高等教育的人工智能類課程包括深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等前沿課程，課程內(nèi)容涉及智能算法、復(fù)雜理論及技術(shù)應(yīng)用，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，傳統(tǒng)理論式教學(xué)顯然是不適用的，以實(shí)踐為主題的教學(xué)模式值得探索。目前已有教育工作者對(duì)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、線上線下混合式教學(xué)等模式進(jìn)行了研究，尋求理論與實(shí)踐相結(jié)合的最佳教學(xué)方式，研究發(fā)現(xiàn)，增設(shè)實(shí)踐教學(xué)是提升人工智能類課程教學(xué)成效的關(guān)鍵。

目前以百度飛槳等為代表的開源產(chǎn)業(yè)級(jí)AI（Artificial Intelligence）平臺(tái)為實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量提升提供了新路徑。百度飛槳等逐步形成賦能類型的智能生態(tài)平臺(tái)，已有少許學(xué)者提出了以平臺(tái)為載體的混合式教學(xué)模式，證明了AI平臺(tái)助力實(shí)踐教學(xué)的可行性。探索AI平臺(tái)項(xiàng)目式教學(xué)與自主協(xié)作學(xué)習(xí)模式的有機(jī)融合，旨在尋求更好地服務(wù)于自主創(chuàng)新型工程應(yīng)用人才培養(yǎng)的教學(xué)模式。

項(xiàng)目式教學(xué)中融入自主協(xié)作學(xué)習(xí)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生實(shí)踐與自主創(chuàng)新能力的同步培養(yǎng)，讓學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考、質(zhì)疑、互動(dòng)、合作等方法實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，因此，充分利用AI平臺(tái)與傳統(tǒng)課堂的有效互補(bǔ)，探究“教師指導(dǎo)、項(xiàng)目實(shí)踐、自主協(xié)作學(xué)習(xí)”有機(jī)融合的教學(xué)方案，開展自主、協(xié)作等多種學(xué)習(xí)方式的課程實(shí)踐，能夠很好地匹配人工智能類課程對(duì)學(xué)生自主實(shí)踐能力培養(yǎng)需求。

01

人工智能類課程的特點(diǎn)與教學(xué)需求分析

1.“理論+應(yīng)用+軟件工具”多方面學(xué)習(xí)的課程特點(diǎn)

人工智能類課程多學(xué)科交叉和工程應(yīng)用型特點(diǎn)是非常明顯的，涵蓋數(shù)學(xué)模型理論、模型應(yīng)用等內(nèi)容，課程學(xué)習(xí)涉及理論、應(yīng)用、軟件工具等多方面知識(shí)框架（如圖1所示）。

模型、算法是課程中必須學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科，大量數(shù)學(xué)公式、算法邏輯復(fù)雜抽象，傳統(tǒng)理論式教學(xué)局限于模型概念、推導(dǎo)，教學(xué)內(nèi)容單調(diào)且枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。在應(yīng)用方面，人工智能算法已廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別、認(rèn)知、預(yù)測(cè)等技術(shù)上，涉及機(jī)器人、交通、醫(yī)療、金融、能源等行業(yè)領(lǐng)域，面向每一項(xiàng)工程應(yīng)用，專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)是必不可少的。軟件工具是項(xiàng)目實(shí)踐的重要基座，如深度學(xué)習(xí)課程中，深度學(xué)習(xí)模型框架雨后春筍般出現(xiàn)，如PyTorch、百度飛槳，在已有成熟框架下開展模型研究，對(duì)課程學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)會(huì)起到事半功倍的效果，因此，已有成熟框架的應(yīng)用與代碼實(shí)現(xiàn)也是這類課程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一。

2. 項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)與自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求分析

人工智能類課程旨在讓學(xué)生能夠把數(shù)學(xué)建模靈活應(yīng)用到智能技術(shù)實(shí)際任務(wù)中。沒(méi)有明確的應(yīng)用目標(biāo)，課程學(xué)習(xí)就是一個(gè)“泛而雜且枯燥”的問(wèn)題，難以把理論知識(shí)聯(lián)系到實(shí)際，因此，項(xiàng)目式教學(xué)可起到關(guān)鍵作用，是連接理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的重要橋梁，也是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的有效方式。在項(xiàng)目實(shí)踐引導(dǎo)下開展理論與軟件工具的同步學(xué)習(xí)，學(xué)生才能更好地理解與掌握人工智能技術(shù)的核心原理和技能，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化。

