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關鍵詞:機器人教育 教育機器人 認知發展 教學目標

一、引言

據預測,21世紀中期,人類社會將全面進入以智能機器人為代表的智能時代,機器人的廣泛應用將極大促進社會生產力的發展與產業結構的調整。近年來,隨著機器人價格的下降、簡易性的提高、其潛在的巨大教育價值逐漸得到社會的認可,使得機器人進入了教育領域。在發達國家,尤其是英、美、日等國家,已將機器人作為一種教學輔助工具,上至高等院校、研究機構,下至中小學、幼兒園,都正在積極開展機器人相關的教研活動。為了適應未來科技社會對人才培養的需要,我國教育部從2003年起把中小學機器人比賽納入全國中小學電腦制作活動中,2003年頒布的普通高中新課程標準又將“人工智能初步”及“簡易機器人制作”列入選修內容。

機器人是一種能夠通過程序控制,自主完成某類任務的機器系統。教育機器人則是一類應用于教育領域的機器人,它一般具有以下特點:首先是教學適應性,符合教學使用的相關需求;其次是具有良好的性能價格比,特定的教學用戶群決定了其價位不能過高;再次就是它的開放性和可擴展性,可以根據需要方便地增、減功能模塊,進行自主創新;此外,它還應當有友好的人機交互界面。

國內中小學機器人教育教學的開展雖已有近十年的時間,但仍然游離于日常課堂教學之外。究其緣由,其中一主要因素是當前教育機器人產品缺少規范,品牌繁雜,開放性低等教育機器人產品自身的問題。以下,我們將結合各個教學階段學生的認知發展水平和機器人教學的要求,在對此進行闡述分析的基礎上對不同階段使用者所需的配件、人機界面等產品功能和結構設計提出一些意見和建議。

二、各階段學生的認知發展與機器人教育目標

1.小學階段學生的認知發展與機器人教育目標

著名的兒童教育學家和心理學家皮亞杰認為:兒童的認知是由他自身與外部世界不斷地相互作用而逐漸形成的一種結構。兒童在觀察事物時,往往注意新鮮、感興趣的東西,他們對周圍世界有著強烈的好奇心和探究欲望,樂于動手操作具體形象的物體。因此,這一時期是培養科學興趣、體驗科學過程、發展科學精神的重要時期。

小學階段的機器人教育,主要是讓學生了解智能機器人的應用價值,培養學習使用機器人的興趣。具體到教學要求上,對于硬件部分則要求學生了解簡易機器人的基本構造;說出各類傳感器(如聲音、光敏、紅外、溫度、觸摸)的功能及其對人類功能的模擬。能描述機器人各部分的功能更和工作原理,能描述機器人各部分的功能和工作原理,如通過傳感器搜集信息、通過程序來判斷處理信息、控制外部動作等;如果條件允許,則可要求學生根據設計要求和已有的模塊化組裝部件,嘗試動手制作或組裝簡單的實物機器人,將編制好的控制程序導入到實物機器人;在程序設計方面,學習LOGO等簡易語言或圖形化操作界面,能夠結合使用傳感器模塊和流程控制模塊等編寫程序,感受利用程序解決問題的一般過程。

2.初中階段學生的認知發展與機器人教育目標

初中階段正是“形式運算”階段(12～15歲)。這個階段的主要思維特點是,在頭腦中可以把事物的形式和內容分開,可以離開具體事物,根據假設來進行邏輯推演,能運用形式運算來解決諸如組合、包含、比例、排除、概率及因素分析等邏輯課題。初中生思維活動的基本特點是抽象邏輯思維已占主導地位,但有時思維中的具體形象成分還起作用。

初中階段的機器人教育,不僅要求培養學生使用機器人的興趣,還要教授機器人的基本工作原理,了解機器人領域的發展前沿。在硬件知識部分,除了在制作和操縱簡單的機器人的基礎上,探究機器人的機械裝置、電子裝置、傳感器裝置等,能力強的學生可對機器人構件功能進行拓展應用,例如用繼電器和聲音傳感器組裝聲控燈;在軟件部分,了解計算機控制機器人做出各種動作的簡單流程,感知程序和程序設計語言,理解程序的基本結構,了解“確定算法,編程實現”這一計算機解決問題的一般過程。

3.高中階段學生的認知發展與機器人教育目標

高中生認知結構的完整體系基本形成。高中生認知結構的各種要素迅速發展,各認知能力不斷完善,認知的核心成分――思維能力更加成熟,抽象邏輯思維占了優勢地位,辯證思維和創造思維有了很大的發展。思維的目的性、方向性更明確,認知系統的自我評價和自我控制能力明顯增強。他們情感豐富、意志力增強,興趣更廣泛和穩定,學習動機更強烈。

