畢曉君 喬偉征 （中央民族大學(xué)信息工程學(xué)院）

一、引言

人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，既為促進經(jīng)濟建設(shè)注入了新的動能，又為服務(wù)社會發(fā)展帶來了新的機遇。高校作為發(fā)展人工智能的重要陣地，肩負著人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的職責。因此很多高校響應(yīng)國家及教育部的要求，紛紛設(shè)立人工智能學(xué)院或人工智能專業(yè)。由于設(shè)立時間較短，到目前為止人工智能的學(xué)科建設(shè)和課程設(shè)計仍處于發(fā)展階段，而且人工智能的本科生課程建設(shè)相對薄弱，目前已成為教育部多次強調(diào)的亟須優(yōu)先建設(shè)的新工科范疇。

隨著社會信息化程度越來越高，日?？色@取的數(shù)據(jù)規(guī)模也越來越大。如何利用計算機技術(shù)對大規(guī)模的數(shù)據(jù)進行有效的研究和分析成為信息科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。計算智能作為解決大數(shù)據(jù)問題的重要理論基礎(chǔ)，是人工智能領(lǐng)域一個重要的研究方向，它是受大自然智慧和人類智慧啟發(fā)而設(shè)計的一類算法的統(tǒng)稱，具有全局搜索、高效并行等優(yōu)點，為解決復(fù)雜優(yōu)化問題提供了新思路和新手段，受到研究者們的廣泛關(guān)注，目前已成功應(yīng)用于信息處理、調(diào)度優(yōu)化、工程控制、經(jīng)濟管理等眾多領(lǐng)域。

作為計算智能方法衍生出的教學(xué)課程——“計算智能”課程是人工智能專業(yè)的骨干課程，是計算機科學(xué)與技術(shù)等信息類各專業(yè)的必修課或選修課，是實踐性和研究性均較強的一門課程。該課程內(nèi)容相對簡單，易于理解，非常適合本科生教學(xué)，可以較好地訓(xùn)練學(xué)生分析和解決復(fù)雜問題的綜合思維，培養(yǎng)學(xué)生深度動手編程的實踐能力和敢于突破的創(chuàng)新能力。此外，“計算智能”課程將人工智能專業(yè)先進的核心理論和成果引入本科生教學(xué)，可以讓學(xué)生在近距離接觸科學(xué)研究的同時，增強投身科研事業(yè)的興趣和信心。

二、國內(nèi)高?！坝嬎阒悄堋奔捌湎嚓P(guān)課程開設(shè)現(xiàn)狀

在國內(nèi)各高校中，自從北京大學(xué)2004年首次開設(shè)智能計算及信息處理相關(guān)課程，國內(nèi)許多高校都陸續(xù)將該課程及相關(guān)課程開設(shè)為專業(yè)必修課或限選課，截至目前全國已有50多所高校開設(shè)了與此相關(guān)的課程。但是各大高校開設(shè)該課程的相關(guān)專業(yè)并不相同，在計算機科學(xué)與技術(shù)、信息通信工程以及自動化專業(yè)均有開設(shè)，這也導(dǎo)致該門課程的具體授課方式必然會受到相應(yīng)高校專業(yè)特色的影響。

本文選取具有代表性的幾所高校所開設(shè)的“計算智能”及其相關(guān)課程的教學(xué)情況進行探究。研究結(jié)果表明，首先，各個學(xué)校開設(shè)的課程名稱并不完全一致，北京郵電大學(xué)、重慶大學(xué)和上海理工大學(xué)開設(shè)的課程名稱為“計算智能”；北京大學(xué)、大連海事大學(xué)以及華南理工大學(xué)開設(shè)的課程名稱為“智能信息處理”；重慶郵電大學(xué)和西安電子科技大學(xué)開設(shè)的課程名稱為“智能計算導(dǎo)論”；北京科技大學(xué)開設(shè)的課程名稱為“智能算法及應(yīng)用”。其次，部分學(xué)校將此課程進一步分為兩門或多門課程分別開設(shè)，比如北京郵電大學(xué)同時開設(shè)“計算智能”和“群體智能”兩門課程；北京科技大學(xué)同時開設(shè)“智能算法及應(yīng)用”和“模糊系統(tǒng)理論”兩門課程。再次，不同高校所開設(shè)的此課程的學(xué)分也并不一致，分別為2～4學(xué)分不等，相應(yīng)的理論課學(xué)時和實踐環(huán)節(jié)學(xué)時所占比重也有所區(qū)別。最后，不同高校在本門課程的理論授課和實踐教學(xué)任務(wù)中的內(nèi)容也有所不同，部分高校采用傳統(tǒng)的授課方式，以課堂教學(xué)為主，欠缺實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對理論知識并不能充分掌握，導(dǎo)致理論教學(xué)和實踐活動脫節(jié)，并不能形成系統(tǒng)的課程體系。