學(xué)生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)也有了更高要求，實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新思維和問(wèn)題解決能力，使他們能夠面對(duì)日益復(fù)雜和多變的挑戰(zhàn)，并對(duì)科技發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。數(shù)字化工具和平臺(tái)的不斷推陳出新，可以為實(shí)踐和自主創(chuàng)新型人才教育提供便捷的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供更多元化的學(xué)習(xí)與探索空間，直接有效地培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

02

開源AI平臺(tái)支撐項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)較成熟的開源AI平臺(tái)有百度飛槳等，開放資源涵蓋數(shù)據(jù)、多種類應(yīng)用案例、建模環(huán)境，能夠幫助學(xué)習(xí)者快速開發(fā)在線模型。以百度飛槳AI Studio平臺(tái)為例，具有在線建模、編寫代碼、運(yùn)行調(diào)試功能，最大限度地解決了建模需要環(huán)境配置的煩惱，同時(shí)集成了大量數(shù)據(jù)集、經(jīng)典樣例項(xiàng)目。平臺(tái)具備開設(shè)線上課堂、發(fā)布項(xiàng)目、布置作業(yè)、評(píng)分等功能，在支撐應(yīng)用案例式教學(xué)的同時(shí)，也支撐在線項(xiàng)目開發(fā)模塊。學(xué)生可直接進(jìn)入模塊啟動(dòng)編程環(huán)境，在線完成項(xiàng)目的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、建模、運(yùn)行調(diào)試、結(jié)果分析、提交等，支撐項(xiàng)目開發(fā)全過(guò)程一站式實(shí)現(xiàn)。

03

“教師指導(dǎo)、項(xiàng)目實(shí)踐、自主協(xié)作學(xué)習(xí)”有機(jī)融合的教學(xué)方案

“教師指導(dǎo)、項(xiàng)目實(shí)踐、自主協(xié)作學(xué)習(xí)”有機(jī)融合的教學(xué)方案能夠從學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)解決如何兼顧理論學(xué)習(xí)與實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的自主協(xié)作能力，踐行自主創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。開源AI平臺(tái)能夠?yàn)轫?xiàng)目實(shí)踐教學(xué)提供重要載體，在減少傳統(tǒng)理論教學(xué)的同時(shí)，增加AI平臺(tái)上的項(xiàng)目開發(fā)實(shí)驗(yàn)，采取小組式實(shí)踐模式，增設(shè)課內(nèi)互動(dòng)、協(xié)作展示，以此實(shí)現(xiàn)“教師指導(dǎo)、項(xiàng)目實(shí)踐、自主協(xié)作學(xué)習(xí)”的有機(jī)融合。

1. 開源AI平臺(tái)支撐下的項(xiàng)目式自主協(xié)作教學(xué)模式

采用理論課堂與AI平臺(tái)相結(jié)合的授課方式，以“課前預(yù)習(xí)→教師講解→項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)→學(xué)生分組討論→課后大作業(yè)”為主線（如圖2所示）。為實(shí)現(xiàn)“學(xué)生自主開發(fā)、協(xié)作交流”學(xué)習(xí)模式下的項(xiàng)目式教學(xué)，在理論課堂教師講解的基礎(chǔ)上，同步設(shè)立“項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂”和“學(xué)生分組討論學(xué)習(xí)模式”，劃定自主學(xué)習(xí)空間和協(xié)作空間。將AI平臺(tái)為載體的課堂命名為“項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂”，在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂，讓學(xué)生前期自主進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，中后期設(shè)立學(xué)生分組，自主學(xué)習(xí)與協(xié)作相輔相成，使課程學(xué)習(xí)更具靈活性，同時(shí)也能夠通過(guò)互相補(bǔ)充的方式，輔助學(xué)生順利實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜模型的實(shí)踐應(yīng)用。在課程的開始和結(jié)束分別設(shè)置課前預(yù)習(xí)和課后大作業(yè)環(huán)節(jié)，均須在AI平臺(tái)上完成。課前預(yù)習(xí)的設(shè)置主要是為了讓學(xué)生在開課前對(duì)本課程所涉及的理論應(yīng)用、軟件工具、編程語(yǔ)言等有一個(gè)初步認(rèn)知。課后大作業(yè)與項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的案例形式一致，學(xué)生須以組隊(duì)式編程的方式完成項(xiàng)目開發(fā)，教師可按照完成進(jìn)度進(jìn)行評(píng)分。

2. 多方向可選擇的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

根據(jù)課程內(nèi)容和不同科研方向，設(shè)計(jì)層次化、區(qū)別化的實(shí)驗(yàn)題目，引入多方向的應(yīng)用案例庫(kù)，學(xué)生可根據(jù)自己的需求，在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有選擇地進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，這種可選擇的方式更有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性。