高中階段的機器人教育,已經出臺了一些課程標準,如新課標“簡易機器人制作”模塊要求學生知道單片機和機械傳動的基本知識,能設計與制作單片機和傳動機械等組成的簡易自動控制機器人或簡單的自動控制系統。對于硬件知識部分,學生除了對各部件功能結構的了解外,也會自行改造;在程序設計方面,考慮到對學生算法與程序設計能力的培養,因此除了對圖形化編程的掌握外,還要求使用更高級的程序設計語言,如Qbasic、C、Java等,通過代碼編輯器直接設計程序來控制機器人運行,在編程的過程中鍛煉學生的邏輯思維能力。

三、教育機器人的功能設計分析

綜上所述,不同階段學生的認知水平和教學要求都各不相同,那么不同層次的教學對象就需要選用不同的教育機器人產品,以便提供合適的功能、配件以及人機界面。那么,目前的教育機器人產品能否滿足各種年齡層次的學生的需要呢?市場上不乏有很多好的教育機器人產品,但也存在一些不近如人意的地方,因此根據上述不同階段學生的認知水平和機器人教育的要求,我們對四個階段所用機器人產品在結構與功能、程序設計與傳輸、機器人本體三部分的設計進行研究,提出了如下表1所示的教育機器人的結構功能及標準要求簡表1。

1.應用于小學階段的教育機器人的設計

適用小學階段的教育機器人,在結構設計上,主要體現在插件應用上,對于機械傳動系統可選用積木式或插件式或變形式三種類型。這樣的結構設計利于學生在機器人外形上做創新,憑自己的想象任意搭建機器人,設計出形態各異的機器人;對于機器人控制系統和執行系統,這部分知識要求超過了這一年齡段學生的認知,因此可選用模塊功能封裝的形式,分別采用一體化控制模塊和成品設備;在人機交互上,可以采用人工控制的方式,例如遙控;也可用程序控制,選用簡易的可視化圖形編程語言,如用LOGO語言做一些簡單的編程。兒童學習LOGO語言,有利于他們元認知能力的發展。考慮到學生的能力水平和教學要求,可選用程序傳輸這種安全簡便的方式把程序導入到實體機器人當中;對于小學生來說,還應選用結實耐用的、安全的機器人產品。小學教師認為,除了以上幾點外,選用的機器人產品也要方便管理。除此之外,根據學校的條件可選用一些有外形的機器人,例如,AIBO機器狗,這樣可以提高學生對機器人的興趣。

2.應用于中小學階段的教育機器人的設計

初中階段使用的機器人在設計上不再以外形為主,需要附加一定的功能,要求學生了解簡易傳感器原理及其使用,并能體現出機器人在焊接和控制應用方面的知識,其機械傳統系統設計時可采用遙控式或單片機式,這樣學生對單片機的原理將有初步的了解。同時,采用單片機還可以大大降低產品的價格,利于機器人教育的普及推廣;控制系統可直接采用控制版,使得單片機的相關知識更為直觀的展現在學生面前;對于執行系統,設計成半成品的形式,使之功能封裝成模塊化,利于學生自行組裝;在人機交互上,除了選用遙控式外,弱化益智類玩具的概念,體現出機器人一定的智能化,可選用一些較LEGO語言要復雜些的程序設計語言,如Qbasic,為后續學習VB語言作了鋪墊。傳輸技術還是采用安全系數高、操作簡便的數據傳輸形式。初中教師提出,除了以上幾點功能設計要求外,所設計的教育機器人不僅可以用于課堂教學,還可以用于參加比賽。

3.應用于高中階段的教育機器人的設計

適用高中階段的教育機器人,在結構設計上要求有更好的可擴展性和開放性,注重產品功能的綜合應用,最終達到可在多門課程中通用的要求。因此,機械傳動系統除了可選用初中階段所采用的單片機形式外,還可選用嵌入式。但要注意的一點是單片機方面的設計要緊密結合通用技術模塊的要求,選擇可多次燒錄的單片機型號和簡單易學的單片機編程語言;在控制系統和執行系統部分,可采用套裝散件。采用單片機和散裝化套件都極大的促進了學生在實踐過程中動手實踐能力的提高和創新思維的培養;在人機交互方面,除了保留簡易的圖形編程軟件平臺之外,鑒于高中生的認知水平和今后計算機編程角度考慮,設計相對較抽象的編程語言接口,如Java、NQC、C++、C、匯編語言等。對于程序的傳輸除了選用數據線和紅外線發射傳輸之外,還可選用燒錄技術。

