人工智能結(jié)課論文(2)
人工智能結(jié)課論文篇二
人工智能實驗課教學(xué)改革研究
摘要：闡述目前集中式實驗教學(xué)中存在的問題，指出集中式實驗課不能充分發(fā)揮學(xué)生個性和便于學(xué)生交流知識，提出雙主體意識和沉默式教學(xué)法相結(jié)合的教學(xué)方法，開展相同實驗題目的隨便實驗教學(xué)模式和課題式開放性實驗教學(xué)延伸措施，進一步完善實驗考核評估體系，從多方面提高學(xué)生實驗課質(zhì)量和學(xué)生解決問題的能力。
關(guān)鍵詞：人工智能;實驗教學(xué);集中式實驗課
0 引言
人工智能是研究如何使計算機具有人類智能的科學(xué)，其研究一直處于信息技術(shù)的前沿，它的研究、應(yīng)用和發(fā)展在一定程度上決定著計算機技術(shù)的發(fā)展方向。人工智能課程在國內(nèi)外尤其是國外很受重視，不少發(fā)達國家已經(jīng)在中小學(xué)開設(shè)了人工智能課程，我國在這方面也開展了一部分工作。人工智能是一門綜合性很強的學(xué)科，涉及的知識范圍較廣，理論性較強，內(nèi)容抽象，理論課很難涵蓋各知識點，而且理論的枯燥性和抽象性也使得教學(xué)效果通常不太好。實驗教學(xué)是課堂內(nèi)容的具體化，是對課程知識的進一步深化和補充，人工智能實驗課是人工智能課程不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。
西北工業(yè)大學(xué)較早就開展了人工智能課程，實驗教學(xué)內(nèi)容作為課堂內(nèi)容的進一步深化和補充，已經(jīng)在該門課程的教學(xué)中起到了很大作用。學(xué)生可以從實驗中真實體驗到人工智能的價值，但是西北工業(yè)大學(xué)和其他高校一樣存在一個共同的問題：由于高校規(guī)模擴張，學(xué)生數(shù)量急劇增加，學(xué)生水平參差不齊。另外，目前高校開設(shè)的課程越來越多，西北工業(yè)大學(xué)的實驗室機房雖然擴建了很多，但還是資源緊張，實驗教學(xué)的組織方式還是以班級為單位的集中式實驗教學(xué)模式。
集中式實驗教學(xué)能夠確保與課堂教學(xué)保持同步，便于統(tǒng)一進度和統(tǒng)一管理，但這種集中式實驗教學(xué)模式不利于兼顧眾多不同層次水平學(xué)生的要求，也不能充分重視學(xué)生的個性發(fā)展。對于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，由于存在個體差異，籠統(tǒng)地對以班級為單位的學(xué)生采用相同的實驗教學(xué)進度和時數(shù)，并不能達到理想的實驗教學(xué)效果。然而，集中式實驗教學(xué)也有其有利因素，眾多學(xué)生可以在一起做實驗，將實驗室作為知識融匯的場所。如何在這樣的環(huán)境中鼓勵學(xué)生自由探索和共同創(chuàng)新，是我們需要考慮的問題。筆者主要對集中式實驗課的教學(xué)方法和手段進行探索，重點從教學(xué)方法引導(dǎo)、教學(xué)層次探索、教學(xué)內(nèi)容延伸和實驗考核體系拓展這幾個方面開展工作。
1 雙主體意識與沉默式教學(xué)法相結(jié)合的教學(xué)方法
實驗課本質(zhì)上是學(xué)生自主完成作業(yè)的一個環(huán)節(jié)，學(xué)生是主要執(zhí)行者，教師的任務(wù)是確定實驗?zāi)繕?biāo)、制訂實驗內(nèi)容、安排實驗方法和進行實驗考核。在實驗教學(xué)的整個環(huán)節(jié)中，教師是實驗的引導(dǎo)者，是決定實驗課教學(xué)質(zhì)量的主體;學(xué)生是實驗內(nèi)容的執(zhí)行者，是決定實驗課完成質(zhì)量的主體。教師和學(xué)生在實驗教學(xué)中承擔(dān)著不同方面的主體角色。
雙主體教學(xué)理念是指以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體的教學(xué)方法。教師是教的主體，學(xué)生是學(xué)的主體，兩者構(gòu)成教學(xué)相長的本質(zhì)關(guān)系。在教學(xué)中兩個主體都應(yīng)充分發(fā)揮作用并相互配合與協(xié)調(diào)。雙主體教學(xué)是新課程改革的理念和保障，在課堂教學(xué)中已經(jīng)引起人們的注意。同樣，教師和學(xué)生必須在實驗教學(xué)中明確自己的主體地位，增強主人翁意識，積極參與實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。實驗教學(xué)的雙主體性強調(diào)實驗教學(xué)過程中的“主體性協(xié)同”，教師是實驗活動的組織者，必須理解教學(xué)目標(biāo)，熟悉實驗內(nèi)容和各種實驗方法，充分利用各種教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮積極能動性，保證學(xué)生實驗的順利開展;學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體則強調(diào)在實驗教學(xué)中要尊重和弘揚學(xué)生的主體意識和主動精神，讓學(xué)生獨立主動和創(chuàng)造性地完成實驗內(nèi)容。
