《人工智能程序設(shè)計》教學(xué)大綱

《人工智能程序設(shè)計》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22130051課程性質(zhì)：學(xué)科基礎(chǔ)必修課學(xué)分：4.0學(xué)分學(xué)時：64學(xué)時（理論48學(xué)時，上機16學(xué)時）先修課程：程序設(shè)計基礎(chǔ)后續(xù)課程：機器學(xué)習(xí)、計算機視覺、深度學(xué)習(xí)與應(yīng)用等適用專業(yè)：人工智能專業(yè)開課單位：智能工程學(xué)院一、課程說明本課程是人工智能專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課，在人工智能的研發(fā)中起到?jīng)Q定性的作用。本課面向具有一定編程基礎(chǔ)的人工智能專業(yè)學(xué)生，全面講授Python語言基礎(chǔ)及人工智能專業(yè)相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生計算思維的能力，并講解Python語言中經(jīng)典的擴展模塊，讓學(xué)生能用Python語言解決人工智能專業(yè)一些常見問題。本課注重Python語言在人工智能中的實踐應(yīng)用，在課程中穿插了生動案例和編程練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生積極建立計算思維模式，通過程序算法解決問題來加深對編程語言的學(xué)習(xí)體會。并具備進一步繼續(xù)學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)、計算機視覺、數(shù)字圖像處理、自然語言處理、深度學(xué)習(xí)與應(yīng)用等課程的能力。二、課程目標通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標：課程目標1：熟練掌握人工智能研發(fā)所需要的基礎(chǔ)編程知識。課程目標2：能夠運用編程知識對人工智能問題提出解決方案。課程目標3：強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，要求學(xué)生通過編寫程序來實現(xiàn)人工智能領(lǐng)域中基礎(chǔ)程序設(shè)計。促使學(xué)生形成良好的世界觀、人生觀和價值觀，激發(fā)學(xué)生科技報國的奮發(fā)精神，樹立正確的審美觀念和勞動觀念。三、課程目標與畢業(yè)要求《人工智能程序設(shè)計》課程教學(xué)目標對人工智能專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識:具備數(shù)學(xué)、自然科能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決人工智能及交叉應(yīng)用領(lǐng)域工程問題。1.2系統(tǒng)掌握人工智能領(lǐng)域的工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，包括計算機硬件、軟件及系統(tǒng)等方面內(nèi)容，了解通過人工智能系統(tǒng)工程問題的基本方法。課程目標1：熟練掌握人工智能研發(fā)所需要的基礎(chǔ)編程知識。課程目標2：能夠運用編程知識對人工智能問題提出解決方案。H5.使用現(xiàn)代工具：能針對人工智能及交叉應(yīng)用領(lǐng)域的工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、硬件平臺工具和軟件平臺工具。5.2選擇、使用或開發(fā)恰當?shù)能浻布ぞ呒跋到y(tǒng)資源進行人工智能領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的模擬、設(shè)計和開發(fā)；課程目標3：強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，要求學(xué)生通過編寫程序來實現(xiàn)人工智能領(lǐng)域中基礎(chǔ)程序設(shè)計。促使學(xué)生形成良好的世界觀、人生觀和價值觀，激發(fā)學(xué)生科技報國的奮發(fā)精神。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分見表2表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時上機學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.Python概述1.1Python語言概述1.2Python開發(fā)環(huán)境配置1.3程序的基本編寫方法1.4Python小程序解析教學(xué)要求：了解Python語言歷史與版本；掌握Python開發(fā)環(huán)境配置，程序的基本編寫方法；理解Python小程序解析。重點：Python開發(fā)環(huán)境配置。難點：程序的基本編寫方法。221、32.Python語言基礎(chǔ)2.1變量類型2.2運算符號2.3整型變量2.4浮點型變量2.5類型判斷和類型間轉(zhuǎn)換教學(xué)要求：掌握變量類型、運算符號、整型變量、浮點型變量；更深入地理解和掌握類型判斷和類型間轉(zhuǎn)換。重點：類型判斷和類型間轉(zhuǎn)換。難點：運算符號。201、2、33.程序的流程控制3.1程序的三種控制結(jié)構(gòu)3.2程序的if分支結(jié)構(gòu)3.3程序的while循環(huán)結(jié)構(gòu)3.4程序的for循環(huán)結(jié)構(gòu)教學(xué)要求：了解程序的三種控制結(jié)構(gòu)；掌握程序的if分支結(jié)構(gòu)、程序的while循環(huán)結(jié)構(gòu)和程序的for循環(huán)結(jié)構(gòu)。重點：程序的if分支結(jié)構(gòu)。難點：程序的while循環(huán)結(jié)構(gòu)和程序的for循環(huán)結(jié)構(gòu)。221、2、34.常用內(nèi)置和系列數(shù)據(jù)類型4.1列表類型4.2列表類型4.3元組類型4.4字典類型4.5集合類型教學(xué)要求：理解常用內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，列表類型的定義與使用、元組類型的定義與使用；掌握字典類型的定義與使用；了解集合類型的定義與使用。