四、結束語

教育機器人作為機器人教育的實施平臺,其建設水平的高低對機器人教育具有至關重要的影響。研制適用于不同階段符合學生認知發展水平和教學要求的教育機器人,不僅有利于解決教育機器人產品的開發、選用,教學實施等當前機器人教育中所存在的問題,而且有利于機器人教育資源、實驗經驗的共享,對于推動我國機器人教育健康、規范、可持續發展有著積極的作用。同時,規范化的教育機器人產品設計開發需要教育政府、高等院校、中小學學校、機器人廠商等各方面的共同協作與努力。

參考文獻

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[6]鄭和鈞,鄧京華.高中生心理學[M].浙江:浙江教育出版社,1993

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一、頂層設計,構建全方位、多層次、可操作的指導體系。

為了保障人工智能教育在我校真正落實和長期發展，學校將人工智能教育工作納入到學校整體三年發展規劃中，并作出明確要求。

為了讓師生更加重視人工智能教育，促進學生全面發展，特修訂了我校“五美”能行課程體系，將人工智能課程進行了重新定位和設計。

為了建設符合我校校情、學情的人工智能課程體系，學校成立了人工智能課程建設與實施的探索與研究項目管理團隊，制定了項目計劃書，從項目名稱、項目團隊、項目背景、項目創新點及解決問題、項目推進措施、項目完成期限等方面進行了具體規劃。

二、支撐保障

完善軟硬件設施和文化建設，為人工智能教育開展做好支撐和保障。除了四樓獨立的人工智能實驗室，我校還自主改造了五樓的創客教室和閱覽室，擴寬了人工智能教育場所，盡全力滿足學生人工智能上課需求。

學校高度重視人工智能教育，不斷加大投入。在資金緊張的情況下依然給學生購買了小學生C++趣味編程書和人工智能超變戰場的場地。

三、具體做法

1.基于校情和學情的人工智能課程設計

課程設置：開學之前，課程部整體規劃，實行信息技術課兩節聯排。

人工智能課程開設內容安排：基于校情學情，本學期3-6年級全面鋪開人工智能課程，3年級以信息技術基礎知識、編程貓、樂高搭建基礎入門為主；4年級AI神奇動物，5-6年AI變形工坊，是集搭建和編程于一體的人工智能課程體系。本學期信息技術類人工智能特色社團的開設：人工智能機器人社團、信息學奧C++社團、創意編程社團。

2.三位一體，三組聯動推進人工智能課程的開發與實踐。三組是：項目組、教研組和集備組。具體做法是：

項目組的做法：根據人工智能項目管理計劃書的內容和要求，3月初進行項目工作總結和4月份計劃匯報，5月份進行了中期匯報。進一步梳理人工智能校本課程的內容，促進人工智能課程實施與落地，進行了生本AI人工智能校本課程的開發與研究，重點對課程目標和課程內容進行了設計和探索。

教研組的做法：1.參加區首次信息技術教研活動，明確方向和工作重點。組織信息技術教師按時參加區里首次信息技術教研活動，并將區里的要求傳達給每一位信息技術老師，為接下來的工作做好鋪墊指明方向。2. 教研組內進行磨課，四年級潘倩老師執教了四年級AI神奇動物—敏捷的蛇；徐娜老執教了五年級AI神奇變形工坊—設計“地雷”，課后及時聽評課，提出優點與不足，并進一步改進完善。

集備組活動：各年級備課組利用雙周周二上午時間進行集備，研究本周的上課內容、梳理課堂具體流程及教學設計。

3.加強教師培養力度，積極組織教師參加人工智能培訓和學習。學校鼓勵教師進行小課題的研究，提升教學專業素養。2019年區級小課題《小學人工智能課程體系、教學策略和教學評價的研究》順利結題。2020年區級小課題《奎文區人工智能教育專項課題--小學人工智能教育教學策略及評價方法的研究》立項。

4.為了拓寬視野，為人工智能教育的發展進一步指明方向。落實請進來：邀請區教研室專家進校為學校人工智能開展情況進行診斷；邀請優必選指導老師入校指導人工智能課程，并進行賽事輔導和培訓。

5.為了給學生的學習搭建更廣闊的平臺，豐富學生的課余文化生活，促進學生信息素養的提升。以賽促學，積極組織學生參加各級各類比賽。

四、取得成效

1.學校層面：以人工智能教育為契機近年來，我校的信息化、數字化、智能化水平不斷提升，互聯網+教育、智慧校園工作取得了巨大的進步，學校獲得省市區多項榮譽。

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關鍵詞：新工科；人工智能導論；實踐教學；校企合作；案例庫

