人工智能試驗(yàn)課的改進(jìn)-2019年文檔

1、人工智能實(shí)驗(yàn)課的改進(jìn)人工智能是計(jì)算機(jī)和核心專業(yè)課之一。 然而， 目前大部分課 程仍然以基于講義的教學(xué)(lecture-based learning, LBL)為主。已經(jīng)有了不少關(guān)于人工智能實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革， 例如雙主體 意識(shí)和沉默式教學(xué)法相結(jié)合、基于 Prolog 的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。同 時(shí)，近幾年出現(xiàn)了不少好的教學(xué)思想和理念， 比如結(jié)合基于問(wèn)題 的教學(xué)、大班授課小班討論、實(shí)踐技能培養(yǎng)等。有鑒于此，結(jié)合 人工智能課程的特點(diǎn)、 結(jié)合本校和本課程組的實(shí)際情況， 本文提 出對(duì)人工智能實(shí)驗(yàn)課的三點(diǎn)改進(jìn)。 第一，基于基于問(wèn)題的教學(xué)理 念整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 將過(guò)去分散的， 獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)和大作業(yè)整合成四 到六個(gè)包含作

2、業(yè)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的問(wèn)題。 然后請(qǐng)學(xué)生通過(guò)解決這些問(wèn) 題來(lái)學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)內(nèi)容。 第二，根據(jù)小班討論的方式改革實(shí)驗(yàn) 考核方式。在實(shí)踐當(dāng)中， 往往每個(gè)人的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力差異較大，有時(shí)還會(huì)各有所長(zhǎng)。因此，小班討論的方式有利于相互促進(jìn)。第 三，結(jié)合實(shí)踐技能培養(yǎng)的目標(biāo)來(lái)更新實(shí)驗(yàn)工具。 目前已有的實(shí)驗(yàn) 方案甚少考慮將來(lái)的實(shí)踐，例如在實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)用 Prolog 語(yǔ)言就 非常少見(jiàn)。本文提出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案大多基于C+和Java等常用語(yǔ)言， 更包括機(jī)器人平臺(tái)上的通用編程方法， 力求讓學(xué)生通過(guò) 人工智能實(shí)驗(yàn)課能夠提高實(shí)踐能力。在接下里的內(nèi)容中，本文首先分析課程的現(xiàn)狀。然后，在第節(jié)中將介紹一些新的教學(xué)思想和理念。 第四節(jié)將

3、重點(diǎn)闡述對(duì)人 工智能實(shí)驗(yàn)課的三點(diǎn)改進(jìn)，最后是本文的總結(jié)。1課程特點(diǎn)1.1 人工智能課程的內(nèi)容和特點(diǎn) 人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支。它是一門涉及數(shù) 學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、心理學(xué)和哲學(xué)等學(xué)科的交叉 學(xué)科。本課程作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一， 將著 重介紹人工智能研究中最基本的、 最經(jīng)典的理論和方法， 以及當(dāng) 前在這一領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)和成熟應(yīng)用成果， 是一門理論與應(yīng)用 相結(jié)合的課程。人工智能課程重在講解如何利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人腦所從事 的感知、推理、學(xué)習(xí)、思考、規(guī)劃等人類智能活動(dòng)，以解決需要 用人類智能才能解決的問(wèn)題。 人工智能涉及自主智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 和分析，與軟件系統(tǒng)、物理

4、機(jī)器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)，常以機(jī) 器人或自主飛行器作為例子加以介紹。 一個(gè)智能系統(tǒng)必須感知它 的環(huán)境，與其它 Agent 和人類交互作用，并作用于環(huán)境，以完成 指定的任務(wù)。人工智能的研究論題包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)、 規(guī)劃與行動(dòng)、多 Agent 系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)語(yǔ)言理解、專家系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等。這些 研究論題的基礎(chǔ)是通用和專用的知識(shí)表示和推理機(jī)制、 問(wèn)題求解 和搜索算法，以及計(jì)算智能技術(shù)等。此外，人工智能還提供一套 工具以解決那些用其它方法難以解決甚至無(wú)法解決的問(wèn)題。 這些 工具包括啟發(fā)式搜索和規(guī)劃算法， 知識(shí)表示和推理形式， 機(jī)器學(xué) 習(xí)技術(shù)，語(yǔ)音和語(yǔ)言理解方法，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器人學(xué)等。通過(guò) 學(xué)習(xí)，學(xué)

