《人工智能程序設(shè)計(jì)》教學(xué)大綱

《人工智能程序設(shè)計(jì)》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(shí)：64學(xué)時(shí)（理論48學(xué)時(shí)，上機(jī)16學(xué)時(shí)）先修課程：程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)后續(xù)課程：機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)與應(yīng)用等適用專(zhuān)業(yè)：人工智能專(zhuān)業(yè)開(kāi)課單位：智能工程學(xué)院一、課程說(shuō)明本課程是人工智能專(zhuān)業(yè)的一門(mén)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(zhuān)業(yè)學(xué)生，全面講授Python語(yǔ)言基礎(chǔ)及人工智能專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的能力，并講解Python語(yǔ)言中經(jīng)典的擴(kuò)展模塊，讓學(xué)生能用Python語(yǔ)言解決人工智能專(zhuān)業(yè)一些常見(jiàn)問(wèn)題。本課注重Python語(yǔ)言在人工智能中的實(shí)踐應(yīng)用，在課程中穿插了生動(dòng)案例和編程練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生積極建立計(jì)算思維模式，通過(guò)程序算法解決問(wèn)題來(lái)加深對(duì)編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)體會(huì)。并具備進(jìn)一步繼續(xù)學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理、自然語(yǔ)言處理、深度學(xué)習(xí)與應(yīng)用等課程的能力。二、課程目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：熟練掌握人工智能研發(fā)所需要的基礎(chǔ)編程知識(shí)。課程目標(biāo)2：能夠運(yùn)用編程知識(shí)對(duì)人工智能問(wèn)題提出解決方案。課程目標(biāo)3：強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，要求學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)人工智能領(lǐng)域中基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)。促使學(xué)生形成良好的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的奮發(fā)精神，樹(shù)立正確的審美觀念和勞動(dòng)觀念。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《人工智能程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)人工智能專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的支撐見(jiàn)表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識(shí):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(zhuān)業(yè)知識(shí)用于解決人工智能及交叉應(yīng)用領(lǐng)域工程問(wèn)題。1.2系統(tǒng)掌握人工智能領(lǐng)域的工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件及系統(tǒng)等方面內(nèi)容，了解通過(guò)人工智能系統(tǒng)工程問(wèn)題的基本方法。課程目標(biāo)1：熟練掌握人工智能研發(fā)所需要的基礎(chǔ)編程知識(shí)。課程目標(biāo)2：能夠運(yùn)用編程知識(shí)對(duì)人工智能問(wèn)題提出解決方案。H5.使用現(xiàn)代工具：能針對(duì)人工智能及交叉應(yīng)用領(lǐng)域的工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、硬件平臺(tái)工具和軟件平臺(tái)工具。5.2選擇、使用或開(kāi)發(fā)恰當(dāng)?shù)能浻布ぞ呒跋到y(tǒng)資源進(jìn)行人工智能領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的模擬、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；課程目標(biāo)3：強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，要求學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)人工智能領(lǐng)域中基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)。促使學(xué)生形成良好的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)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(shí)分配1.理論部分見(jiàn)表2表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時(shí)上機(jī)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.Python概述1.1Python語(yǔ)言概述1.2Python開(kāi)發(fā)環(huán)境配置1.3程序的基本編寫(xiě)方法1.4Python小程序解析教學(xué)要求：了解Python語(yǔ)言歷史與版本；掌握Python開(kāi)發(fā)環(huán)境配置，程序的基本編寫(xiě)方法；理解Python小程序解析。重點(diǎn)：Python開(kāi)發(fā)環(huán)境配置。難點(diǎn)：程序的基本編寫(xiě)方法。221、32.Python語(yǔ)言基礎(chǔ)2.1變量類(lèi)型2.2運(yùn)算符號(hào)2.3整型變量2.4浮點(diǎn)型變量2.5類(lèi)型判斷和類(lèi)型間轉(zhuǎn)換教學(xué)要求：掌握變量類(lèi)型、運(yùn)算符號(hào)、整型變量、浮點(diǎn)型變量；更深入地理解和掌握類(lèi)型判斷和類(lèi)型間轉(zhuǎn)換。重點(diǎn)：類(lèi)型判斷和類(lèi)型間轉(zhuǎn)換。難點(diǎn)：運(yùn)算符號(hào)。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(diǎn)：程序的if分支結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)：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(lèi)型4.1列表類(lèi)型4.2列表類(lèi)型4.3元組類(lèi)型4.4字典類(lèi)型4.5集合類(lèi)型教學(xué)要求：理解常用內(nèi)置數(shù)據(jù)類(lèi)型，列表類(lèi)型的定義與使用、元組類(lèi)型的定義與使用；掌握字典類(lèi)型的定義與使用；了解集合類(lèi)型的定義與使用。重點(diǎn)：字典類(lèi)型的定義與使用。難點(diǎn)：元組類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出函數(shù)5.4文件和文件對(duì)象5.5標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出和錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出函數(shù)；掌握文件和文件對(duì)象；掌握標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出和錯(cuò)誤流；掌握重定向和管道。重點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出函數(shù)。難點(diǎn)：重定向和管道。201、2、36.錯(cuò)誤和異常處理6.1異常的定義和分類(lèi)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(lèi)；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(diǎn)：異常處理tryexcept。難點(diǎn)：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(diǎn)：內(nèi)置函數(shù)的使用。難點(diǎn)：參數(shù)的傳遞。201、2、38.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)8.1面向程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)8.2類(lèi)和對(duì)象定義8.3類(lèi)的繼承、封裝和多態(tài)教學(xué)要求：了解面向程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；掌握類(lèi)和對(duì)象定義、區(qū)別和關(guān)系。理解類(lèi)的繼承、類(lèi)的封裝和類(lèi)的多態(tài)等。重點(diǎn)：類(lèi)和對(duì)象定義。難點(diǎn)：類(lèi)的繼承、封裝和多態(tài)。401、2、3模塊9.1模塊化程序設(shè)計(jì)的概念9.2模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)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(chēng)查找順序思政：堅(jiān)守初心，打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)服務(wù)教學(xué)要求：了解模塊化程序設(shè)計(jì)的概念熟悉模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)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(chēng)查找順序。