隨著物聯網、大數據、5G及人工智能等信息技術的發展，為了應對中國產業變革及新一輪的科技革命，適應“中國制造2025”國家戰略需要及產業經濟創新發展，同時將國際工程教育思想本土化，“新工科”應運而生[1]。信息技術發展催生出了人工智能相關的專業，國內高校紛紛設立了智能科學與技術專業。近年來，人工智能技術的發展引領著人類社會正逐漸走進智能社會，人工智能將深刻影響人類社會。隨著人工智能的進一步發展，高等教育的價值也將進一步提高[2]。因此，各高校應盡快建立與新工科相一致的智能科學與技術專業，并深入研究我國人工智能的人才培養體系、課程設置、實驗平臺及成果轉化等方法，改革傳統人工智能的教育教學方法，形成有新工科特色的智能科學與技術專業工程教育方法。由于傳統的專業是按學科劃分的，因此，目前的智能科學與技術專業課程體系以理論為主，強調學科知識的系統性和完備性[3]。人工智能導論作為智能科學與技術專業的核心課程，同時也是人工智能“入門性”和“引導性”的課程。但是，目前人工智能導論的課程設置上主要存在課程內容陳舊、實踐課程不足、教材理論過強、教學模式老舊及實踐教學與企業需求不適應等問題。尤其是人工智能導論課程，缺乏實踐教學將會降低學生學習人工智能的興趣和積極性。因此，為了解決這些問題，并使高校跟上人工智能時代的腳步，抓住高等教育發展的新機遇，進行面向新工科的人工智能導論實踐教學模式探索具有重要的現實意義。

1人工智能對新工科人才的新要求

1.1具備多學科交叉知識。人工智能導論是一個多個學科交叉而成的一門課程。人工智能導論主要包括知識系統、智能搜索技術、腦科學、機器學習、神經網絡、支持向量機、專家系統、智能計算及分布式智能等內容[4]。因此，一個合格人工智能專業人才需要具備多學科知識。1.2具備多領域應用能力。人工智能導論的應用領域廣泛，基本包含工業、農業及社會生活的各個行業（如工業生產、通信、醫療、金融、社會治安、交通領域及服務業等）[5]。人工智能導論課程要求學生在學好理論前提下也應該掌握各行業的相關知識，只有這樣才能提高人工智能技術在各領域的應用。1.3具備人工智能創新創業精神。目前，創新驅動發展成為了我國現階段發展的重要力量，人工智能成為經濟發展的新引擎[5]。在大眾創業、萬眾創新的號角下，人工智能技術作為創新創業過程中的一個大趨勢。因此，當今新形勢下培養具有創新創業精神的人工智能專業人才對我國經濟發展及大學畢業生創新創業具有重要意義。1.4具備人工智能人文素養。人的內在品質就是人文素養，人文科學的知識水平和研究能力是人文素養的重要組成部分，人文素養是人文科學體現出來的以人為研究對象和中心的精神[6]。人工智能對人類社會帶來的是便利還是帶來災難，關鍵是使用者的思想道德和人文素養。因此，培養具有人文精神的人工智能專業人才具有重要的意義。

2人工智能導論課程教學現狀

目前，許多高校已經認識到傳統的人工智能導論課程已經不能適應社會和學生發展的需要。尤其是地方普通高校在師資、科研及學科力量薄弱情況下進行人工智能導論的實踐教學。目前人工智能導論的課程設置上主要存在的問題如下：⑴本科生課程內容陳舊。近年來，隨著云計算、大數據、5G等信息技術的快速發展，也帶動人工智能技術發展日新月異。對于高校來說，要緊跟人工智能技術前沿，傳授學生的知識也要緊跟人工智能的發展。目前，雖然也出現了不少新的人工智能導論教材，但在課堂上能夠教學的新內容仍然不多，教材內容仍然集中在傳統的人工智能技術（如問題求解、知識表示、歸結原理及經典推理等技術）上。⑵研究生課程內容重疊。研究生的人工智能導論課程應作為本科生課程的一個延續，但部分高校對研究生人工智能導論課程的教學重視不夠。很多本科生已經學過的內容在研究生階段又進行了重復。因此，在新工科背景下培養高層次的人工智能人才，就必須要在研究生階段加強新工科人才實踐能力的培養，選擇合理的人工智能導論課程，改革研究生階段人工智能導論的教學理念和教學模式。⑶實踐課程不足。實踐教學是提高人工智能新工科人才能力的重要路徑。目前，大多數院校的人工智能導論課程理論與實踐聯系不夠緊密，對學生實踐能力的培養不夠，只知道理論，而不進行實際的實踐應用就不能成為合格的人工智能新工科人才。另外，大多數地方高校的人工智能實驗室建設投入不足，實驗條件差，驗證性的實驗較多，實驗課時不足，學生對人工智能新技術的接觸不夠。⑷人工智能導論教材理論性過強。目前，現有的人工智能導論教材以理論為主，缺乏人工智能實踐內容。在課程教學過程中學生經常會感覺索然無味，當實踐課程開設不足時，這種情況會非常明顯。學生會漸漸的對人工智能導論課程失去興趣和熱情，最終會導致課程的教學質量和效果下降，不能達到新工科人工智能專業人才培養的預期。⑸教學模式老舊。人工智能導論是多學科交叉的課程，課程內容理論性強、抽象、多知識點是新工科的特點。然而，大多數地方高校仍然采用過去的課堂教學模式（即“教師講、學生聽”的教學模式），這種單向灌輸的教學方式以教師為主，學生的主動性不夠，只是在被動接收知識。學校這種重視理論不重視實踐的教學模式，在一定程度上影響了新工科人才的實踐能力，從而導致教學內容與企業社會需求脫節。

