李俊芳

摘 要 在人工智能+時(shí)代，高校開設(shè)人工智能與工科交叉課程是大勢(shì)所趨。本文闡述了借助慕課，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐實(shí)現(xiàn)交叉課程良好授課的方法。以《人工智能與軌道交通》課程為例，對(duì)課程目標(biāo)，內(nèi)容與實(shí)際授課設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明，對(duì)比采用與未用項(xiàng)目實(shí)踐獲取的教學(xué)效果論證了基于項(xiàng)目實(shí)踐與慕課的交叉課程教學(xué)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 項(xiàng)目實(shí)踐 慕課 人工智能與工科交叉課程 課程教學(xué)

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

1研究背景與問題提出

1.1人工智能+時(shí)代

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的提升，人工智能成為引領(lǐng)第四次產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵學(xué)科。2019年全國兩會(huì)提出，人工智能要能賦能其它專業(yè)領(lǐng)域，促進(jìn)其它專業(yè)領(lǐng)域的改造升級(jí)。因此，促進(jìn)人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)工科專業(yè)的深度融合，培養(yǎng)具有人工智能意識(shí)和能力的工程科技人才，是當(dāng)前最為緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。因此，開設(shè)人工智能課程成為本科院校的必然趨勢(shì)。

1.2慕課的教學(xué)方式

慕課（MOOC）是大規(guī)模開放的在線課程（Massive Open Online Course），其課程特點(diǎn)是“短而精” ，時(shí)長約3-5分鐘，是對(duì)課程重難點(diǎn)的總結(jié)與強(qiáng)調(diào)，具有解決長時(shí)間“滿堂灌”模式下學(xué)生注意力不集中的優(yōu)勢(shì)。該特點(diǎn)對(duì)于自學(xué)能力強(qiáng)的學(xué)生較適用，但于自學(xué)能力較差未進(jìn)行課程系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生，其相當(dāng)于碎片化知識(shí)，難以理解，效果與傳統(tǒng)課程相比較差。此外，慕課在以師為范，與人交流，合作溝通方面相比傳統(tǒng)課程幾乎沒有優(yōu)勢(shì)。所以，有很多學(xué)者采用慕課+翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)方法進(jìn)行授課，線下通過分組討論使學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行深入剖析與討論，使教學(xué)取得良好的效果。

1.3問題的提出

慕課+翻轉(zhuǎn)課堂的形式對(duì)理科與文科的學(xué)習(xí)是適用的，但對(duì)于需要工程實(shí)踐的的工科學(xué)習(xí)是欠缺的。如何對(duì)人工智能與工科交叉學(xué)科的慕課課程的混合式教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)以彌補(bǔ)工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的缺失從而取得較好的教學(xué)效果是亟待解決的問題。

2基于項(xiàng)目實(shí)踐的教學(xué)方式

CDIO工程教育模式是由麻省理工學(xué)院與瑞典皇家工學(xué)院于2000年發(fā)起，是全球積極推進(jìn)工程教育改革，探索創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)模式的最新成果。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

基于CDIO“做中學(xué)”的實(shí)踐理念，設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目實(shí)踐與慕課相結(jié)合的交叉課程教學(xué)方案。將慕課+翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)方式中翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容進(jìn)一步提升與改進(jìn)，在課堂上除了對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的探討與深入剖析外，加入人工智能在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用等實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、預(yù)案、實(shí)施與評(píng)價(jià)或優(yōu)化等問題的探討與研究，并針對(duì)學(xué)生在實(shí)際項(xiàng)目操作中的反饋，在線下課堂中或群策群力解決疑難問題，或就問題反映的理論進(jìn)一步鞏固與理解，或探討多種方案引發(fā)思考，或提供參考使學(xué)生深入鉆研尋求最優(yōu)化方案。

3案例分析

筆者所在的上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院運(yùn)營管理系于2018年9月通過教育部交通運(yùn)輸專業(yè)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，既是對(duì)本專業(yè)交通運(yùn)輸工程教育的肯定，也是工程教育改革的開始。在此背景下，為營造軌道交通學(xué)子信息技術(shù)處理背景，實(shí)現(xiàn)軌道交通的智慧化運(yùn)營與管理，針對(duì)人工智能與軌道交通工程的交叉學(xué)科學(xué)習(xí)開設(shè)的《人工智能與軌道交通》課程更應(yīng)該在教學(xué)中緊抓工程實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，課程理論講解做到精與簡，摒棄純理論灌輸?shù)目菰锓ξ妒谡n方式，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)課時(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“做中學(xué)”的目的。

《人工智能與軌道交通》課程目標(biāo)是（1）記憶并理解人工智能內(nèi)涵、算法、模型與技術(shù)（原理、步驟、使用方法）;（2）分析人工智能解決軌道交通規(guī)劃與管理專業(yè)實(shí)際問題的思維與模式;（3）應(yīng)用所學(xué)人工智能方法解決軌道交通規(guī)劃與管理專業(yè)的實(shí)際問題;（4）根據(jù)人工智能綜合知識(shí)，針對(duì)軌道交通實(shí)際問題，提出創(chuàng)新方案。目標(biāo)1通過學(xué)生預(yù)習(xí)與慕課課程的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)2～4通過實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，其中2主要在翻轉(zhuǎn)課堂中通過學(xué)生討論進(jìn)行深入剖析獲取，3通過查閱資料，算法演算與代碼編寫在實(shí)驗(yàn)課時(shí)中進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)操，4是針對(duì)學(xué)生實(shí)踐的反饋問題，在教師的引導(dǎo)下通過查閱文獻(xiàn)，觀摩案例，鉆研代碼語句進(jìn)行深入或超前學(xué)習(xí)。