重點：字典類型的定義與使用。難點：元組類型的定義與使用。201、2、35.輸入輸出5.1輸入和輸出概述5.2命令行參數(shù)5.3標準輸入和標準輸出函數(shù)5.4文件和文件對象5.5標準輸入、輸出和錯誤流5.6重定向和管道教學(xué)要求：了解輸入輸出的定義；掌握命令行參數(shù)；掌握標準輸入和標準輸出函數(shù)；掌握文件和文件對象；掌握標準輸入、輸出和錯誤流；掌握重定向和管道。重點：標準輸入和標準輸出函數(shù)。難點：重定向和管道。201、2、36.錯誤和異常處理6.1異常的定義和分類6.2異常處理tryexcept6.3異常處理finally和raise6.4異常處理-斷言和自定義異常教學(xué)要求：了解異常的定義和分類；掌握異常處理tryexcept；異常處理finally和raise；了解異常處理-斷言和自定義異常；重點：異常處理tryexcept。難點：異常處理finally和raise。421、2、37.函數(shù)7.1函數(shù)概述7.2函數(shù)的聲明和調(diào)用7.3參數(shù)的傳遞7.4函數(shù)的返回值7.5變量的作用域7.6遞歸函數(shù)7.7內(nèi)置函數(shù)的使用7.8Python函數(shù)式編程基礎(chǔ)教學(xué)要求：了解函數(shù)概述；掌握函數(shù)的聲明和調(diào)用；掌握參數(shù)的傳遞；掌握函數(shù)的返回值；掌握變量的作用域；掌握遞歸函數(shù)；掌握內(nèi)置函數(shù)的使用；熟悉Python函數(shù)式編程基礎(chǔ)。重點：內(nèi)置函數(shù)的使用。難點：參數(shù)的傳遞。201、2、38.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計8.1面向程序設(shè)計基礎(chǔ)8.2類和對象定義8.3類的繼承、封裝和多態(tài)教學(xué)要求：了解面向程序設(shè)計基礎(chǔ)；掌握類和對象定義、區(qū)別和關(guān)系。理解類的繼承、類的封裝和類的多態(tài)等。重點：類和對象定義。難點：類的繼承、封裝和多態(tài)。401、2、3模塊9.1模塊化程序設(shè)計的概念9.2模塊的設(shè)計和實現(xiàn)9.3模塊的導(dǎo)入和使用9.4包9.5模塊的導(dǎo)入順序9.6命名空間與名稱查找順序思政：堅守初心，打好堅實基礎(chǔ)，為產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟服務(wù)教學(xué)要求：了解模塊化程序設(shè)計的概念熟悉模塊的設(shè)計和實現(xiàn)；掌握模塊的導(dǎo)入和使用；掌握包的概念和調(diào)用；熟悉模塊的導(dǎo)入順序；熟悉命名空間與名稱查找順序。重點：模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。難點：模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。401、2、310.圖形界面設(shè)計10.1常見圖形界面控件簡介10.2標簽控件的定義與使用10.3按鈕控件的定義與使用10.4文本控件的定義與使用10.5窗口的布局與使用10.6其他空間的定義與使用10.7事件處理教學(xué)要求：了解常見圖形界面控件；掌握標簽控件的定義與使用，按鈕控件的定義與使用，文本控件的定義與使用，窗口的布局與使用；理解其他空間的定義與使用，事件處理。重點：按鈕控件的定義與使用。難點：窗口的布局與使用。201、2、311.圖形繪制11.1NumPy向量計算11.2Pandas數(shù)據(jù)分析11.3Matplotlib與Seaborn可視化分析教學(xué)要求：了解NumPy向量計算；理解Pandas數(shù)據(jù)分析；掌握Matplotlib與Seaborn可視化分析。重點：Pandas數(shù)據(jù)分析。難點：Matplotlib與Seaborn可視化分析。441、2、312.文本處理12.1數(shù)值日期和時間處理12.2字符串和文本處理12.3文件和數(shù)據(jù)交換教學(xué)要求：了解數(shù)值日期和時間處理；掌握字符串和文本處理；熟悉文件和數(shù)據(jù)交換。重點：字符串和文本處理。難點：字符串和文本處理。601、2、313.系統(tǒng)管理13.1數(shù)據(jù)庫訪問13.2網(wǎng)絡(luò)編程和通信13.3并行計算13.4系統(tǒng)管理教學(xué)要求：了解數(shù)值日期和時間處理；掌握字符串和文本處理；熟悉文件和數(shù)據(jù)交換。重點：字符串和文本處理。難點：字符串和文本處理。801、2、314.機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)14.1機器學(xué)習(xí)的基本概念14.2機器學(xué)習(xí)模型性能評估14.3回歸算法14.4分類算法14.5聚類算法14.6卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)要求：了解機器學(xué)習(xí)的基本理論知識；掌握機器學(xué)習(xí)模型性能評估；掌握回歸算法、分類算法、聚類算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。重點：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難點：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)461、2、3合計48162.實驗/實踐或上機部分見表3表3上機項目、上機內(nèi)容與學(xué)時上機項目上機內(nèi)容和要求上機學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.python開發(fā)環(huán)境配置上機內(nèi)容：利用python、pycharm、anaconda和Jupyter實現(xiàn)python語言編程環(huán)境的配置。上機要求：掌握python編程的配置；能夠利用IDLE、Pycharm或Jupyter進行編程。212.程序的控制結(jié)構(gòu)上機內(nèi)容：編程實現(xiàn)if、while和for控制結(jié)構(gòu)。