張偉峰

摘要：本文結(jié)合對(duì)人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)本科高年級(jí)的教學(xué)特點(diǎn)和人工智能學(xué)科的自身特點(diǎn)，提出了對(duì)當(dāng)前人工智能教學(xué)過(guò)程的三點(diǎn)思考，并且給出了相應(yīng)的教學(xué)思路和方法。

關(guān)鍵詞：人工智能；本科高年級(jí)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1引言

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科類各專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，在信息類相關(guān)的許多高年級(jí)本科和研究生都開(kāi)設(shè)了人工智能課程。人工智能是一門(mén)前沿性的學(xué)科，它主要研究計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能的基本原理和基本方法，同時(shí)人工智能也是一門(mén)多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科，它涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等眾多領(lǐng)域。廣義的人工智能涵蓋了模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論等眾多研究方向。人工智能作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的重要分支，已成為人類在信息社會(huì)和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)時(shí)代所必須具備的一項(xiàng)核心技術(shù)，并將在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。

由于人工智能課程的學(xué)習(xí)難度較大，內(nèi)容更新比較快，也繁多，使得教學(xué)有一定的難度。特別是針對(duì)本科高年級(jí)的人工智能教學(xué)，由于本科生的研究意識(shí)相對(duì)較弱，而人工智能比較強(qiáng)調(diào)科研性，所以如何教好本科高年級(jí)的人工智能課程是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

本文通過(guò)分析本科高年級(jí)的教學(xué)特點(diǎn)和人工智能課程的自身特點(diǎn)，在如何提高教學(xué)質(zhì)量這一問(wèn)題上提出了幾點(diǎn)思考。

2本科高年級(jí)的教學(xué)特點(diǎn)

中國(guó)的本科教育，由于歷史和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等諸多原因，目前的定位還是培養(yǎng)某方面專業(yè)人才的專才教育。本科高年級(jí)學(xué)生在完成了低年級(jí)公共基礎(chǔ)課程和部分專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)之后，迫切希望了解本專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，所以在教學(xué)過(guò)程中要注意內(nèi)容的應(yīng)用性和專業(yè)性。另一方面，本科高年級(jí)學(xué)生也是研究生教育的儲(chǔ)備人才，在教學(xué)過(guò)程中要適時(shí)的進(jìn)行科研引導(dǎo)，這樣能夠讓畢業(yè)生保持對(duì)科學(xué)的興趣，從而為研究生階段進(jìn)一步深入研究打下基礎(chǔ)。本科生一般于4年級(jí)的10月份開(kāi)始著手畢業(yè)設(shè)計(jì)，在本科高年級(jí)的教學(xué)過(guò)程中還要注意與畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容相結(jié)合，這樣可以讓學(xué)生提前做好準(zhǔn)備，選擇適合自己的方向。

3人工智能課程的學(xué)科特點(diǎn)

與信息類其它專業(yè)課程相比，人工智能具有應(yīng)用性、研究性和發(fā)展性三個(gè)重要學(xué)科特點(diǎn)。首先，人工智能是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。人工智能學(xué)科的主要目標(biāo)在于研究用機(jī)器來(lái)模仿和執(zhí)行人腦的某些智力功能，并開(kāi)發(fā)相關(guān)理論和技術(shù)。人工智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘、智能控制、信息檢索、智能機(jī)器人等領(lǐng)域，在日常生活中，隨處可見(jiàn)人工智能技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例；其次，人工智能技術(shù)具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值，是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中重要的研究方向。技術(shù)進(jìn)步無(wú)止境，研究者們不斷追求開(kāi)發(fā)出效率更高、更智能的人工智能技術(shù)：最后，人工智能是一門(mén)正在發(fā)展中的學(xué)科。隨著信息化、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)的發(fā)展，人類已步入信息社會(huì)和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，它們?yōu)槿斯ぶ悄芴岢隽嗽S多新的研究目標(biāo)和研究課題，人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)算法都在不斷發(fā)展。