5、生能夠知道什么時(shí)候需要某種合適的人工智能方法用于 給定的問(wèn)題，并選擇適當(dāng)實(shí)現(xiàn)方法。1.2 本校及課程團(tuán)隊(duì)實(shí)際特點(diǎn) 在我校，最早是由計(jì)算機(jī)學(xué)院智能所的余永權(quán)和曾碧等教授 面向計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生進(jìn)行講授的。 課題組從一開(kāi)始就注重教學(xué) 大綱和教學(xué)進(jìn)度的統(tǒng)一， 試卷和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的一致， 注意采用多種 教學(xué)手段，以利于學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)， 并得到了廣泛的好評(píng)。 幾年來(lái)， 計(jì)算機(jī)學(xué)院一直十分重視本課程的教學(xué)和課程建設(shè)， 歷 屆擔(dān)任本課程教學(xué)任務(wù)的教師團(tuán)結(jié)合作， 交流教學(xué)心得， 相互學(xué) 習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，始終以高度的責(zé)任心和飽滿的熱情投入教學(xué)。人工智能是整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最陜、 知識(shí)更新最快 的學(xué)科之一。

6、任課教師緊跟時(shí)代脈搏， 積極開(kāi)展科學(xué)研究和應(yīng)用 實(shí)踐，不斷更新知識(shí)結(jié)構(gòu)，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容。并且，針對(duì)反映近年 人工智能領(lǐng)域的快速變化的模糊控制、 機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等熱 點(diǎn)技術(shù)展開(kāi)教學(xué)研討，厚積而薄發(fā)，并已出版了多本專著，如： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯控制 ，模糊控制技術(shù)與模糊家用電器 ， 單片機(jī)模糊邏輯控制，計(jì)算機(jī)接口與通信，單片機(jī)在 控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等。近三年來(lái)課題組共獲得兩項(xiàng)國(guó)家基金， 四項(xiàng)省基金的資助。2 新的教學(xué)思想和理念2.1 基于問(wèn)題的教學(xué)教學(xué)模式指在一定的教學(xué)思想指導(dǎo)下為保持某種教學(xué)任務(wù) 的相對(duì)穩(wěn)定而具體的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)。目前主要的教學(xué)模式包括： LBL 教學(xué)模式(lecture-based

7、 learning , LBL)、CBL教學(xué)模式( ease-based learning ， CBL)、 PBL( problem-based learning ，PBL)教學(xué)模式等。其中，CBL是最傳統(tǒng)的教學(xué)方法，以傳授知 識(shí)為教學(xué)目標(biāo)， 強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性和完整性。 它使學(xué)生形成 邏輯清晰、 條理簡(jiǎn)明的知識(shí)結(jié)構(gòu)， 但是不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué) 習(xí)積極性。CBL首先要求篩選典型案例，通過(guò)對(duì)案例的講解，讓 學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué) 習(xí)和掌握相關(guān)知識(shí)。PBL的教學(xué)設(shè)計(jì)有幾個(gè)固定的環(huán)節(jié)，組織小 組、設(shè)置問(wèn)題、行動(dòng)進(jìn)展、結(jié)果匯報(bào)和反饋。它強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者之間 的交流合作、

8、 多種學(xué)習(xí)途徑的整合及外部支持與引導(dǎo)在解決問(wèn)題 中的作用。 它以學(xué)生為主導(dǎo)， 鍛煉學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力和團(tuán) 隊(duì)協(xié)作能力， 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力， 提高實(shí)踐中人際溝通協(xié)調(diào)能 力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。2.2 大班授課小班討論“大班授課、 小班討論”是研究性學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)稱。 研究性學(xué)習(xí) 是以“學(xué)習(xí)活動(dòng)”的形式呈現(xiàn)，即學(xué)生在教師指導(dǎo)下生活中選 題，用科研方式主動(dòng)獲取知識(shí)解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)活動(dòng)。 它是一種以 學(xué)生自主性、 探索性為主的學(xué)習(xí)方式。 它以“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”為總目 標(biāo)指導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式， 強(qiáng)調(diào)為用而學(xué)， 圍繞解決實(shí)際問(wèn)題學(xué) 習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)、重視實(shí)踐。它使學(xué)生在思考如何解決實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)學(xué)會(huì)關(guān)注社會(huì)和人

9、生。 這是實(shí)現(xiàn)知識(shí)、 能力和 素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑。 一般來(lái)說(shuō)， 這種教學(xué)需要課對(duì)課程重 新劃分，將課程內(nèi)容分為精講部分、略講部分、自學(xué)部分以及研 討部分。 2.3 實(shí)踐技能培養(yǎng)高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)大學(xué)生實(shí)踐技能培養(yǎng)目前仍然依賴于實(shí) 驗(yàn)課程教學(xué)。但是，高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)的知識(shí)更新較快，給我們 帶來(lái)了很大壓力。 實(shí)踐技能培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系相結(jié)合， 是實(shí)踐 技能培養(yǎng)體系的基石。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)不只是理論教學(xué)的附屬環(huán)節(jié)。 中 共中央國(guó)務(wù)院在關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定 中明確指出： “實(shí)施素質(zhì)教育， 以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能 力為重點(diǎn)?！睂?duì)一、二年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)踐技能培養(yǎng)是打基礎(chǔ)階 段；對(duì)已經(jīng)具