3人工智能導論實踐教學初探

3.1人工智能導論課程實踐平臺建設。為了提高學生對實踐教學的興趣，南陽師范學院計算機科學與技術學院在人工智能導論授課過程中廣泛應用多種計算機實驗教學平臺，如采用開源的PaddlePaddle百度飛槳深度學習平臺，希冀一體化人工智能實踐教學平臺及大數據綜合實驗平臺。教師可以在實踐教學過程中方便的使用這些平臺進行授課，學生也可以在課堂中跟隨老師完成相關實驗，并能夠在課下進行相關實驗練習及提交作業。3.2人工智能導論課程實驗內容優化。在人工智能導論實踐教學過程中，以學生興趣為導向，開展相關應用課程實驗，南陽師范學院計算機科學與技術學院對人工智能導論實驗課程內容進行優化。優化后的主要實驗課程包括搜索優化算法實現、智能計算實現、貝葉斯分類實驗、最近鄰算法實驗、機器學習實驗及神經網絡實驗。最后，通過期末課程設計進一步提高學生解決實際問題及創新創業的能力。3.3人工智能導論實踐教學模式改革。⑴校企合作為使人工智能導論實踐教學不與企業脫節，校企合作是關鍵。應積極派遣教師進企業進修，了解企業需求，并提高教師的工程能力。從2018年以來，南陽師范學院計算機科學與技術學院每年暑假期間累積派遣教師58人/次前往百度、中興、科大訊飛、神舟數碼及江蘇傳智播客公司等進修培訓。同時已經在固定時間邀請相關企業講師到學校進行人工智能方面的項目教學。建立起了具有地方區域特色的師資隊伍及校企協調的實踐教學模式，從而避免人工智能導論課程實踐與企業實際脫節。⑵“雙導師”負責制人工智能導論實踐課程實行“雙導師”制，邀請企業中實踐經驗豐富的人才任教或任職，校企合作建立實踐教師指導團隊，改革教學策略及教學方法，以項目為牽引，將人工智能導論實踐課程作為第二課堂學分。還要積極制定人工智能相關的科技作品競賽的獎勵機制，積極引導學生參加各種人工智能相關的比賽，從而進一步提高學生在創新實踐方面的能力。⑶采用案例教學法以案例導入進行教學，提高學生興趣。首先，從人工智能競賽的部分賽事中、（如百度的人工智能大賽，“2020年全國人工智能大賽”，“2020中國高校計算機大賽人工智能創意賽”等）中選取貼近實際問題的案例作為人工智能導論實踐課程的案例來源。然后，采用目前主流的人工智能開發軟件進行算法代碼的編寫，引導學生采用Python語言調用第三方接口庫進行算法的實現。最后，讓學生使用主流的編程語言（如C++、Java等）開發完善算法或進行系統設計與實現。

4結束語

在新工科背景下，人工智能導論作為智能科學與技術專業的基礎核心課程，人工智能人才培養應注重提高學生解決問題的能力。在這種背景下，筆者結合近年來了解到的企業需求和上課的實際，對人工智能導論實踐教學模式進行初探，具體如下：①校企合作，構建人工智能實踐平臺；②建立案例庫，優化實踐的內容；③校企“雙導師”制，采用案例教學，從而進一步提高學生在創新實踐方面的能力。

參考文獻:

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[3]陳義明,劉桂波,張林峰等.智能科學與技術專業課程體系建設的理論思考[J].計算機教育,2020.309(9):103-107

[4]劉永,胡欽曉.論人工智能教育的未來發展:基于學科建設的視角[J].中國電化教育,2020.2:37-42

[5]姚琳,石志國.人工智能課程體系與教學方法研究[J].中國大學教學,2019.10:19-22

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關鍵詞:人工智能;理論傳授;實驗訓練;科研訓練

人工智能(Artificial Intelligence,AI)是計算機科學與技術專業的一門重要專業課程,是一門研究運用計算機模擬和延伸人腦功能的綜合性學科。它研究如何用計算機模仿人腦所從事的推理、證明、識別、理解、設計、學習、思考、規劃以及問題求解等思維活動,并以此解決需要人類專家才能處理的復雜問題,例如咨詢、診斷、預測、規劃等決策性問題[1]。人工智能是一門涉及數學、計算機、控制論、信息學、心理學、哲學等學科的交叉和綜合學科。目前,人工智能很多研究領域,如自然語言處理、模式識別、機器學習、數據挖掘、智能檢索、機器人技術、智能計算等都走在了信息技術的前沿,有許多研究成果已經進入并影響了人們的生活。

