夠根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平 和能力， 創(chuàng)設(shè)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索活動的人工智能案例， 以激發(fā)學(xué) 生探究問題和解決問題的興趣與能力， 促進(jìn)學(xué)生質(zhì)疑、 探求的創(chuàng) 造性學(xué)習(xí)動機(jī)，通過選擇與提出問題、討論、研究、實(shí)踐、驗(yàn)證 與結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生獨(dú)立探究、自主研究 和創(chuàng)新的能力。 研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的積極參與， 強(qiáng)調(diào)師生互動。 對教師來說， 必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的“傳道”觀念， 以平等的心態(tài)與學(xué) 生交流探討。在課堂上，要努力營造民主、寬松、活躍的教學(xué)氛 圍，積極引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)想、大膽探索、大膽懷疑，使學(xué)生樹立 研究型學(xué)習(xí)的觀念，消除被動接收的心理，養(yǎng)成勤于思考

11、、善于 思考的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣， 通過積極參與討論與研究， 培養(yǎng)學(xué)生主動 獲取新知、探求未知的能力。我們在本課程問題求解部分的教學(xué)中，將基于搜索算法的象棋游戲作為案例開展探究式教學(xué)活動。 在介紹各種搜索以及優(yōu)化 剪枝算法之后，教師將科研項(xiàng)目中基于搜索算法的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn) 及其結(jié)果詳細(xì)地在課堂上進(jìn)行演示，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)提出質(zhì)疑。 在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生提出大量問題，例如，搜索的層數(shù)如何確定？ 為什么消耗函數(shù)對搜索結(jié)果會有影響？等等。教師在事先準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)演示的基礎(chǔ)上，開展課堂討論，讓學(xué)生提出解決問題的各 種方法，并現(xiàn)場通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證， 逐步讓學(xué)生理解搜索算法的 設(shè)計(jì)、輸入輸出數(shù)據(jù)的預(yù)處理、參數(shù)設(shè)置的必要

12、性及其實(shí)現(xiàn)方法。 課堂授課實(shí)踐表明，這種方法極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠大膽設(shè)想，大膽探索，增加了學(xué)生的自信心和創(chuàng)新精神。 本次課堂討論結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的討論以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示， 總結(jié)各種搜索算法的局限性， 并要求學(xué)生通過查資料和搜集必要 的信息，積極地思索和驗(yàn)證各種解決問題的方法，將學(xué)生分組， 讓學(xué)生展開討論，為下次討論課作好準(zhǔn)備。傳統(tǒng)教學(xué)方法是告訴學(xué)生怎么去做，在一定程度上損害了學(xué) 生的積極性。而案例教學(xué)要求學(xué)生自己去思考、去創(chuàng)造，使枯燥 乏味的內(nèi)容變得生動活潑。 在案例教學(xué)中，學(xué)生之間的交流既可 以使學(xué)生取長補(bǔ)短、促進(jìn)人際交流能力，也可以引導(dǎo)學(xué)生變注重 知識為注重能力。案例教

13、學(xué)法的關(guān)鍵是案例的選擇。案例是為教學(xué)目標(biāo)服務(wù) 的，因此它應(yīng)該具有典型性， 且應(yīng)該與所對應(yīng)的理論知識有直接 的聯(lián)系。案例最好是經(jīng)過深入調(diào)查研究。來源于實(shí)踐，不能只是 一堆數(shù)據(jù)的羅列。教科書的編寫應(yīng)采用圖片、表格、曲線等方式 讓學(xué)生看到算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，啟發(fā)學(xué)生思考。另外，案例應(yīng)該只 有情況沒有結(jié)果，有激烈的矛盾沖突，沒有處理辦法和結(jié)論，由 學(xué)生對案例提出質(zhì)疑，從這個(gè)意義上講，案例的情況越復(fù)雜，越 多樣性，越有價(jià)值。案例教學(xué)法能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)相長。 教學(xué)中， 教師不僅是教師而 且也是學(xué)員。一方面，教師是整個(gè)教學(xué)的主導(dǎo)者，掌握著教學(xué)進(jìn) 程，引導(dǎo)學(xué)生思考、 組織討論研究， 進(jìn)行總結(jié)、 歸納。另一方面， 在教