沉默教學(xué)法由凱萊布·加特諾創(chuàng)建于20世紀60年代，成熟于20世紀70年代。在沉默式教學(xué)法中，學(xué)習(xí)者不只是單純地記憶和重復(fù)學(xué)習(xí)材料，而是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新知識。目前，實驗教學(xué)中使用的多是較傳統(tǒng)的教學(xué)方法，教師設(shè)計好實驗內(nèi)容、步驟和注意事項，讓學(xué)生按要求完成任務(wù)。這是一種重結(jié)論、輕過程的方法，其結(jié)果只會使學(xué)生知其然而不知其所以然，制約學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)中沉默教學(xué)法的真正含義是指實驗教師盡量少做實際的指導(dǎo)，令學(xué)生在實驗過程中盡量多動手、多思考，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，幫助學(xué)生更快、更有效地具備運用所學(xué)知識的能力。沉默教學(xué)法在整個實驗教學(xué)中強調(diào)學(xué)是首位，教從屬于學(xué)，教師處于第二位，教師的任務(wù)主要是考慮如何啟發(fā)學(xué)生思考。實驗不僅是積累知識的手段，還是進一步培養(yǎng)熟練運用所學(xué)知識能力的手段，以便學(xué)習(xí)者在相同的時間內(nèi)學(xué)得更快，學(xué)到更多的知識。學(xué)生依靠自己并對自己的學(xué)習(xí)承擔(dān)責(zé)任，而教師只是把學(xué)生培養(yǎng)成為有能力的學(xué)習(xí)者。
沉默式實驗教學(xué)不僅有助于學(xué)生真正理解和掌握實驗中用到的理論，而且提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識，但它的主要缺點是對教師的主導(dǎo)作用有所忽視，另外教師不做過多指導(dǎo)可能使學(xué)生對一些錯誤發(fā)現(xiàn)得較慢甚至沒有發(fā)現(xiàn)，影響學(xué)生掌握知識的準確性。我們嘗試將沉默式教學(xué)法引入雙主體式教學(xué)理念，仍然強調(diào)教師教的主導(dǎo)角色和學(xué)生學(xué)的主體角色，但在一些環(huán)節(jié)上采用沉默式教學(xué)法。主要措施包括：(1)提出實驗內(nèi)容和實驗要求，但是在實驗方法和步驟方面給學(xué)生一定的自由度，讓學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識思考該如何解決問題，按照自己的思路動手做實驗，即使方法錯誤也可以從中有所收獲;(2)在實驗指導(dǎo)方面，不要過多地給學(xué)生強調(diào)實驗要點，也不要展示太多的已有成果，而是讓學(xué)生在所學(xué)知識的基礎(chǔ)上動手做實驗，高年級本科生已經(jīng)具備一定的編程能力，具有自己搜集資料的能力，可以在實踐中進行原始性的創(chuàng)新;(3)在實驗結(jié)果判斷方面，先讓學(xué)生自己總結(jié)和判定，這個過程也是學(xué)生對自己掌握知識進行梳理的一個過程，然后教師提出自己的觀點，在與學(xué)生討論的過程中共同做出實驗結(jié)果鑒定。
例如，在遺傳算法的實驗教學(xué)中，由于遺傳算法本身比較復(fù)雜，算法思想在實際問題中的應(yīng)用也比較抽象，因此學(xué)生做這個實驗有一定挑戰(zhàn)，教師在實驗前要給學(xué)生提供一定的實驗指導(dǎo)，讓學(xué)生首先能找到動手做實驗的思路。同時，由于這個算法在具體問題中的實現(xiàn)有很大靈活性，教師應(yīng)該采取放手讓學(xué)生做的策略，讓學(xué)生根據(jù)自己對進化的理解和對問題的分析，自行設(shè)定具體問題中的進化策略，觀察用遺傳算法進化求鰓的結(jié)果，最后分析結(jié)果好壞的原因。我們在實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的潛力是無窮的，他們針對選擇、交叉和變異使用各種方法，有的從基因片段的角度分析考慮，有的還從現(xiàn)實中動物滅絕的原因進行分析并在選擇操作中殺死部分優(yōu)秀個體。在這樣的實驗?zāi)Ｊ较?，學(xué)生不僅能完全理解遺傳算法這個原理，還能掌握其在具體問題中的應(yīng)用，同時整個實驗過程可以發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，實驗效果很好。 2 開展相同實驗題目的隨便實驗教學(xué)模式