綜上，目前國內(nèi)開設(shè)該課程的學(xué)校整體上較少，且各高校在本課程的具體開設(shè)情況方面有所區(qū)別。此外，在本門課程教學(xué)任務(wù)中，大部分高校都面臨講解內(nèi)容不規(guī)范，沒有專門的教材、課件，缺乏成熟的實驗支撐等問題，課程處于亟須但又缺乏建設(shè)的狀態(tài)。在授課內(nèi)容上存在知識涵蓋范圍雜亂、理論內(nèi)容較為前沿導(dǎo)致學(xué)生理解難度大、實踐教學(xué)對學(xué)生動手能力要求高等特點。

針對以上問題，本文結(jié)合相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗，對本課程的教學(xué)大綱優(yōu)化、課堂教學(xué)改革、教學(xué)資源建設(shè)及教學(xué)團隊建設(shè)等問題進行探究和實踐，以創(chuàng)造更好的教學(xué)效果和學(xué)習效果，進一步培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

三、“計算智能”課程教學(xué)目標

本文以中央民族大學(xué)為例，該校信息工程學(xué)院順應(yīng)人工智能發(fā)展需求，為本科生大數(shù)據(jù)實驗班設(shè)立了全新的“計算智能”課程，針對該課程的相關(guān)建設(shè)在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。該課程作為人工智能教學(xué)的核心部分，其授課內(nèi)容非常廣泛，應(yīng)用前景遼闊，具有學(xué)科的交叉性和教學(xué)體系的綜合性，是模式識別、機器學(xué)習及數(shù)據(jù)挖掘等學(xué)科的重要基礎(chǔ)。

該課程的教學(xué)目標分為兩個方面：在學(xué)生教學(xué)方面，要求學(xué)生掌握較為扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，對待科學(xué)問題能夠訓(xùn)練出“數(shù)學(xué)方式”理性思維，并對學(xué)生分析和解決問題的能力提出了更高的要求。該課程通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生理解計算智能的基本概念和未來的發(fā)展方向，掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法、人工免疫算法、人工蜂群算法以及粒子群算法等理論的基本原理，掌握科學(xué)的研究方法。通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)熟練計算機編程和算法操作流程，提升動手實踐能力，最終使學(xué)生能夠?qū)嶋H問題通過具體分析從而建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，有效運用數(shù)學(xué)語言表達自己的思想。在課程建設(shè)方面，通過結(jié)合課程的教學(xué)經(jīng)驗，力爭將本課程建設(shè)成一流課程，充分展現(xiàn)教學(xué)示范價值，給相關(guān)學(xué)者提供更權(quán)威的教學(xué)參考。

綜上，如何改進本課程的教學(xué)方案，對本課程的教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)進行更科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計，這對于培養(yǎng)信息化新時代的創(chuàng)新型及應(yīng)用型復(fù)合人才、建設(shè)示范性一流課程具有極大的現(xiàn)實意義。

四、“計算智能”課程建設(shè)方案

為了有效解決國內(nèi)各高校進行“計算智能”課程教學(xué)工作所面臨的一系列問題，本文通過查閱大量國內(nèi)相關(guān)課程的教學(xué)資料和發(fā)表的文獻，并借鑒其他院校成熟的優(yōu)秀精品課程經(jīng)驗，形成了本課程建設(shè)工作的總體思路，在“計算智能”的課程建設(shè)過程中提出了全新的方案，著重致力于四個方面的計劃實施：優(yōu)化教學(xué)大綱、深化課堂改革、豐富教學(xué)資源以及培養(yǎng)教師隊伍。

（一）優(yōu)化教學(xué)大綱：教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

為規(guī)范教學(xué)內(nèi)容，在前期的“計算智能”課程建設(shè)基礎(chǔ)上，不斷補充和更新教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加具有先進性和科學(xué)性。設(shè)計新穎的實驗內(nèi)容，加大學(xué)生動手能力的培訓(xùn)力度，提高學(xué)生解決復(fù)雜實際問題的能力。通過課內(nèi)學(xué)習、課外的實驗鍛煉，把學(xué)生培養(yǎng)成具有科研創(chuàng)新意識、熟悉一般科研方法的應(yīng)用型人才。通過針對兩屆學(xué)生的教學(xué)實踐，健全和完善教學(xué)大綱，使之有力支撐教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)涵建設(shè)和外延建設(shè)。

（二）深化課堂改革：教學(xué)方法和手段建設(shè)

為了讓學(xué)生能更好地理解并掌握本課程的前沿知識和內(nèi)容，深入研究了“計算智能”課程的特點，在課堂改革方面提出了理論、實驗、翻轉(zhuǎn)三個方面的循環(huán)教學(xué)法。

進一步改革課堂教學(xué)形式，采取以學(xué)生為主的課堂教學(xué)模式，通過思維導(dǎo)圖系統(tǒng)地將每章知識科學(xué)合理地分解成多個邏輯相連的小問題，采用由淺至深的漸進式提問引導(dǎo)學(xué)生思考，并通過詳細分析實際案例將學(xué)生代入計算智能的實際應(yīng)用場景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興致，增強課程教學(xué)的科學(xué)及工程應(yīng)用實踐特色。

