彭德巍

[摘 要]針對傳統(tǒng)人工智能課程偏重理論，缺乏實驗案例的教學實際，在研究案例教學方法基礎(chǔ)上，項目組設(shè)計了基礎(chǔ)知識點案例、綜合應用案例、創(chuàng)新實驗案例等多種媒體形式的實驗資源案例庫，并將其應用到人工智能課程的課程教學中，采用啟發(fā)式、交互式和混合式等多種教學方法，學生對人工智能的學習興趣明顯增強。案例庫豐富了教學與實驗內(nèi)容，有效地提高了學生課程參與度與互動性，提高了學生將人工智能的方法與技術(shù)應用到復雜工程問題中的能力。

[關(guān)鍵詞]人工智能;實驗案例;教學研究

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）02-0071-04

人工智能是在計算機科學、控制論、信息論等多學科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性很強的交叉學科，隨著人工智能方法與技術(shù)的不斷應用，該學科也受到政府、企業(yè)、高校和社會的廣泛關(guān)注[1]。作為計算機科學與技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)課程，目前的人工智能課程偏重理論教學，具體實例或案例較少，容易使學生感覺過于理論和抽象而產(chǎn)生厭學情緒[2]。人工智能是解決復雜工程問題的重要工具，是許多高新技術(shù)產(chǎn)品的核心技術(shù)[3]。因此，結(jié)合人工智能的廣泛應用和課程的知識點，筆者構(gòu)建了多種媒體形式的人工智能案例庫，并在人工智能教學中進行了實踐，對如何培養(yǎng)學生的復雜工程問題能力和創(chuàng)新能力進行了一些探索。

在案例教學方法中，學生一般應提前掌握課程有關(guān)的基本原理和知識，然后由教師根據(jù)課程教學目標和能力培養(yǎng)的需要，精心選擇和設(shè)計合適的案例，設(shè)置討論題目，然后由學生以小組為單位對案例進行小組研討，并將研討結(jié)論在班級內(nèi)進行分享和評價，從而達到培養(yǎng)學生從工程化角度分析問題的能力[4-5]。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)缺乏完整而規(guī)范的人工智能課程教學與實驗案例庫，僅有少量高校開展了人工智能課程案例教學方法的研究。

一、人工智能課程實驗案例庫設(shè)計要求

案例教學法首先根據(jù)課程教學目標和能力培養(yǎng)的需要，確定實驗案例庫設(shè)計的基本要求，并在此基礎(chǔ)上開展人工智能課程知識體系的實驗案例庫設(shè)計[6]。在案例教學法中，案例的選擇和設(shè)計非常關(guān)鍵，也是決定案例教學效果好壞的決定性因素。因此需要根據(jù)教學目標、教學內(nèi)容和能力培養(yǎng)要求，精心選擇或設(shè)計合適的案例。

實驗案例庫設(shè)計的基本要求如下：

1.要符合教學目標，所選擇和設(shè)計的案例要緊扣教學目標和教學內(nèi)容，通過案例的分析和討論，加深學生對所學基本原理和方法的理解，增強運用理論知識分析和解決復雜問題的能力。

2.要生動有趣，實驗案例應為具有一定深度和廣度的開放性問題，以啟發(fā)學生獨立自主地思考和研究問題;另外案例不能是一堆文字、數(shù)據(jù)的羅列，應該采用多種媒體形式將知識點轉(zhuǎn)化為生動有趣的實驗案例，有利于吸引學生注意力，提高課堂關(guān)注度。

3.要具有互動性，實驗案例具有互動性是教學目標得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。案例教學中的互動包括課堂教學中教師和學生之間的互動、小組討論中學生和學生的互動、實驗環(huán)節(jié)中學生和案例之間的互動，這些互動極大地調(diào)動了學生的主觀能動性，從而提高學生綜合分析問題和溝通表達的能力。

4.要融入課程思政。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”。案例庫建設(shè)也必須按照這一指導思想原則融入課程思政，具體的方法在課程教學活動中，挖掘與梳理人工智能相關(guān)的思政元素，通過在案例中融入課程思政，將思想政治教育以潛移默化的方式融入，讓學生在掌握專業(yè)知識與提升解決復雜工程問題能力的同時，樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，提升綜合素養(yǎng)。

