基于華為ModelArts的“人工智能”課程教學(xué)改革與實踐-以東莞理工學(xué)院為例

引言人工智能技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)中的重要分支，隨著互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算平臺等信息技術(shù)的快速發(fā)展，極大促進(jìn)了人工智能技術(shù)的落地與實用化?，F(xiàn)階段人工智能與智能制造、自動駕駛、語音圖像處理等相結(jié)合，推動了新工科人才培養(yǎng)向智能化、自動化和類人化等目標(biāo)轉(zhuǎn)變［1］，人工智能技術(shù)已進(jìn)入與產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的新階段。《中國新一代人工智能科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2021》中提到，人工智能與實體經(jīng)濟(jì)的深度融合涉及一系列互補(bǔ)性創(chuàng)新，人工智能和三次產(chǎn)業(yè)技術(shù)之間的重新組合將掀起新一輪科技創(chuàng)新浪潮，是國內(nèi)創(chuàng)新循環(huán)的重要組成部分［2］。面對產(chǎn)業(yè)如此迅猛的發(fā)展，市場對相關(guān)專業(yè)的人才需求也是與日俱增。為此，教育部在《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》中指出，將大力推動高校完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，重視人工智能與計算機(jī)、控制、數(shù)學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式［3］。作為理工科類的地方本科院校，積極響應(yīng)國家號召，以產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的最新成果為導(dǎo)向，不斷完善人工智能人才的培養(yǎng)模式，成為當(dāng)前新工科學(xué)科建設(shè)活動的重要任務(wù)之一。因此，該論文以東莞理工計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院“人工智能”課程為例，結(jié)合華為一站式AI開發(fā)平臺ModelArts，在課程內(nèi)容、教學(xué)方法和考核指標(biāo)三個方面進(jìn)行了教學(xué)創(chuàng)新模式的探索。一、“人工智能”課程現(xiàn)狀人工智能（ArtificialIntelligence,AI）是引領(lǐng)未來的新興戰(zhàn)略性技術(shù)，是驅(qū)動新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要力量［4］?！叭斯ぶ悄堋笔钱?dāng)今信息領(lǐng)域發(fā)展最快的熱點方向之一，通過該課程的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生掌握AI發(fā)展現(xiàn)狀，靈活運用相關(guān)知識解決科學(xué)研究中遇到的實際問題，進(jìn)而獲得應(yīng)用開發(fā)能力及科研創(chuàng)新能力。（一）課程特點目前學(xué)院開設(shè)的“人工智能”課程有48學(xué)時（學(xué)時有限），但這門課程的知識點非常豐富（見圖1），涉及非常新的前沿技術(shù)，同時要求修讀學(xué)生具備計算機(jī)編程基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。因此，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對“人工智能”課程開展多方面、多角度的混合式教學(xué)，幫助學(xué)生參與到獲取知識的全過程，達(dá)到提升學(xué)習(xí)深度的目的。圖1“人工智能”（AI）課程范疇（二）學(xué)生特點東莞理工學(xué)院是一所致力于培養(yǎng)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，努力建設(shè)特色鮮明的高水平應(yīng)用型地方大學(xué)。作為學(xué)校重點發(fā)展的學(xué)科，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院目前采用“低年級厚基礎(chǔ)深化學(xué)科能力，高年級重技術(shù)強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”的大類培養(yǎng)思路。具體方案是在高考招生錄取時，學(xué)院按照計算機(jī)類統(tǒng)一招生，入學(xué)后前三學(xué)期進(jìn)行基礎(chǔ)知識培養(yǎng)后再進(jìn)行專業(yè)分流，分流后進(jìn)入不同專業(yè)，然后按照相應(yīng)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)完成課程?！叭斯ぶ悄堋闭n程是計算機(jī)學(xué)院的專業(yè)選修課。近兩年，為更好地了解學(xué)生的情況，在開課前會對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查（見表1）。調(diào)研原因是修讀該課程的學(xué)生可能會來自不同的專業(yè)（主要是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)專業(yè)，以及我校不分專業(yè)、個性化和多元化培養(yǎng)模式的楊振寧創(chuàng)新班“楊班”），他們的編程能力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)參差不齊。表1近兩年選修課程的學(xué)生課前問卷調(diào)查情況從上表的問卷結(jié)果來看，95%以上的學(xué)生對內(nèi)容方面有著較高期待。在教學(xué)方法上，學(xué)生更傾向于自己動手參與項目實踐。這些課前的調(diào)查數(shù)據(jù)為課程內(nèi)容和教學(xué)方式的改革提供了指導(dǎo)性方向。