14、學(xué)中通過共同研討， 教師不但可以發(fā)現(xiàn)自己的弱點(diǎn)， 而且從 學(xué)生那里可以了解到大量感性材料。 另外， 案例教學(xué)法能夠調(diào)動 學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。教學(xué)中，由于不斷變換教學(xué)形式，學(xué)生大腦 興奮不斷轉(zhuǎn)移， 注意力能夠得到及時(shí)調(diào)節(jié)， 有利于學(xué)生精神始終 保持最佳狀態(tài)。 案例教學(xué)的最大特點(diǎn)是它的真實(shí)性， 教學(xué)內(nèi)容是 具體的實(shí)例，加之采用是形象、直觀、生動的形式，給人以身臨 其境之感，易于學(xué)習(xí)和理解。最后，案例教學(xué)法能夠集思廣益。 教師在課堂上不是“獨(dú)唱”， 而是和大家一起討論思考， 學(xué)生在 課堂上也不是忙于記筆記， 而是共同探討問題。 由于調(diào)動集體的 智慧和力量，容易開闊思路，收到良好的效果。3 3 培養(yǎng)學(xué)生

15、探究精神的人工智能課堂內(nèi)外教學(xué)3.13.1 人工智能研究性課堂教學(xué) 課堂是人工智能課程研究性教學(xué)的重要場所。 一流大學(xué)課堂上教師普遍重視學(xué)生的自學(xué)能力、 創(chuàng)新精神和研究能力， 特別關(guān)注學(xué)生探究意識的培養(yǎng)。在重建本科教育 -博耶報(bào)告三年回顧 44 中，被調(diào)查者一致認(rèn)為他們正在探討“教學(xué)中探究式 學(xué)習(xí)的問題”，近 65%65%的被調(diào)查者強(qiáng)調(diào)所屬大學(xué)是積極鼓勵(lì)探究 式學(xué)習(xí)的， 并建立了相關(guān)機(jī)構(gòu)幫助教師掌握推行探究式學(xué)習(xí)的 技巧與方法； 17%17%的被調(diào)查者認(rèn)為探究式學(xué)習(xí)使大學(xué)的課程與教 學(xué)發(fā)生了顯著變化； 55%55%的被調(diào)查者認(rèn)為發(fā)生了一些變化。 因此， 作為面向研究生的人工智能課程， 更應(yīng)該強(qiáng)

16、調(diào)學(xué)生探究能力的培 養(yǎng)，以此來培養(yǎng)研究生科研的能力和興趣。以探究學(xué)習(xí)為主的一種討論課即“習(xí)明納”（SeminarSeminar）深受學(xué)生喜愛。 舉辦“習(xí)明納”的教師需要對人工智能領(lǐng)域的一些 研究課題進(jìn)行過深入地研究， 他們不但能夠?qū)栴}的實(shí)質(zhì)和答 案提出自己獨(dú)到的見解， 而且能夠與學(xué)生在課堂上進(jìn)行分析和 討論。在課堂上需要由教師先簡單地說明人工智能某個(gè)問題的研 究現(xiàn)狀和存在的困難， 再由大家提問， 隨后教師本人或者學(xué)生 進(jìn)行解答， 大家共同討論，課堂氣氛異?；钴S，極大地調(diào)動了 學(xué)生的積極性和對人工智能課程的興趣。除此之外， 為進(jìn)一步 提高學(xué)生對人工智能的興趣，講授法、答疑、小組工作、讀書報(bào) 告、社會調(diào)查等教學(xué)方法也會根據(jù)具體課程情況穿插運(yùn)用。 總之， 在