10、有一定學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)的二、三年級(jí)學(xué)生，應(yīng)該注重 學(xué)生實(shí)踐技能及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。 我們可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為設(shè)計(jì) 性、研究性、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn) 3 類，對(duì)高年級(jí)學(xué)生著重培養(yǎng)實(shí)踐能力 和創(chuàng)新能力。3 對(duì)課程的改進(jìn)目前的很多改革也在朝 PBL的方向發(fā)展。另一方面，還有不 少踢出要反轉(zhuǎn)課堂的，其實(shí)也是增加主動(dòng)性和討論性。同時(shí)，也 有不少課程改革討論考核方式的轉(zhuǎn)變。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革正式方興 未艾，多種形式的培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力更是重點(diǎn)。有鑒于此，自 2011 年以來(lái)，課題組響應(yīng)學(xué)校號(hào)召積極學(xué)習(xí) PBL。課題組在有限的范圍和符合客觀條件要求的前提下逐步開(kāi) 展相關(guān)改革： 首先將課程的引入以及例題的設(shè)置改成學(xué)生探索性 解決問(wèn)

11、題的過(guò)程。 具體來(lái)說(shuō)就是對(duì)于一般性的作業(yè)， 取出部分內(nèi) 容簡(jiǎn)單適合建立感性認(rèn)識(shí)的， 提前一節(jié)課布置。 盡管這樣做會(huì)有 部分學(xué)生無(wú)所適從， 但是經(jīng)過(guò)幾次訓(xùn)練之后， 學(xué)生探索知識(shí)內(nèi)在 結(jié)構(gòu)的能力得到了極大的提高。 然后， 針對(duì)本課程不同分支間的 聯(lián)系，我們推出了在條件允許情況下類似課程設(shè)計(jì)的大作業(yè)。 這 類大作業(yè)作為學(xué)期的最后一次作業(yè)， 能夠體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)性 和實(shí)用性。 盡管受制于作業(yè)本身形式的限制， 它仍然打破了課程 不同分支間的壁壘， 讓學(xué)生能夠活學(xué)活用， 深入掌握工程科學(xué)應(yīng) 用的精髓。最后，課題組正在嘗試一種競(jìng)選作業(yè)的方式，來(lái)結(jié)合 機(jī)器人和仿真平臺(tái)，利用提問(wèn)演示的方式提供 PBL教學(xué)中必

12、要的 問(wèn)題及解決方式展示。 競(jìng)選作業(yè)就是讓有興趣的學(xué)生， 以自愿參 加為原則的， 為機(jī)器人和仿真平臺(tái)編寫程序。 教師給出要求和模 擬器，學(xué)生自由組隊(duì)參加， 最后教師從中選取一到兩個(gè)加載演示。 盡管上述活動(dòng)在客觀條件限制下， 參加的人數(shù)有限， 但在目前不 具備專用實(shí)驗(yàn)室， 缺少足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)施的情況下， 它是很好的推 動(dòng)PBL的方式。在上述教學(xué)改革的過(guò)程中， 課題組實(shí)際上對(duì)人工智能實(shí)驗(yàn)課 做了三點(diǎn)改進(jìn)。第一，基于問(wèn)題的教學(xué)理念整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。將過(guò) 去分散的， 獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)和大作業(yè)整合成四到六個(gè)包含作業(yè)和實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容的問(wèn)題。 然后請(qǐng)學(xué)生通過(guò)解決這些問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)內(nèi) 容。第二，根據(jù)小班討論的方式改革實(shí)驗(yàn)考核方式。 在實(shí)踐當(dāng)中， 往往每個(gè)人的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力差異較大， 有時(shí)還會(huì)各有所長(zhǎng)。 因 此，小班討論的方式有利于相互促進(jìn)。第三，結(jié)合實(shí)踐技能培養(yǎng) 的目標(biāo)來(lái)更新實(shí)驗(yàn)工具。 目前已有的實(shí)驗(yàn)方案甚少考慮將來(lái)的實(shí) 踐，例如在實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)用 Prolog 語(yǔ)言就非常少見(jiàn)。本文提出的 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案大多基于C+和Java等常用語(yǔ)言，更包括機(jī)器人 平臺(tái)上的通用編程方法， 力求讓學(xué)生通過(guò)人工智能實(shí)驗(yàn)課