2003年12月5日,國內第一個“智能科學與技術”本科專業在北京大學誕生[2],它標志著我國智能科學與技術本科教育的開始,對我國智能科學技術人才培養和智能科學與技術學科建設起到極大的帶動作用。目前,人工智能課程的教學存在幾個問題:首先,注重講授理論知識,實驗環節滯后,這不利于培養學生的實踐能力,更談不上實踐創新。其次,人工智能是交叉學科,內容比較繁雜,各種教材的內容不一樣,授課沒有統一的體系,學生學習時抓不住重點,不能理解人工智能的根本方法和思想。一般說來,計算機專業的其他課程,如網絡技術、數據庫技術、算法分析與設計等,都是求解結構化問題的基本技術,而人工智能技術則是解決非結構化、半結構化問題的有效技術。最后,人工智能科學與技術飛速發展,但目前人工智能只被視為一門專業課,課程講授和人工智能沒有作為一個研究方向結合起來,也沒有把傳授課本知識和引導啟發創新結合起來。

適應知識經濟發展的高等教育,要把培養創造精神和創新能力擺在突出的位置。創新是基礎研究的生命,而高等學校的教學只有與科研緊密結合,才能在培養學生的創新精神方面有所作為。為此,針對人工智能的課程特點,我們積極開展研究型教學、研究型學習,提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力的研究與實踐。在教材上,我們選用了清華大學出版社出版、馬少平等編寫的《人工智能》。我們的教學研究與實踐的主要內容包括三個方面:啟發式傳授人工智能解決問題的非結構化的思想;成體系的實驗訓練;以及與畢業論文,學校大學生科研項目資助計劃,國家大學生創新性實驗計劃相對接的科研訓練。這三個主要方面,層層遞進、環環相扣,是體系完整的創新型人工智能教學實踐。下面,我們就這三個方面內容展開探討。

1啟發式傳授人工智能解決問題的非結構化思想

現實世界的問題可以按照結構化程度劃分成三個層次[1]:1)結構化問題,能用形式化(或稱公式化)方法描述和求解的一類問題;2)非結構化問題,難以用確定的形式來描述,主要根據經驗來求解;3)半結構化問題,介于上述兩者之間。一般說來,計算機專業的其他課程如網絡技術、數據庫技術、算法分析與設計等,都是求解結構化問題的基本技術。而人工智能技術則是解決非結構化、半結構化問題的有效技術。人工智能的教學可以讓學生在體驗、認識人工智能知識與技術的過程中獲得對非結構化、半結構化問題的解決過程的了解,從而達到培養學生多角度思維的目的。

我們使用的教材主要內容包括搜索和高級搜素、謂詞邏輯和歸結原理、知識表示、不確定性推理方法、機器學習等。這些主要內容也可以相應地歸結為若干個典型算法,如啟發式A*搜索算法、 剪枝算法、元啟發式算法(模擬退火,遺傳算法)、謂詞邏輯歸結算法、貝葉斯網絡、決策樹、神經網絡(BP算法、自組織網絡和Hopfield神經網絡算法)。元啟發式算法是一種啟發式的隨機算法,是用來解決非結構化問題的典型算法,其思想和傳統的決定性算法如動態規劃、分支限界完全不一樣。學生在剛一接觸到這些元啟發式算法一時難以接受和理解其機理,對算法的有效性往往半信半疑。根據非結構化、半結構化問題的特點,講解和演示算法在解決此類問題的具體步驟和詳細過程,從而讓學生掌握人工智能算法的基本思想。在講解不同的元啟發式算法的時候,學生會問,是模擬退火算法強,還是遺傳算法強;在講到機器學習算法的時候,學生會問到底哪個分類算法最好,這時候我們可以把搜索(優化)領域和機器學習領域的“沒有免費午餐”定理進行適當的講解和解釋,從而把具體算法實現層面之上的一些人工智能的哲學思想進行傳授。

在人工智能的具體教學中,采用問題教學法和參與式教學法。在問題教學法中,圍繞人工智能的知識模塊,在引導學生發現各種各樣問題的前提下,傳授知識。教學活動中,嘗試使人工智能知識圍繞實際問題而展現,使問題不僅成為激發學生求知欲的前提,也成為學生期盼、理解和吸收知識的前提,以此激發學生的創造動機和創造性思維。在參與式教學中,打破人工智能算法的枯燥、沉悶的傳統教學法,嘗試開放式教學內容;提問式講課;無標準答案的課程設計;查找文獻,分組動手實現人工智能算法等參與式教學方法,培養和發揚學生的參與意識,通過參與式教學提高學生學習的主動性、積極性和效率,培養學生的動手能力和創新能力。