重點(diǎn)：模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。難點(diǎn)：模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。401、2、310.圖形界面設(shè)計(jì)10.1常見(jiàn)圖形界面控件簡(jiǎn)介10.2標(biāo)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(jiàn)圖形界面控件；掌握標(biāo)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(diǎn)：按鈕控件的定義與使用。難點(diǎn)：窗口的布局與使用。201、2、311.圖形繪制11.1NumPy向量計(jì)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(jì)算；理解Pandas數(shù)據(jù)分析；掌握Matplotlib與Seaborn可視化分析。重點(diǎn)：Pandas數(shù)據(jù)分析。難點(diǎn)：Matplotlib與Seaborn可視化分析。441、2、312.文本處理12.1數(shù)值日期和時(shí)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(shí)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(diǎn)：字符串和文本處理。難點(diǎn)：字符串和文本處理。601、2、313.系統(tǒng)管理13.1數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)13.2網(wǎng)絡(luò)編程和通信13.3并行計(jì)算13.4系統(tǒng)管理教學(xué)要求：了解數(shù)值日期和時(shí)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(diǎn)：字符串和文本處理。難點(diǎn)：字符串和文本處理。801、2、314.機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)14.1機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念14.2機(jī)器學(xué)習(xí)模型性能評(píng)估14.3回歸算法14.4分類(lèi)算法14.5聚類(lèi)算法14.6卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)要求：了解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本理論知識(shí)；掌握機(jī)器學(xué)習(xí)模型性能評(píng)估；掌握回歸算法、分類(lèi)算法、聚類(lèi)算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。重點(diǎn)：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難點(diǎn)：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)461、2、3合計(jì)48162.實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐或上機(jī)部分見(jiàn)表3表3上機(jī)項(xiàng)目、上機(jī)內(nèi)容與學(xué)時(shí)上機(jī)項(xiàng)目上機(jī)內(nèi)容和要求上機(jī)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.python開(kāi)發(fā)環(huán)境配置上機(jī)內(nèi)容：利用python、pycharm、anaconda和Jupyter實(shí)現(xiàn)python語(yǔ)言編程環(huán)境的配置。上機(jī)要求：掌握python編程的配置；能夠利用IDLE、Pycharm或Jupyter進(jìn)行編程。212.程序的控制結(jié)構(gòu)上機(jī)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)if、while和for控制結(jié)構(gòu)。上機(jī)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(jī)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)Matplotlib與Seaborn的鳶尾花數(shù)據(jù)可視化。上機(jī)要求：掌握Matplotlib與Seaborn可視化；理解二者優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。21、2、33.Matplotlib與Seaborn可視化分析上機(jī)內(nèi)容：編程實(shí)現(xiàn)Matplotlib與Seaborn的鳶尾花數(shù)據(jù)可視化。上機(jī)要求：掌握Matplotlib與Seaborn可視化；理解二者優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。41、2、34.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上機(jī)內(nèi)容：編程實(shí)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(jī)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(biāo)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)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(jì)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)際動(dòng)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(dòng)手操作的方法；在上機(jī)前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本上機(jī)有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)真閱讀上機(jī)指導(dǎo)書(shū)；在上機(jī)中要嚴(yán)格遵守上機(jī)紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；上機(jī)結(jié)束后，按規(guī)定對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；每完成一項(xiàng)上機(jī)，要認(rèn)真完成一份上機(jī)報(bào)告。六、課程資源庫(kù)推薦教材：[1]Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(第2版).嵩天.北京：高等教育出版社,2017。參考書(shū)：[1]高教版Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)沖刺試卷(含線上題庫(kù))（第3版）.黃天羽.北京：高等教育出版社,2020。[2]機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)學(xué)解析與Python實(shí)現(xiàn).莫凡.北京：機(jī)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(lèi)型.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2020,38(11).[2]張雪蓮.試析Python編程語(yǔ)言的特點(diǎn)及應(yīng)用.電腦編程技巧與維護(hù),2020,(11).[3]段悅.Python語(yǔ)言編程特點(diǎn)及應(yīng)用分析.電腦編程技巧與維護(hù),2020,(11).[4]裘鍇.利用Python生成圖形驗(yàn)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(shū)：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(duì)課程目標(biāo)的支撐課程成績(jī)由過(guò)程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表4。表4課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)123過(guò)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(wèn)題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?21上機(jī)15（1）根據(jù)每個(gè)上機(jī)的操作完成情況單獨(dú)評(píng)分，滿分100分；（2）每次上機(jī)單獨(dú)評(píng)分，取所有上機(jī)成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以上機(jī)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?76作業(yè)15（1）主要考核學(xué)生對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?63期末考核60（1）卷面成績(jī)100分，以卷面成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。（2）主要考核Python程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的語(yǔ)言基礎(chǔ)、流程控制、數(shù)據(jù)類(lèi)型、輸入和輸出、錯(cuò)誤和異常處理、函數(shù)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、模塊、圖形界面設(shè)計(jì)、圖形繪制、文本處理、系統(tǒng)管理、機(jī)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(jiǎn)答題和計(jì)算分析題等?！獭獭?51520合計(jì)：100分403030八、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、上機(jī)、作業(yè)、期末上機(jī)考試等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽?jī)由期末試卷成績(jī)和過(guò)程性考核成績(jī)組成。其中：期