目前大多數(shù)學(xué)校的實驗教學(xué)組織方式多是以班級為單位進行集中式教學(xué)，這種模式不利于充分發(fā)現(xiàn)學(xué)生的個性差異。對于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，籠統(tǒng)地對以班級為單位的學(xué)生采用相同的實驗教學(xué)進度和時數(shù)，并不能達到理想的實驗教學(xué)效果。雖然許多實驗內(nèi)容設(shè)置為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗3個層次，表面上看已體現(xiàn)了分層次教學(xué)，但實際上常常不能真正落到實處。究其原因，一方面實驗內(nèi)容設(shè)置還不夠合理，綜合性實驗與設(shè)計性實驗區(qū)分不明顯;另一方面部分學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識掌握不扎實，難以真正完成綜合性實驗和設(shè)計性實驗。
考慮到學(xué)生能力和潛力各不相同，各學(xué)生對于同一個實驗題目可進行不同程度的發(fā)揮，我們將實驗要求定得太簡單可能會失去實驗意義和價值，定得太難又會讓部分學(xué)生望而生畏，不敢動手;因此我們開展相同實驗題目的隨便實驗教學(xué)模式，制訂統(tǒng)一的實驗大綱，但是設(shè)定具有很大發(fā)揮空間的實驗題目，讓學(xué)生可以在完成一部分內(nèi)容后自然想到下一步更高的目標(biāo)，在動手實踐中不斷探索并不斷提高自己的目標(biāo)。
這種模式有利于教師統(tǒng)一進度和統(tǒng)一管理，不對實驗內(nèi)容進行明顯的分層次選擇，以便不同層次的學(xué)生都有熱情參與，最后根據(jù)學(xué)生的最終結(jié)果進行考評。這種模式是一種鼓勵式教學(xué)。例如，對于產(chǎn)生式系統(tǒng)推理這部分內(nèi)容，我們讓學(xué)生以動物識別系統(tǒng)為例，用選定的編程語言建造規(guī)則庫和綜合數(shù)據(jù)庫，開發(fā)能進行正確的正向推理或反向推理的推理機。在這個實驗中，我們?yōu)閷W(xué)生提供多種動物識別系統(tǒng)案例，每個案例的復(fù)雜程度不一，我們對這些案例不做過多分析，讓學(xué)生自行選擇。結(jié)果就是能力差的學(xué)生選擇簡單的案例，能力強的學(xué)生可以完成較難的案例推理，通過較難的案例挑戰(zhàn)自己，提高動手能力，但是每個學(xué)生都能完成產(chǎn)生式系統(tǒng)推理實驗。
3 開展課題式開放性實驗教學(xué)延伸
現(xiàn)在的大學(xué)生知識面較廣，隨著計算機的普及和網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的深入，學(xué)生對新知識、新概念比較感興趣，不僅渴望學(xué)到書本知識，而且對科技創(chuàng)新更有熱情。目前，人工智能實驗課只是單純地讓學(xué)生知道實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒炇侄魏蛯嶒灲Y(jié)果，學(xué)生對于應(yīng)用背景也多是從書本上和課堂上了解。如果能將實驗課內(nèi)容和一些科研課題相結(jié)合，讓學(xué)生從人手開始就明白自己所做實驗的意義，這樣更有利于調(diào)動積極性。教學(xué)和科研相結(jié)合，實驗教學(xué)和科研課題相結(jié)合是實驗教學(xué)不斷革新的一個源頭。
西北工業(yè)大學(xué)有著較強的科研實力，作為教師我們應(yīng)該充分利用實驗資源和學(xué)校的科研資源，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮教師的科研能力。課題式實驗教學(xué)模式主要由教師根據(jù)某科研課題提取實驗內(nèi)容，給出實驗課題名稱，然后由學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好和專業(yè)知識自行選擇課題，構(gòu)成課題實驗群(或個體)，最后在教師的指導(dǎo)和管理下，學(xué)生在實驗課堂或課后完成實驗內(nèi)容。在這種課題式實驗方式下，學(xué)生所做的實驗內(nèi)容直接與某一課題相聯(lián)系，學(xué)生頭腦中不再是抽象的理論和實驗方法，而是與具體實際應(yīng)用緊密相關(guān)的問題解決方法，是理論知識和實際應(yīng)用相結(jié)合的完整知識體系。課題式開放性實驗是一種方向明確、理論與實際緊密聯(lián)系的綜合實驗系統(tǒng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新意識以及團隊協(xié)作精神。