4人工智能教學(xué)的三點(diǎn)思考及對(duì)策

4.1注重應(yīng)用性和介紹性

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，本科高年級(jí)學(xué)生一般比較關(guān)心各種人工智能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和使用方法，而對(duì)基礎(chǔ)性理論和技術(shù)細(xì)節(jié)不是很感興趣。他們一方面希望能學(xué)到很多較新和較實(shí)用的人工智能算法，并且最好可以看到使用效果；另一方面又希望老師的教學(xué)主要停留在介紹性層面，不想花太多時(shí)間在復(fù)雜的理論理解上。這也比較符合本科高年級(jí)的教學(xué)特點(diǎn)，本科階段主要是培養(yǎng)具備較強(qiáng)應(yīng)用性和基礎(chǔ)科研素質(zhì)的專業(yè)人才。傳統(tǒng)的人工智能教學(xué)主要講授知識(shí)表示和搜索推理技術(shù)，大部分實(shí)例都是解答式或推證式的。由于其知識(shí)的抽象性，又加之其應(yīng)用實(shí)例較少，所以往往教師感覺(jué)難講，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中也感覺(jué)乏味，對(duì)講授的內(nèi)容大多都是死記其方法和步驟，因此影響了教學(xué)效果。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者認(rèn)為，在設(shè)計(jì)人工智能教學(xué)時(shí)，要注重內(nèi)容的新穎性、實(shí)用性和介紹性。除了講授那些仍然有用的和有效的基本原理和方法之外，要著重介紹一些新的和正在研究的人工智能方法和技術(shù)，特別是近期發(fā)展起來(lái)的方法和技術(shù)，如支持向量機(jī)、決策樹(shù)、模糊集、遺傳算法、蟻群算法等。這些內(nèi)容的理論部分可以不必過(guò)分深究，教學(xué)重點(diǎn)主要放在介紹每種技術(shù)的產(chǎn)生背景、發(fā)展?fàn)顩r、應(yīng)用領(lǐng)域和具體實(shí)現(xiàn)上。此外，要注意理論與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合，在教學(xué)過(guò)程中加入一些與課程內(nèi)容結(jié)合的、可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容?？紤]到目前應(yīng)用最廣泛的人工智能領(lǐng)域之一是模式識(shí)別，而研究模式識(shí)別的主要計(jì)算機(jī)工具是Matlab，所以筆者在教學(xué)過(guò)程中以手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別作為教學(xué)實(shí)例，針對(duì)所介紹的每一種人工智能技術(shù)，都將其應(yīng)用于手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別當(dāng)中，并講解了這些技術(shù)的Matlab實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)生在掌握了基本理論之后，可以按照實(shí)現(xiàn)步驟的指導(dǎo)，立刻上機(jī)見(jiàn)到算法的實(shí)際效果，加深對(duì)算法實(shí)現(xiàn)思路和方法的認(rèn)識(shí)。