《人工智能與軌道交通》包含三個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容，通過應(yīng)用人工智能算法與模型解決軌道交通實(shí)際問題。搜索算法實(shí)踐對(duì)應(yīng)實(shí)際軌道交通乘客出行最短路徑問題，在起始點(diǎn)間尋找可行路徑（繞開障礙物）并求解最短路徑，要求學(xué)生分別用深度優(yōu)先、廣度優(yōu)先、迭代加深三種無信息搜索算法以及A*有信息搜索算法進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。貝葉斯與效用模型（下轉(zhuǎn)第4頁）（上接第1頁）實(shí)踐對(duì)應(yīng)軌道交通客流受多種因素影響下如何進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，要求學(xué)生構(gòu)建軌道交通車站與線路客流預(yù)測(cè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行擬合，獲取參數(shù)用于預(yù)測(cè)。決策樹以及機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)踐對(duì)應(yīng)軌道交通乘客的出行行為，在乘客多特征及出行特征約束下，（1）構(gòu)建決策樹預(yù)測(cè)乘客的出行決策;（2）構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)乘客的出行行為;（3）構(gòu)建支持向量機(jī)預(yù)測(cè)乘客的出行行為。以上項(xiàng)目的完成需要對(duì)算法進(jìn)行深入理解，并結(jié)合軌道交通實(shí)際問題構(gòu)建模型，進(jìn)行求解算法代碼編寫。經(jīng)過項(xiàng)目實(shí)操，學(xué)生獲取知識(shí)由被動(dòng)記憶理解變?yōu)橹鲃?dòng)理解與吸收。該課程實(shí)際授課兩學(xué)期，第一學(xué)期按照項(xiàng)目式教學(xué)方法，較好地貫徹了“做中學(xué)”的理念。第二次授課由于疫情影響，視頻討論效果沒有現(xiàn)場授課好，僅將項(xiàng)目實(shí)踐作為課后作業(yè)發(fā)布給學(xué)生。以貝葉斯項(xiàng)目為例，第一次授課學(xué)生59名中54名均較好實(shí)現(xiàn)軌道交通客流的預(yù)測(cè)，在私下聊天以及學(xué)生反饋中，均反映經(jīng)項(xiàng)目實(shí)操后，對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，記憶更加牢固，應(yīng)用起來更加得心應(yīng)手，對(duì)于新的實(shí)際問題能較快構(gòu)建模型，但二次授課由于討論效果打折扣，項(xiàng)目進(jìn)展緩慢，問題也沒有及時(shí)進(jìn)行反饋，實(shí)際“做中學(xué)”的理念沒有貫徹到位。最后10名學(xué)生實(shí)際提交完整項(xiàng)目報(bào)告的學(xué)生人數(shù)僅有2，教學(xué)效果較差。

4結(jié)論

本文闡述了借助慕課，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐實(shí)現(xiàn)人工智能與工科交叉課程良好授課的方法。以《人工智能與軌道交通》課程為例，設(shè)計(jì)了記憶理解-分析-應(yīng)用-創(chuàng)新逐步遞進(jìn)的課程目標(biāo)，包含軌道交通實(shí)際問題的實(shí)踐課程內(nèi)容與基于項(xiàng)目實(shí)踐與慕課的實(shí)際授課方法，對(duì)比采用與未用項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)方法背景下學(xué)生項(xiàng)目任務(wù)的完成度證了該教學(xué)方法的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳婧姍，朱凌，施錦誠等.未來工程師的核心能力——基于智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)型企業(yè)實(shí)證研究的內(nèi)容分析[J].高等工程教育研究，2019（06）.

[2] 吉永兵，胡曉玲.美國高校慕課的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)——基于斯隆聯(lián)盟系列報(bào)告的分析[J].數(shù)字教育，2016（04）：33-37.

[3] 丁度坤.關(guān)于慕課教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].教育教學(xué)論壇，2019.

[4] 王珮，何愛玲，劉思睿，等. "慕課+翻轉(zhuǎn)課堂"教學(xué)模式探索與改革[J].國際商務(wù)財(cái)會(huì)，2019（03）：63-65+68.

[5] 劉進(jìn).人工智能為播音與主持藝術(shù)專業(yè)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)分析[J].西部廣播電視，2019（11）：188-189.

[6] 彭周皖.慕課環(huán)境下工科課程混合式教學(xué)模式的探究[D].南昌：南昌大學(xué)，2017.

[7] 汪訓(xùn)洋，馬成業(yè).工科院?！熬€性代數(shù)”MOOC（慕課）教學(xué)模式探究[J].課程教育研究，2018（01）.

[8] 俞姝.基于勝任力模型的S高校中層干部培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

[9] 宋丹，劉洞波，豐霞.基于多源數(shù)據(jù)分析的課程成績預(yù)測(cè)與課程預(yù)警研究[J]. 高等工程教育研究，2020.