這種實驗不再采取以班級為單位的集中式教學(xué)，而是以課題為單位，可以讓學(xué)生集中在一個實驗室并統(tǒng)一管理，也可以允許學(xué)生自行選擇實驗場所。課題式實驗可以選修實驗的形式供學(xué)生選擇，旨在拓寬實驗教學(xué)內(nèi)容，讓水平較高的學(xué)生有更多的發(fā)揮空間。‘課題式實驗教學(xué)內(nèi)容由項目組成員、課程任課教師和其他相關(guān)科研課題負責(zé)人共同討論確定。例如，機器人路徑規(guī)劃實驗是我們提供給學(xué)生的一個課題式選修實驗內(nèi)容，選自西北工業(yè)大學(xué)機器人足球競賽項目，學(xué)生都比較感興趣。我們首先讓學(xué)生初步了解機器人足球項目，然后提出其中的路徑規(guī)劃問題，要求學(xué)生設(shè)計機器人路徑規(guī)劃方法，使得機器人能夠找到一條從出發(fā)點到目的點的可行路徑并避開其中的障礙物。這是一個很典型的應(yīng)用人工智能算法的實際問題。如果用柵格法建模，便可以用圖搜索算法如A*算法進行求解，這樣就將傳統(tǒng)的人工智能理論應(yīng)用在現(xiàn)實問題中。對于這個題目，學(xué)生可以選擇單獨完成，也可以和同學(xué)組合完成，感興趣的學(xué)生還可以報名參加競賽項目組，進行更進一步的開發(fā)。
4 完善實驗考核評估體系
實驗結(jié)果考核是實驗教學(xué)的一個重要方面，如何對學(xué)生的實驗內(nèi)容進行合理考核是衡量實驗教學(xué)者對學(xué)生引導(dǎo)水平高低的有效手段。計算機程序設(shè)計類課程的許多內(nèi)容往往通過設(shè)計成果進行考核，但有些成果成績不優(yōu)的設(shè)計也會存在一定的閃光點。一個完善的實驗課考核評估體系不僅要考核學(xué)生的實踐動手能力，同時還要考查學(xué)生分析解決問題的能力和匯報工作的能力，主要從學(xué)生解決問題的思路、編程能力、對自己實驗工作的總結(jié)能力等幾個方面進行綜合考查。
我們采取的實驗考核體系分為課堂出勤、程序內(nèi)容、回答問題和實驗報告4部分，在實驗總成績中各占一定比例，實驗考核評分比例見表1。我們對每個實驗題目分別從這4個方面進行考核，實驗總成績?yōu)樗袑嶒烆}目的平均成績。
我們會在實驗課中配備一定數(shù)量的研究生助教，在課前對研究生進行實驗內(nèi)容培訓(xùn)。每個學(xué)生在課堂上完成實驗題目后讓研究生助教檢查，演示實驗程序結(jié)果并作講解，然后研究生助教就相關(guān)問題提問，當(dāng)堂給出程序演示和課堂提問成績。課后學(xué)生需要提交實驗報告，然后由研究生助教給出實驗報告的成績。這3部分成績構(gòu)成該實驗課程的最終總成績。課堂檢查這個環(huán)節(jié)對調(diào)動學(xué)生積極性起到很大作用，首先從一定程度上減少了作業(yè)抄襲現(xiàn)象;其次在提問過程中教師可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗中的一些問題，促進學(xué)生不斷改進;第三，對于能力較差的學(xué)生，他們確實會有完成不了的題目，課堂檢查這個環(huán)節(jié)使得他們即使抄襲別人的東西，但也理解了實驗內(nèi)容，在一定程度上提高了能力。
通過幾年的實驗教學(xué)積累和對比，我們認為實驗課課堂檢查是很有意義的一個環(huán)節(jié)，既能調(diào)動所有學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時又能達到正確給出考核成績的目的。
5 結(jié)語
實驗課是高校教學(xué)工作的一個重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)改革是教學(xué)改革工作中不可忽視的一個重要環(huán)節(jié)。筆者根據(jù)多年實驗教學(xué)經(jīng)驗提出了適合高校集中式實驗課的一些教學(xué)方法改革措施，并在西北工業(yè)大學(xué)的人工智能實驗課中進行嘗試，其中很多措施已經(jīng)取得了不錯的教學(xué)效果?，F(xiàn)在課程教學(xué)理論、教學(xué)方法和新技術(shù)不斷更新，學(xué)生知識面越來越寬，思維越來越活躍，實驗課教學(xué)中不斷涌現(xiàn)出新的問題，實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革是一個需要我們不斷探索的問題。
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