二、人工智能課程實驗案例庫詳細設(shè)計

人工智能專業(yè)知識可分為內(nèi)核基礎(chǔ)層、支撐技術(shù)層、平臺系統(tǒng)層和交叉應用層4個不同層次[7]。內(nèi)核基礎(chǔ)層包括機器學習、知識表示與處理等，支撐技術(shù)層包括模式識別、搜索技術(shù)、計算智能等，平臺系統(tǒng)層包括機器學習系統(tǒng)平臺、人工智能程序設(shè)計等，交叉應用層包括多學科領(lǐng)域的交叉應用[8]。將人工智能劃分為這4個層次可確定人工智能課程的教學內(nèi)容，并保證案例內(nèi)容的循序漸進。

根據(jù)所確定的教學目標，教學內(nèi)容中的重難點，從國內(nèi)外經(jīng)典人工智能教材、科研項目、企業(yè)資源以及國內(nèi)外人工智能網(wǎng)站等多種途徑，收集案例素材，并加以整理，撰寫各知識要點的教學案例及其相關(guān)內(nèi)容。表1給出基于人工智能知識體系的教學案例示例。

下面分別從基礎(chǔ)知識點案例、綜合應用案例和創(chuàng)新性實驗案例3種類型進行討論。

（一）基礎(chǔ)知識點案例

以遺傳算法實驗案例為例，遺傳算法被廣泛應用于組合優(yōu)化、機器學習、智能控制、模式識別等領(lǐng)域，是人工智能課程的主要內(nèi)容之一。采用課件PPT和演示程序，由簡單到復雜，在學生掌握遺傳算法的基本原理和流程之后，再講解運用基本遺傳算法求解函數(shù)極值問題實驗案例，引導學生學習理解遺傳算法的核心思想及其應用方法。從國內(nèi)外教材[3]中整理和設(shè)計該案例，同時應包括以下內(nèi)容。

章節(jié)：群智能算法。

知識點：遺傳算法。

案例名稱：基于遺傳算法的函數(shù)極值問題。

案例內(nèi)容：利用遺傳算法求解函數(shù)極大值f（x）=x*sin（10*x）+2.0x∈[-1，2]。

案例分析過程：①設(shè)置基本參數(shù);②基本遺傳算法-選擇復制;③基本遺傳算法-交叉;④基本遺傳算法-變異;⑤迭代100次后結(jié)束。

案例教學手段：利用遺傳算法求解函數(shù)極大值程序演示（如圖1所示）。

（二）綜合應用案例

以搜索技術(shù)中寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索和A*算法搜索等方法解決八數(shù)碼問題為例，進行八數(shù)碼問題綜合知識點案例的設(shè)計，該案例包括以下內(nèi)容。

章節(jié)：搜索策略。

知識點：寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索和A*算法搜索。

案例名稱：基于各類搜索算法的八數(shù)碼問題求解。

案例內(nèi)容：綜合應用寬度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索和A*算法搜索等方法解決八數(shù)碼問題，并分析各搜索方法的優(yōu)劣。

案例分析過程：①設(shè)置八數(shù)碼初始狀態(tài)和目標狀態(tài);②分析初始狀態(tài)和目標狀態(tài)的可達性;③用寬度優(yōu)先搜索求解;④用深度優(yōu)先搜索求解;⑤用啟發(fā)式搜索求解;⑥用啟發(fā)式搜索求解;⑦分析比較各搜索方法的結(jié)果正確性和執(zhí)行效率。

案例教學手段：八數(shù)碼問題的演示、實現(xiàn)與討論（如圖2所示）。

思考/討論內(nèi)容：啟發(fā)式函數(shù)如何影響搜索效率？任意兩個可達狀態(tài)之間最大的最少移動步驟數(shù)是多少？

（三）創(chuàng)新型實驗案例

人工智能與行業(yè)領(lǐng)域的深度融合將深入影響行業(yè)的各個方面，以人工智能的應用案例，進行深入分析，幫助學生深刻了解人工智能的創(chuàng)新性應用場景。

章節(jié)：人工智能應用。

知識點：創(chuàng)新性實驗案例。

案例名稱：活體人臉識別。

案例內(nèi)容：在應用人臉識別的場景下，如門禁系統(tǒng)、簽到系統(tǒng)、支付系統(tǒng)等，都存在進行活體人臉識別的需要，而且在移動端、PC端、嵌入式設(shè)備上都有相應的需求?；趫D像的活體人臉檢測技術(shù)是不需要人主動配合、成本低廉、安全可靠的一種方式。

案例分析過程：①首先提取圖像的紋理輪廓特征和色彩組成特征，兩類特征提取后進行組合，得到最終的圖像特征。②構(gòu)建SVM分類器，將提取出的真實人臉圖像特征作為正樣本，類別標記為+1;仿冒人臉圖像特征作為負樣本，類別標記為-1。③進行數(shù)據(jù)集選擇，收集國內(nèi)外相應數(shù)據(jù)集，與自建數(shù)據(jù)集進行融合。④進行模型訓練和工程實現(xiàn)。