4.2注重科研引導(dǎo)性

本科教學(xué)不僅要培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，還要培養(yǎng)學(xué)生具備基本的科研素質(zhì)。本科教育一方面為社會(huì)培養(yǎng)了大批應(yīng)用型人才，另一方面也要為我國(guó)的科研事業(yè)培養(yǎng)后備力量。特別是近幾年來(lái)我國(guó)對(duì)科研的投入不斷增加，研究生招生規(guī)模逐年增大，本科高年級(jí)學(xué)生打算繼續(xù)讀研的也不在少數(shù)。而人工智能是計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科非常活躍的研究課題，其涵蓋的分支非常廣泛，如模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算智能、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論等，都是目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)熱門(mén)的研究方向。針對(duì)這一特點(diǎn)，在本科高年級(jí)的人工智能教學(xué)中，還要注意對(duì)學(xué)生適時(shí)適度的科研引導(dǎo)。這樣可以激發(fā)學(xué)生的研究興趣，樹(shù)立目標(biāo)意識(shí)，找準(zhǔn)研究方向，為未來(lái)的科研工作打下基礎(chǔ)。在教學(xué)過(guò)程中，可以引導(dǎo)學(xué)生思考每種人工智能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是什么?缺點(diǎn)是什么?有沒(méi)有改進(jìn)的辦法?比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算智能中較為成熟的技術(shù)，具有強(qiáng)大的非線性學(xué)習(xí)能力，在模式識(shí)別、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析、生物信息學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘等眾多領(lǐng)域都取得過(guò)成功應(yīng)用。然而B(niǎo)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法自身也存在著一些缺點(diǎn)，如會(huì)有局部最小解、解受初值影響較大、理論解釋不完善等。近十年來(lái)，研究者逐漸把目光轉(zhuǎn)移到另一種新的非線性學(xué)習(xí)工具——支持向量機(jī)上。同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，支持向量機(jī)具有泛化能力強(qiáng)、不受局部最小問(wèn)題困擾、理論背景完善等顯著優(yōu)點(diǎn)。在給學(xué)生講解BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的時(shí)候，一方面可以通過(guò)手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別實(shí)驗(yàn)展示其強(qiáng)大的非線性分類能力，另一方面也要告訴學(xué)生，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不是完美的，其缺點(diǎn)同樣明顯。然后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行思考，討論有沒(méi)有更好的解決辦法。此時(shí)，順勢(shì)引出支持向量機(jī)的內(nèi)容，并且介紹支持向量機(jī)的研究現(xiàn)狀和研究方向。通過(guò)兩者的對(duì)比，學(xué)生不但了解到了較新的人工智能技術(shù)，又對(duì)人工智能研究中如何去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、人工智能技術(shù)的進(jìn)化歷程有了直觀的印象。

4.3教學(xué)內(nèi)容與畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)本科生用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題和進(jìn)行專業(yè)研究能力的檢驗(yàn)，是本科高年級(jí)學(xué)生將要面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。由于人工智能學(xué)科具有應(yīng)用性和科研性的特點(diǎn)，人臉識(shí)別、網(wǎng)頁(yè)檢索、經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)、基因數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用領(lǐng)域都離不開(kāi)人工智能技術(shù)，所以人工智能方向?yàn)閷W(xué)生提供了豐富的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題。針對(duì)這一特點(diǎn)，在本科高年級(jí)的人工智能教學(xué)中，可以適當(dāng)穿插介紹有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。告訴學(xué)生哪些應(yīng)用領(lǐng)域是目前人工智能研究的熱點(diǎn)方向，哪些人工智能技術(shù)可以用來(lái)解決這些問(wèn)題。通過(guò)向?qū)W生介紹具有一定應(yīng)用價(jià)值和研究意義的題目，然后引導(dǎo)他們查找閱讀相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，最后編寫(xiě)代碼和撰寫(xiě)論文。比如筆者給學(xué)生提供的選題包括：(1)基于支持向量機(jī)的上市公司信用評(píng)價(jià)；(2)正則化回歸在股票預(yù)測(cè)中的應(yīng)用；(3)基于膚色的人臉檢測(cè)；(4)基于內(nèi)容的網(wǎng)頁(yè)圖像檢索等。這些題目應(yīng)用性強(qiáng)，具有一定科研深度但是難度又不至于太大，學(xué)生選擇這些題目的積極性很高。通過(guò)將教學(xué)內(nèi)容與畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，不但加深了學(xué)生對(duì)課程的理解，又使其找到了合適的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，可謂一舉兩得。

5結(jié)束語(yǔ)

筆者結(jié)合人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)本科高年級(jí)的教學(xué)特點(diǎn)和人工智能課程的學(xué)科特點(diǎn)，提出在設(shè)計(jì)人工智能教學(xué)時(shí)，要注重內(nèi)容的新穎性、實(shí)用性和介紹性，同時(shí)還要注意對(duì)學(xué)生適時(shí)適度的科研引導(dǎo)，適當(dāng)穿插介紹有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，其目標(biāo)是將難學(xué)、枯燥、難于理解的問(wèn)題，變得易學(xué)、有趣、易于理解。從學(xué)生反饋來(lái)看，這些方法起到了明顯的實(shí)際效果，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。