上機要求：掌握if、while和for控制結(jié)構(gòu)及嵌套。21、2、33.異常處理上機內(nèi)容：編程實現(xiàn)Matplotlib與Seaborn的鳶尾花數(shù)據(jù)可視化。上機要求：掌握Matplotlib與Seaborn可視化；理解二者優(yōu)點與缺點。21、2、33.Matplotlib與Seaborn可視化分析上機內(nèi)容：編程實現(xiàn)Matplotlib與Seaborn的鳶尾花數(shù)據(jù)可視化。上機要求：掌握Matplotlib與Seaborn可視化；理解二者優(yōu)點與缺點。41、2、34.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上機內(nèi)容：編程實現(xiàn)Pytorch框架下的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型搭建，模型訓(xùn)練，模型保存。上機要求：基于Pytorch框架編程構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標函數(shù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；理解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳播。61、2、3合計16五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)和案例教學(xué)、線上線下結(jié)合等，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生人工智能程序設(shè)計的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。采用教師講授和學(xué)生動手操作的方法；在上機前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本上機有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認真閱讀上機指導(dǎo)書；在上機中要嚴格遵守上機紀律，按操作規(guī)程使用儀器；上機結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項上機，要認真完成一份上機報告。六、課程資源庫推薦教材：[1]Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)(第2版).嵩天.北京：高等教育出版社,2017。參考書：[1]高教版Python語言程序設(shè)計沖刺試卷(含線上題庫)（第3版）.黃天羽.北京：高等教育出版社,2020。[2]機器學(xué)習(xí)算法的數(shù)學(xué)解析與Python實現(xiàn).莫凡.北京：機械工業(yè)出版社,2020。[3]PatternRecognitionandMachineLearning.Bishop,C.M.SpringScience+BusinessMedia,LLC,2006.3.期刊：[1]陳玲.淺談Python中的可變與不可變數(shù)據(jù)類型.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2020,38(11).[2]張雪蓮.試析Python編程語言的特點及應(yīng)用.電腦編程技巧與維護,2020,(11).[3]段悅.Python語言編程特點及應(yīng)用分析.電腦編程技巧與維護,2020,(11).[4]裘鍇.利用Python生成圖形驗證碼.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020,(33).[5]Malloy,B.A.,James,F.P.Anempiricalanalysisofthetransitionfrompython2topython3.EmpiricalSoftwareEngineering.2019.24.2.4.網(wǎng)絡(luò)資源：[1]在線Python代碼規(guī)范：https://python-guide.gitbooks.io/python-style-guide/content/[2]VisualStudioCode：/[3]PyCharm：/pycharm/（本課程推薦）[4]Anaconda：https://www.continuum.io/[5]Python3烹飪書：https://python3-cookbook.readthedocs.io/zh_CN/latest/index.html[6]零基礎(chǔ)學(xué)Python：/learnpython/七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√221上機15（1）根據(jù)每個上機的操作完成情況單獨評分，滿分100分；（2）每次上機單獨評分，取所有上機成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以上機成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?76作業(yè)15（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?63期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核Python程序設(shè)計過程中的語言基礎(chǔ)、流程控制、數(shù)據(jù)類型、輸入和輸出、錯誤和異常處理、函數(shù)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、模塊、圖形界面設(shè)計、圖形繪制、文本處理、系統(tǒng)管理、機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)等內(nèi)容。（3）考試題型為：選擇題、判斷題、填空題、簡答題和計算分析題等?！獭獭?51520合計：100分403030八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、上機、作業(yè)、期末上機考試等方式對學(xué)生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期