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改革研究
摘要：闡述目前集中式實驗教學中存在的問題，指出集中式實驗課不能充分發(fā)揮學生個性和便于學生交流知識，提出雙主體意識和沉默式教學法相結(jié)合的教學方法，開展相同實驗題目的隨便實驗教學模式和課題式開放性實驗教學延伸措施，進一步完善實驗考核評估體系，從多方面提高學生實驗課質(zhì)量和學生解決問題的能力。
關鍵詞：人工智能;實驗教學;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，其研究一直處于信息技術(shù)的前沿，它的研究、應用和發(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)在中小學開設了人工智能課程，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效果通常不太好。實驗教學是課堂內(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)大學較早就開展了人工智能課程，實驗教學內(nèi)容作為課堂內(nèi)容的進一步深化和補充，已經(jīng)在該門課程的教學中起到了很大作用。學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，學生數(shù)量急劇增加，學生水平參差不齊。另外，目前高校開設的課程越來越多，西北工業(yè)大學的實驗室機房雖然擴建了很多，但還是資源緊張，實驗教學的組織方式還是以班級為單位的集中式實驗教學模式。
集中式實驗教學能夠確保與課堂教學保持同步，便于統(tǒng)一進度和統(tǒng)一管理，但這種集中式實驗教學模式不利于兼顧眾多不同層次水平學生的要求，也不能充分重視學生的個性發(fā)展。對于學生實踐能力的培養(yǎng)，由于存在個體差異，籠統(tǒng)地對以班級為單位的學生采用相同的實驗教學進度和時數(shù)，并不能達到理想的實驗教學效果。然而，集中式實驗教學也有其有利因素，眾多學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方法和手段進行探索，重點從教學方法引導、教學層次探索、教學內(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法相結(jié)合的教學方法
實驗課本質(zhì)上是學生自主完成作業(yè)的一個環(huán)節(jié)，學生是主要執(zhí)行者，教師的任務是確定實驗目標、制訂實驗內(nèi)容、安排實驗方法和進行實驗考核。在實驗教學的整個環(huán)節(jié)中，教師是實驗的引導者，是決定實驗課教學質(zhì)量的主體;學生是實驗內(nèi)容的執(zhí)行者，是決定實驗課完成質(zhì)量的主體。教師和學生在實驗教學中承擔著不同方面的主體角色。
雙主體教學理念是指以教師為主導，以學生為主體的教學方法。教師是教的主體，學生是學的主體，兩者構(gòu)成教學相長的本質(zhì)關系。在教學中兩個主體都應充分發(fā)揮作用并相互配合與協(xié)調(diào)。雙主體教學是新課程改革的理念和保障，在課堂教學中已經(jīng)引起人們的注意。同樣，教師和學生必須在實驗教學中明確自己的主體地位，增強主人翁意識，積極參與實驗教學的各個環(huán)節(jié)。實驗教學的雙主體性強調(diào)實驗教學過程中的“主體性協(xié)同”，教師是實驗活動的組織者，必須理解教學目標，熟悉實驗內(nèi)容和各種實驗方法，充分利用各種教學資源，引導學生發(fā)揮積極能動性，保證學生實驗的順利開展;學生是學習的主體則強調(diào)在實驗教學中要尊重和弘揚學生的主體意識和主動精神，讓學生獨立主動和創(chuàng)造性地完成實驗內(nèi)容。
沉默教學法由凱萊布·加特諾創(chuàng)建于20世紀60年代，成熟于20世紀70年代。在沉默式教學法中，學習者不只是單純地記憶和重復學習材料，而是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新知識。目前，實驗教學中使用的多是較傳統(tǒng)的教學方法，教師設計好實驗內(nèi)容、步驟和注意事項，讓學生按要求完成任務。這是一種重結(jié)論、輕過程的方法，其結(jié)果只會使學生知其然而不知其所以然，制約學生的想象力和創(chuàng)新能力，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。實驗教學中沉默教學法的真正含義是指實驗教師盡量少做實際的指導，令學生在實驗過程中盡量多動手、多思考，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，幫助學生更快、更有效地具備運用所學知識的能力。沉默教學法在整個實驗教學中強調(diào)學是首位，教從屬于學，教師處于第二位，教師的任務主要是考慮如何啟發(fā)學生思考。實驗不僅是積累知識的手段，還是進一步培養(yǎng)熟練運用所學知識能力的手段，以便學習者在相同的時間內(nèi)學得更快，學到更多的知識。學生依靠自己并對自己的學習承擔責任，而教師只是把學生培養(yǎng)成為有能力的學習者。
沉默式實驗教學不僅有助于學生真正理解和掌握實驗中用到的理論，而且提高了學生分析問題和解決問題的能力，有利于提高學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識，但它的主要缺點是對教師的主導作用有所忽視，另外教師不做過多指導可能使學生對一些錯誤發(fā)現(xiàn)得較慢甚至沒有發(fā)現(xiàn)，影響學生掌握知識的準確性。我們嘗試將沉默式教學法引入雙主體式教學理念，仍然強調(diào)教師教的主導角色和學生學的主體角色，但在一些環(huán)節(jié)上采用沉默式教學法。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生一定的自由度，讓學生根據(jù)自己所學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)在實驗指導方面，不要過多地給學生強調(diào)實驗要點，也不要展示太多的已有成果，而是讓學生在所學知識的基礎上動手做實驗，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，先讓學生自己總結(jié)和判定，這個過程也是學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中，由于遺傳算法本身比較復雜，算法思想在實際問題中的應用也比較抽象，因此學生做這個實驗有一定挑戰(zhàn)，教師在實驗前要給學生提供一定的實驗指導，讓學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，教師應該采取放手讓學生做的策略，讓學生根據(jù)自己對進化的理解和對問題的分析，自行設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。我們在實驗教學中發(fā)現(xiàn)，學生的潛力是無窮的，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。在這樣的實驗模式下，學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用，同時整個實驗過程可以發(fā)揮學生的想象力和創(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模式