提出了切實可行的翻轉(zhuǎn)課堂形式，課堂授課后將分別針對重要的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能優(yōu)化算法進行課堂翻轉(zhuǎn)。課前一周由老師給出有代表性的講解題目，每道題將有多組同學(xué)講解，基本涵蓋課堂理論知識。由學(xué)生自由選擇題目，兩人一組進行資料查閱并在課堂上以PPT的形式進行呈現(xiàn)和分享。通過這樣的形式擴大了學(xué)生的視野，夯實了學(xué)生對知識的理解，同時還能鍛煉學(xué)生查閱資料的能力和語言表達能力，增強學(xué)生科學(xué)研究的興趣。

在課程建設(shè)中還錄制了本課程每一章的實驗視頻，詳細講解了每個算法的實驗設(shè)計思路與步驟，學(xué)生可根據(jù)自身的時間安排，隨時隨地反復(fù)學(xué)習實驗視頻，保證了最佳的實驗授課效果。實驗內(nèi)容設(shè)置分不同層次、不同級別、不同難度系數(shù)，學(xué)生可根據(jù)自身的實際情況進行定制式學(xué)習。每名學(xué)生通過實驗視頻自主學(xué)習，自由選擇不同的實驗內(nèi)容，對學(xué)有余力的同學(xué)可進一步選擇難度更大的實驗內(nèi)容。通過這種個性化培養(yǎng)方式，較好鍛煉和提高了學(xué)生的實驗動手能力。

通過以上對“理論與實驗教學(xué)一體化途徑和方法”的研究，所提出的理論、實驗、翻轉(zhuǎn)三個方面的教學(xué)模塊環(huán)環(huán)相扣，形成一個完整的循環(huán)教學(xué)體系，幫助學(xué)生全方位理解并掌握知識，鍛煉了學(xué)生的實際動手能力，切實有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和水平。教學(xué)實踐表明，學(xué)生們一致認可這種新穎的課程教學(xué)方式，在實際教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)習效果顯著。

（三）豐富教學(xué)資源：教材及配套資源建設(shè)

教材建設(shè)是課程建設(shè)的重中之重，筆者在前期已經(jīng)完成新一代“計算智能”教材的編寫工作，全書共約45萬字。該書作為“高等學(xué)校信息技術(shù)類新方向新動能新形態(tài)系列規(guī)劃教材”“教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會Arm產(chǎn)學(xué)合作項目成果”之一，已由人民郵電出版社于2021年6月正式出版。

該書的編寫為教材建設(shè)打下了堅實的前期基礎(chǔ)，更新和充實了教學(xué)內(nèi)容，使其更加具有先進性和科學(xué)性，更加符合學(xué)生的基礎(chǔ)條件和需求。同時，采用建構(gòu)主義理論分析教學(xué)要求和學(xué)生特點，利用可視化技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)手段，通過優(yōu)化組合，組織編寫適合學(xué)生使用的“計算智能”多媒體教學(xué)課件、教學(xué)輔導(dǎo)教材和實驗教材，完成教材的系統(tǒng)性升級。結(jié)合教案、習題、線上實驗視頻等配套資源的后期建設(shè)，實現(xiàn)全方位和立體化的教材體系，進一步健全和豐富了教學(xué)資源。

（四）培養(yǎng)教師隊伍：教學(xué)團隊建設(shè)

積極培養(yǎng)年輕教師，鼓勵教師參加校內(nèi)外教育教學(xué)培訓(xùn)交流。校內(nèi)參加教務(wù)處教師教學(xué)發(fā)展中心組織的培訓(xùn)、調(diào)研活動，積極將所學(xué)內(nèi)容實踐于教學(xué)活動。校外參加線上教學(xué)設(shè)計及開發(fā)、一流課程建設(shè)交流等，提升教師隊伍的教學(xué)理念，提高教學(xué)方法、教學(xué)實施水平。逐步形成一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、教學(xué)水平高、教學(xué)效果好的教師隊伍，有效保證教學(xué)所需資源建設(shè)高質(zhì)量高效率地完成，為課程建設(shè)的順利實施提供軟實力。

五、結(jié)語

“計算智能”課程將人工智能專業(yè)先進的核心理論和成果引入本科生教學(xué)，可以讓學(xué)生在近距離接觸科學(xué)研究的同時，增強投身科研事業(yè)的興趣和信心。本文針對目前國內(nèi)開展“計算智能”課程教學(xué)工作所面臨的一系列問題，創(chuàng)新性地提出了相應(yīng)的課程建設(shè)方案，在教學(xué)大綱優(yōu)化、課堂改革深化、教學(xué)資源豐富以及教師隊伍培養(yǎng)等四個方面進行了切實可行的方案設(shè)計與實踐。在針對兩屆學(xué)生的教學(xué)實踐活動中取得了顯著的教學(xué)效果：有效提高了學(xué)生在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的主動性和積極性；提高了學(xué)生對算法理論的理解程度，增強了學(xué)生的實踐動手能力；極大培養(yǎng)了學(xué)生對計算智能相關(guān)領(lǐng)域的科研興趣和探索熱情。