與理論課堂相結(jié)合，根據(jù)講解進(jìn)度，穿插安排不同模型的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。教師在AI平臺(tái)上發(fā)布項(xiàng)目題目，以AI平臺(tái)社區(qū)中的案例資源為主，設(shè)置不同難度等級(jí)的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)及示例代碼。學(xué)生根據(jù)發(fā)布的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，選擇適合自己的等級(jí)與題目，進(jìn)行模仿、自主開發(fā)。一個(gè)完整項(xiàng)目的開發(fā)，要在AI平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型構(gòu)建、運(yùn)行調(diào)試、結(jié)果分析等過(guò)程，學(xué)生可在連續(xù)2~3次項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課程中完成一個(gè)完整項(xiàng)目的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)中后期，學(xué)生通過(guò)小組協(xié)作、互相交流，解決疑難問(wèn)題，完成項(xiàng)目的開發(fā)，得到預(yù)期結(jié)果。實(shí)驗(yàn)完成后，分小組進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的展示。

04

深度學(xué)習(xí)課程教學(xué)實(shí)踐

1. 項(xiàng)目式自主協(xié)作模式教學(xué)實(shí)踐

以百度飛槳為載體，開展深度學(xué)習(xí)課程項(xiàng)目式自主協(xié)作模式教學(xué)實(shí)踐。課程安排理論課堂20課時(shí)，項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂12課時(shí)。課題組在百度飛槳平臺(tái)上開設(shè)線上課堂，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間在線注冊(cè)、課程報(bào)名進(jìn)入線上課堂。理論課堂針對(duì)一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)4種典型模型進(jìn)行講解；項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂則針對(duì)容易上手的一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3種模型，設(shè)計(jì)初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)3個(gè)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（1）課前預(yù)習(xí)。在AI平臺(tái)線上課堂發(fā)布課前預(yù)習(xí)內(nèi)容和自評(píng)測(cè)試題，以視頻、文本等資料呈現(xiàn)，課程開始之前，學(xué)生在AI平臺(tái)上完成預(yù)習(xí)作業(yè)，提交后完成自評(píng)測(cè)試。

（2）理論課堂（20課時(shí)）。針對(duì)深度學(xué)習(xí)概述、框架及不同模型算法進(jìn)行講解，涉及模型基本原理、應(yīng)用案例、重難點(diǎn)等。

（3）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂（AI平臺(tái)為載體，12課時(shí)）。每個(gè)模型在理論課堂講解后，組織相應(yīng)的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂4課時(shí)。教師在AI平臺(tái)上發(fā)布項(xiàng)目題目，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入線上課堂完成項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。每一個(gè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)4課時(shí)，前2個(gè)課時(shí)進(jìn)行自主開發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成，后2個(gè)課時(shí)進(jìn)行分組協(xié)作。（4）學(xué)生分組協(xié)作，與項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂同步。學(xué)生3~5人自由組隊(duì)，將自己項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中尚未解決的問(wèn)題、遇到的難點(diǎn)疑問(wèn)等通過(guò)小組協(xié)作解決。針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，在最后1課時(shí)，安排1~2組進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)完成情況的展示與講解，在協(xié)作過(guò)程中深入理解模型的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)細(xì)節(jié)。

（5）課后大作業(yè)（綜合應(yīng)用）。將原有的試卷考試轉(zhuǎn)為課后大作業(yè)的考核，以項(xiàng)目開發(fā)題目呈現(xiàn)。學(xué)生在線上課堂進(jìn)入作業(yè)模塊，在線編寫程序，完成數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備、模型構(gòu)建、訓(xùn)練調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果，并提交項(xiàng)目報(bào)告，深度激發(fā)學(xué)生算法學(xué)習(xí)與實(shí)踐問(wèn)題對(duì)接的綜合應(yīng)用潛力。最終在AI平臺(tái)上對(duì)每個(gè)學(xué)生的大作業(yè)完成情況進(jìn)行評(píng)分，最終在AI平臺(tái)上對(duì)每個(gè)學(xué)生的大作業(yè)完成情況進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分依據(jù)包括項(xiàng)目報(bào)告的完成程度、代碼測(cè)試效果，以及作業(yè)是否具有一定的創(chuàng)新或改進(jìn)等。

2. 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)目前深度學(xué)習(xí)模型的主要應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)特征識(shí)別、分類問(wèn)題、預(yù)測(cè)問(wèn)題、機(jī)器人4個(gè)基礎(chǔ)方向上的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)題目，具體項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)題目及主要內(nèi)容見表1。