2成體系的實驗訓練

獨立開展人工智能實驗課程,開發一批新型、富有創意的實驗案例庫,搭建一個創新實驗和虛擬學習社區平臺。人工智能實驗課程的特點是應用各種人工智能方法,根據問題的約束、結構、信息進行表示建模和計算機上實現,是與人工智能原理同步的實驗課程。學生必須掌握的人工智能的基本原理和計算機操作技能,它對于學生的知識、能力和綜合素質的培養與提高起著至關重要的作用,在整個教學過程中占有非常重要的地位,是計算機軟件、計算機應用、計算機網絡、軟件工程等專業的一門重要的必修專業課程。通過實驗,學生得到嚴格的訓練,能規范地掌握人工智能的基本理論和主要方法、基本問題求解技術,熟悉各種計算環境的基本使用。

在培養學生掌握實驗的基本操作、基本技能和基本知識的同時,努力培養學生的創新意識與創新能力。為實現這一目標,在課程內容安排上采用適量基本原理與方法的實驗內容為基本內容,增加一系列綜合性實驗和開放性創新實驗問題,在實驗內容方面更注重研究性實驗中的創新問題。實驗內容方面分為三個層次:基本原理的基礎性實驗、綜合實驗和研究性實驗。在后兩個層次的實驗中,部分引入人工智能課程小組團隊的最新科研成果,目的在于通過完成這些研究性實驗,培養學生獨立解決實際問題的能力,以提升學生的科研素質與創新意識。我們將這些設計實驗稱為新型實驗案例庫,它被放在人工智能課程小組網站上,以此搭建一個創新實驗和虛擬學習社區平臺。通過實驗課程的學習和訓練,學生應達到下列要求。

1) 掌握人工智能方法的優點及其在實際中的應用。

2) 學會對人工智能問題進行分析建模和應用各種計算工具實現問題求解,熟悉對實驗現象的觀察和記錄,實驗數據的獲取與設計,最佳實驗條件的判斷和選擇,實驗結果的分析和討論等一套嚴謹的實驗方法。

3) 鞏固并加深對人工智能原理課程的基本原理和概念的理解,培養學生勤奮學習,求真求實的科學品德,培養學生的動手能力、觀察能力、查閱文獻能力、思維能力、想象能力、表達能力。

4) 通過完成綜合研究性實驗,培養學生獨立解決實際問題的能力,提高學生的科研素質與創新意識。

在培養學生掌握實驗的基本操作、基本技能和基本知識的同時,進一步培養學生分析問題和解決問題的能力,培養學生的創新意識、創新精神和創新能力,為學生今后從事科研、教學或企事業單位的分析檢驗以及新技術的研發工作打下扎實的基礎。

在實驗組織方面,根據各實驗的目的和要求,學生分為5人1組,指定一個組長,每組選擇1套實驗題目。基礎實驗題目要求達到27學時、綜合性實驗題目選擇1題和研究性實驗題目選擇1題,基礎實驗題目要求在規定時間內,小組獨立完成實驗測定、數據處理,并撰寫實驗報告。實驗過程中, 要求學生勤于動手, 敏銳觀察, 細心操作, 開動腦筋, 分析鉆研問題, 準確記錄原始數據, 經教師檢查,實驗及其原始數據記錄才有效。同時,團隊作業,需要多人分工合作、相互幫助,這樣可以提高人際交往和溝通能力,學會與他人合作,培養團隊創新能力。

3課程學習與畢業論文,科研訓練相結合

人工智能技術在一定程度上代表著信息技術的前沿和未來,通過學習和體驗人工智能的知識和技術,學生能夠在一定程度上了解信息技術發展的前沿知識,這有助學生開闊視野、培養興趣,為今后繼續深造或走向社會奠定堅實的基礎[3-4]。

人工智能的理論和方法廣泛應用于數據挖掘、機器學習、模式識別、圖像處理中,這些內容既是高年級的后續課程,又是現在熱門的研究方向。學習和深刻理解人工智能的理論、方法和應用,對后續課程學習以及今后的研究具有重要的意義。

我院規定大學三年級的學生開始聯系畢業論文指導導師,同時確定畢業論文的研究方向,提前進行科研實踐,以培養實踐能力和研究素質。人工智能課程正好是大三高年級開設的專業課,因此,我們把課程實驗及設計與同學的興趣相結合,引導學生,并提煉和形成學生的畢業選題和課外的科研方向,它是提高本科生研究創新能力的有效手段。