目前大多數(shù)學校的實驗教學組織方式多是以班級為單位進行集中式教學，這種模式不利于充分發(fā)現(xiàn)學生的個性差異。對于學生實踐能力的培養(yǎng)，籠統(tǒng)地對以班級為單位的學生采用相同的實驗教學進度和時數(shù)，并不能達到理想的實驗教學效果。雖然許多實驗內(nèi)容設置為基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗3個層次，表面上看已體現(xiàn)了分層次教學，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)容設置還不夠合理，綜合性實驗與設計性實驗區(qū)分不明顯;另一方面部分學生的理論基礎知識掌握不扎實，難以真正完成綜合性實驗和設計性實驗。
考慮到學生能力和潛力各不相同，各學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模式，制訂統(tǒng)一的實驗大綱，但是設定具有很大發(fā)揮空間的實驗題目，讓學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，在動手實踐中不斷探索并不斷提高自己的目標。
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，以便不同層次的學生都有熱情參與，最后根據(jù)學生的最終結(jié)果進行考評。這種模式是一種鼓勵式教學。例如，對于產(chǎn)生式系統(tǒng)推理這部分內(nèi)容，我們讓學生以動物識別系統(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生提供多種動物識別系統(tǒng)案例，每個案例的復雜程度不一，我們對這些案例不做過多分析，讓學生自行選擇。結(jié)果就是能力差的學生選擇簡單的案例，能力強的學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延伸
現(xiàn)在的大學生知識面較廣，隨著計算機的普及和網(wǎng)絡在人們生活中的深入，學生對新知識、新概念比較感興趣，不僅渴望學到書本知識，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生知道實驗原理、實驗目的、實驗手段和實驗結(jié)果，學生對于應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。教學和科研相結(jié)合，實驗教學和科研課題相結(jié)合是實驗教學不斷革新的一個源頭。
西北工業(yè)大學有著較強的科研實力，作為教師我們應該充分利用實驗資源和學校的科研資源，調(diào)動學生的學習積極性，發(fā)揮教師的科研能力。課題式實驗教學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)，最后在教師的指導和管理下，學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，學生所做的實驗內(nèi)容直接與某一課題相聯(lián)系，學生頭腦中不再是抽象的理論和實驗方法，而是與具體實際應用緊密相關的問題解決方法，是理論知識和實際應用相結(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，而是以課題為單位，可以讓學生集中在一個實驗室并統(tǒng)一管理，也可以允許學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生選擇，旨在拓寬實驗教學內(nèi)容，讓水平較高的學生有更多的發(fā)揮空間。‘課題式實驗教學內(nèi)容由項目組成員、課程任課教師和其他相關科研課題負責人共同討論確定。例如，機器人路徑規(guī)劃實驗是我們提供給學生的一個課題式選修實驗內(nèi)容，選自西北工業(yè)大學機器人足球競賽項目，學生都比較感興趣。我們首先讓學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，要求學生設計機器人路徑規(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)的人工智能理論應用在現(xiàn)實問題中。對于這個題目，學生可以選擇單獨完成，也可以和同學組合完成，感興趣的學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)果考核是實驗教學的一個重要方面，如何對學生的實驗內(nèi)容進行合理考核是衡量實驗教學者對學生引導水平高低的有效手段。計算機程序設計類課程的許多內(nèi)容往往通過設計成果進行考核，但有些成果成績不優(yōu)的設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生的實踐動手能力，同時還要考查學生分析解決問題的能力和匯報工作的能力，主要從學生解決問題的思路、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。每個學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問題提問，當堂給出程序演示和課堂提問成績。課后學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)學生實驗中的一些問題，促進學生不斷改進;第三，對于能力較差的學生，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)動所有學生的學習積極性，同時又能達到正確給出考核成績的目的。
5 結(jié)語
實驗課是高校教學工作的一個重要環(huán)節(jié)，實驗教學改革是教學改革工作中不可忽視的一個重要環(huán)節(jié)。筆者根據(jù)多年實驗教學經(jīng)驗提出了適合高校集中式實驗課的一些教學方法改革措施，并在西北工業(yè)大學的人工智能實驗課中進行嘗試，其中很多措施已經(jīng)取得了不錯的教學效果?，F(xiàn)在課程教學理論、教學方法和新技術(shù)不斷更新，學生知識面越來越寬，思維越來越活躍，實驗課教學中不斷涌現(xiàn)出新的問題，實驗教學內(nèi)容和教學方法改革是一個需要我們不斷探索的問題。
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