①特征識(shí)別類設(shè)計(jì)動(dòng)物識(shí)別、手寫數(shù)字識(shí)別、文字識(shí)別、車牌識(shí)別4個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，難度為初級(jí)，主要面向智能識(shí)別、智慧交通、智能醫(yī)療領(lǐng)域的特征識(shí)別問(wèn)題。

②分類問(wèn)題設(shè)計(jì)寶石分類、鳶尾花聚類2個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要面向大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中涉及的分類、聚類問(wèn)題實(shí)踐，難度為中級(jí)。

③預(yù)測(cè)問(wèn)題設(shè)計(jì)波士頓房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)、空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要面向智慧城市、智慧交通領(lǐng)域時(shí)空預(yù)測(cè)問(wèn)題的應(yīng)用實(shí)踐，難度為中級(jí)。

④機(jī)器人應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)機(jī)器翻譯、目標(biāo)檢測(cè)、語(yǔ)義分割3個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要面向機(jī)器人智能語(yǔ)音、計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用，難度為高級(jí)。

對(duì)于每一個(gè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，給出項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)題目介紹、數(shù)據(jù)集、示例代碼，學(xué)生把理論課堂所講授的網(wǎng)絡(luò)模型靈活應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景中，同時(shí)熟練掌握深度學(xué)習(xí)框架的項(xiàng)目開發(fā)流程、模型部署等。設(shè)置初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)不同難度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

①對(duì)于初級(jí)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單操作，給出整個(gè)模型構(gòu)建的代碼框架，僅完成模型初始化、訓(xùn)練或測(cè)試部分代碼編寫運(yùn)行即可。

②對(duì)于中級(jí)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)增加難度，讓學(xué)生自主編寫模型構(gòu)建代碼并運(yùn)行。

③對(duì)于最高難度的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)及課后大作業(yè)，只給出項(xiàng)目題目、數(shù)據(jù)集及建模模型要求，讓學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)項(xiàng)目的自主開發(fā)。采用這種難度逐步增加的方式，讓學(xué)生在階梯式學(xué)習(xí)中穩(wěn)步鍛煉自己的實(shí)踐能力。

3. 教學(xué)實(shí)踐成效評(píng)價(jià)

課程成績(jī)?cè)u(píng)定由平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程成績(jī)和課后大作業(yè)評(píng)分成績(jī)兩部分組成，以體現(xiàn)課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力兩方面的效果評(píng)價(jià)。平時(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)以課前預(yù)習(xí)自測(cè)情況、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)完成度、小組討論完成情況評(píng)定，占總成績(jī)的40%；課后大作業(yè)以最終的完成情況評(píng)分評(píng)定，占總成績(jī)的60%。最終評(píng)分結(jié)果說(shuō)明，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的得分都處于中上水平，課后大作業(yè)完成度達(dá)到100%。

通過(guò)項(xiàng)目式自主協(xié)作模式的教學(xué)，學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力得到了明顯提升。多方向可選擇的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，使得學(xué)生對(duì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手自主性大大提升，積極性不高的學(xué)生也具備了完成初級(jí)實(shí)驗(yàn)的信心，主動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)生也愿意去挑戰(zhàn)有一定難度的項(xiàng)目開發(fā)實(shí)驗(yàn)。在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課堂上，部分動(dòng)手能力不足的學(xué)生在小組的協(xié)作帶動(dòng)下，也能積極解決自己的程序問(wèn)題，完成自己的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。學(xué)生整體在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的成績(jī)表現(xiàn)優(yōu)秀，有力證實(shí)了項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的提升效果。分組展示環(huán)節(jié)也使得學(xué)生之間對(duì)模型開發(fā)的交流增強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)開發(fā)細(xì)節(jié)的討論熱情，促使部分學(xué)生對(duì)模型算法的智能技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生了更濃厚的興趣。

05

小結(jié)

開源AI平臺(tái)為人工智能類課程自主實(shí)踐教學(xué)提供了有利途徑，以AI平臺(tái)為載體，開展項(xiàng)目式課程教學(xué)，搭配自主協(xié)作學(xué)習(xí)模式，踐行“教師指導(dǎo)、項(xiàng)目實(shí)踐、自主協(xié)作學(xué)習(xí)”有機(jī)融合，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)踐與自主創(chuàng)新能力提升的有效互補(bǔ)，有效地促進(jìn)學(xué)生從實(shí)踐到創(chuàng)新的進(jìn)階提高。AI平臺(tái)助力的自主協(xié)作學(xué)習(xí)模式下項(xiàng)目式教學(xué)方式必然是人工智能技術(shù)相關(guān)課程改革的重要發(fā)展方向。