案例教學手段：活體人臉識別案例分析（如圖3所示）。

三、實驗案例教學的實施

學生是案例教學的接受主體。案例教學必須考慮教學對象的實際情況，實驗案例可以采用以下三種方式進行教學實施。

（一）課前自學

自學式案例是以案例為載體，實現(xiàn)學習內(nèi)容傳遞，希望學生通過自我學習和思考，進而做出分析、判斷。比如緒論中的圖靈測試案例，學生通過瀏覽Google語音機器人電話預約訂餐和浙江大學語音機器人電話廣告推銷案例的音視頻，以及通過瀏覽清華大學九歌古詩創(chuàng)作系統(tǒng)網(wǎng)站，體會與思考這些系統(tǒng)是否滿足圖靈測試的要求。通過課前案例自學，能引導學生對將要學習的知識產(chǎn)生注意，有利于提高學生課堂學習的關(guān)注度[9]。

（二）課堂講授

案例的課堂講授，能夠幫助學生掌握抽象的知識點。案例的課堂講授可以采取正向和反向兩種形式，正向是采取“先知識點后案例”，即先講授知識點，再給出相應案例;反向是“先案例后知識點”，即先給出案例讓學生思考，然后再講授相應知識點?？梢愿鶕?jù)教學內(nèi)容的特點選擇案例的不同呈現(xiàn)方式。比如遺傳算法求取函數(shù)極值問題案例，采用后者來實施，學生通過該實驗案例，可以直觀了解編碼方式、遺傳參數(shù)、遺傳操作、求解過程，為獨立編程完成相關(guān)實驗打下良好基礎(chǔ)[10]。

（三）分組討論

美國教育學家布魯姆指出，課堂小組討論比教師單純采用講授式教學方法更能吸引學生的注意力，活躍學生的思維。一般在課程開始前就應將學生進行分組，并指定一名組長，每小組4～6人;教師將實驗案例和思考與討論的題目通過組長發(fā)給每個小組成員，要求學生以分組討論的方式提出解決方案并撰寫相應文檔和匯報PPT。在所有小組中選擇3～5個比較有特點的解決方案，以PPT匯報的形式在課堂上進行分享，每個小組的匯報時間控制在10分鐘以內(nèi)。比如搜索求解策略中的八數(shù)碼問題案例，各小組在組內(nèi)討論寬度優(yōu)先、深度優(yōu)先、A*算法的優(yōu)劣以及問題的最大的最少移動步驟數(shù)。通過小組匯報，可促進學生的競爭意識，提高學生學習的熱情。

四、結(jié)語

針對目前國內(nèi)人工智能課程教學中偏重理論、缺乏實驗案例的這一問題，本文提出了人工智能實驗案例庫的建設(shè)要求以及案例教學—實踐活動—現(xiàn)實應用有機融合的案例教學實踐新思想[11]。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基礎(chǔ)知識點案例、綜合應用案例和創(chuàng)新型實驗案例三種類型的實驗案例庫，并開展案例教學方法的應用與實踐，使學生不僅能夠掌握人工智能的相關(guān)原理與方法，而且具有應用這些原理與方法獨立分析、解決復雜問題的能力，對提高課程教學質(zhì)量、培養(yǎng)人工智能復合型人才具有十分重要的意義和參考價值[12]。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 謝榕.人工智能的國際化：多元化創(chuàng)新教學模式[J].計算機教育，2017（6）：165-170.

[4] 張家軍，靳玉樂.論案例教學的本質(zhì)與特點[J].中國教育學刊，2004（1）：48-50.

[5] 宋金玉，郝文寧，陳剛，等.案例教學方法在課程內(nèi)容建設(shè)方面的應用研究[J].計算機工程與科學，2014（S2）：250-253.

[6] 曹正文.把握案例教學的幾個關(guān)鍵點[J].太原大學教育學院學報，2008（2）：46-49.

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[10] 張小明，李舟軍.研究生人工智能課程研究性教學探索[J].計算機教育，2017（10）：71-74.

[11] 何春梅，周維，李枚毅.工程教育專業(yè)認證環(huán)境下《人工智能》課程教學改革的探討[J].教育教學論壇，2017（32）：88-89.

[12] 方明，田野，徐晶，等.人工智能課程教學實踐改革的探索與思考[J].重慶與世界（學術(shù)版），2013（10）：80-81.

[責任編輯：黃緊德]