（三）課程教學(xué)中存在的問題現(xiàn)階段主要是以教師為中心的教學(xué)模式不利于學(xué)生積極性和實踐主動性的鍛煉，同時可能會阻礙學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮，這對于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力是十分不利的。因此，為了提升教學(xué)效果，培養(yǎng)高素質(zhì)人才，同時結(jié)合課前的學(xué)情分析，該課程如何結(jié)合科技發(fā)展進(jìn)行積極改革成為一個緊迫的問題。二、課程教學(xué)改革方案和實踐針對以上分析的問題，該論文主要從課程的內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法和考核指標(biāo)三個角度展開教學(xué)改革，同時進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)實踐。（一）課程內(nèi)容的設(shè)計在課程內(nèi)容上，從學(xué)科特點出發(fā)，重點解決如何兼顧理論知識和技術(shù)前沿的問題，同時在課堂中引入結(jié)合時代熱點的思想政治教育，從而實現(xiàn)多角度全方位育人。具體的實施方案分為以下兩點。1.緊隨科技前沿，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容。針對課程內(nèi)容多且新的問題，課程開展基于華為ModelArts人工智能平臺，采用“自由的線上學(xué)習(xí)+有指導(dǎo)的線下學(xué)習(xí)+整體性學(xué)習(xí)體驗”的混合式教學(xué)模式。混合式教學(xué)通過設(shè)計教師講解、個人實踐、小組討論三種類型的活動，利用優(yōu)學(xué)院線上教學(xué)平臺構(gòu)建混合式生態(tài)社區(qū)讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有主動學(xué)習(xí)、自我反思提升的能力，同時幫助學(xué)生更好地把握AI領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)。教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)和實踐兩大模塊、其中理論重點講授AI基礎(chǔ)，難度安排由淺入深，確定課程的內(nèi)容包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)及自然語言處理等理論知識。實踐應(yīng)用則充分利用華為ModelArts人工智能平臺，ModelArts的理念是讓AI開發(fā)變得更簡單、更方便?！耙徽臼健笔侵窤I開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)處理、算法開發(fā)、模型訓(xùn)練、模型部署等都可以在ModelArts上完成，具體如圖2所示。同時，還提供多種開發(fā)環(huán)境、多種操作流程和模式，方便開發(fā)者編碼擴(kuò)展，快速構(gòu)建模型應(yīng)用［5］178，鼓勵學(xué)生開展線上創(chuàng)新實驗。圖2ModelArts：一站式AI開發(fā)平臺2.緊跟時代熱點，融入思想政治教育。培養(yǎng)人才不僅是培養(yǎng)專業(yè)技能，在思想政治教育方面的培養(yǎng)也同等重要。為此，在整個教學(xué)活動的過程中以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，以芯片產(chǎn)業(yè)的重要性、工匠精神和數(shù)據(jù)源頭合法合理為核心主線，從誠實守信、社會責(zé)任感、愛國主義情懷等多角度將計算機(jī)科學(xué)與思想政治教育緊密聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。此外，課程中使用到的華為AI開發(fā)框架及人工智能計算平臺，也會極大地增強(qiáng)學(xué)生對民族企業(yè)的認(rèn)同感，提升學(xué)生的民族自豪感和文化自信。（二）教學(xué)方法上的改革針對課時有限與內(nèi)容多的矛盾，同時為了兼顧各個層次學(xué)生，課程教學(xué)采用混合式的教學(xué)方法。授課過程中將課前、課中和課后，線上線下，授課教學(xué)、實踐教學(xué)和研討教學(xué)進(jìn)行全方位混合。線上（優(yōu)學(xué)院平臺）+線下的教學(xué)方式既可以彌補(bǔ)學(xué)時不足的問題，也可以讓不同層次的學(xué)生根據(jù)自身水平分配學(xué)習(xí)時間。每個實驗項目的設(shè)計都是富有特色且與實際應(yīng)用場景密切相關(guān)的經(jīng)典應(yīng)用。項目分為兩種：（1）5次常規(guī)實驗，學(xué)生通過練習(xí)理解模型構(gòu)建及訓(xùn)練的流程；（2）開放性實驗，賦予學(xué)生更大的自由度，僅提供數(shù)據(jù)集和目標(biāo)，學(xué)生獨立完成模型搭建、訓(xùn)練及評估。（三）課程的考核指標(biāo)改革本課程采用“課堂參與度+實驗報告+期末考查”的形式（見表2），重點考查其理解和動手編程的能力。表2學(xué)生成績組成三、課程教學(xué)改革效果從近兩次選課和學(xué)生評教數(shù)據(jù)來看，此次教學(xué)改革成效良好。此外，為進(jìn)一步了解教學(xué)效果，每次結(jié)課時從學(xué)習(xí)態(tài)度、專業(yè)知識和綜合提升三個方面共八個子項目進(jìn)行相應(yīng)的問卷調(diào)查（見表3）。表3關(guān)于教學(xué)效果的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)從表3可以看出，學(xué)生普遍認(rèn)為在專業(yè)知識方面得到的提升最大，其次是獨立思考能力和表達(dá)能力都有較多的收獲。這跟前面提到的課程改革的初衷是一致的，也進(jìn)一步反映了教學(xué)改革的措施是有效的。這得益于在實施課程教學(xué)改革的過程中，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，實現(xiàn)了師生共同研討和學(xué)生彼此合作交流的良好互動式教學(xué)。結(jié)語近年來，在算力大幅提升和大數(shù)據(jù)快速發(fā)展的助力下，人工智能正處在一個蓬勃發(fā)展并持續(xù)