基于新的教學實踐,很多學生的選題都與上述歸納的人工智能若干算法相關,如算法本身的研究和改進,或是算法在各領域,如數據挖掘、圖像處理等的應用。在我們的科研能力訓練計劃中,一批項目和課題,如混合神經網絡的研究與應用、差分演化算法研究與應用、基于協同訓練的推薦系統等,分別受到國家和學校本科生科研項目立項資助。一批三四年級的本科生以第一作者身份在國內核心期刊、國際會議和期刊上發表學術論文,這激發了學生的科研興趣,使學生體會到了創新的樂趣。

總之,課程學習與畢業論文、學校大學生科研項目資助計劃、國家大學生創新性實驗計劃相對接的科研訓練,極大地提升了學生的創新能力和科研基本素質。

4結語

針對人工智能的課程特點,我們積極開展研究型教學、研究型學習,提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力的研究與實踐。我們的教學研究與實踐主要內容包括三個方面:啟發式傳授人工智能解決問題的非結構化的思想;成體系的實驗訓練;以及與畢業論文、學校大學生科研項目資助計劃、國家大學生創新性實驗計劃相對接的科研訓練。這三個主要方面,層層遞進、環環相扣,是體系完整的創新型人工智能教學實踐,新的改革和實踐在教學中取得了令人滿意效果。

參考文獻:

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Reform and Practice of Innovative Teaching in Artificial Intelligence

WANG Jia-hai, YIN Jian, LING Ying-biao

(Department of Computer Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)

篇5

要實現《中國教育現代化2035》的目標，難點和重點是在農村。面對時代挑戰，解決農村教育現代化的問題，需要我們把目光投向農村，充分運用信息技術、人工智能、大數據等手段，幫助農村教師提升信息素養，幫助農村提高教育質量，促進教育公平，讓農村的孩子能享有公平而有質量的教育。農村教育和城市教育有相同之處，也有各自不同的優勢。在信息技術與教育融合的道路上，農村不能完全套用城市的發展思路和模式，不能盲目追求硬件設備的高大上，而要探索出與自身優勢結合的發展路徑，解決好人機關系的問題。

第一，始終把提高教育質量放在首位，但要避免重蹈應試教育的覆轍。在技術與教育深度融合的過程中，最重要的問題是要明確目的和手段的關系。教育的根本任務是立德樹人，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。技術應用到教育中的最終目的，是為了培養人。相較于城市，農村教育的基礎較為薄弱，可以充分利用信息化手段，把城市優質資源輸送到農村，并且使用技術提高教學效率。但要避免走入技術助長應試教育的誤區，要以育人為前提，在實際教育教學中恰當融入信息技術。

第二，要進一步加強農村地區教師隊伍建設，提高教師的業務水平和信息素養。免費師范生政策、特崗教師計劃及鄉村教師支持計劃等政策的出臺，解決了一些偏遠農村教師“下得去、留得住”的問題。

教育部的《全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》中明確指出，“信息技術應用能力是新時代高素質教師的核心素養”。要實現“教得好”的目標，可以充分發揮信息技術的優勢，一方面通過網絡等手段，為他們提供更多進修、培訓、同行交流的機會和平臺；另一方面幫助農村教師提升信息素養，借助技術手段提高教育教學質量，增強農村教師的成就感和自信心。

篇6

人工智能技術的誕生，為人類探索計算機科技、便捷生活展望了美好的前景，提供了豐富的想象空間，在社會科學中的應用廣泛。教育手段革新，需要一種新的技術作為保障和支持。人工智能技術應用的普遍性和網絡教育技術發展的需求性一拍即合，成為一種新的教育發展模式。本文將對人工智能在網絡教育中的應用進行探究。

【關鍵詞】人工智能 網絡教育 具體應用

1 網絡教育模式的發展現狀

1.1 網絡教育的優勢

網絡教育模式是對傳統課堂教育模式的更新與演進，傳統課堂教育模式具有交流便捷、課堂管理方便的優勢，但是也受到空間和時間的雙重限制，需要繳納昂貴的場地和設施費用，難以追趕新時期人們快捷的工作步伐。網絡教育通過互聯網遠程傳遞，在繼承和發展了傳統課堂優勢的同時，彌補了缺點和不足，在虛擬的網絡環境，擺脫了有關時間、空間、身份等諸多限制，促進了教育手段的創新，為人們提供了更多接受教育的機會，促進了國民教育水平的提高。

1.2 網絡教育存在的問題

網絡教育的問題主要體現在以下方面：

1.2.1 操作平臺的局限性

網絡教育登錄界面的首頁，一般包含著課程選擇、成績查詢、習題演練、師資介紹等基本內容，這容易導致眾多網絡教育平臺具有相同的首頁模板和計算機程序，不同平臺、不同學科、不同專業沒能充分體現出其獨一無二的課程特色。操作平臺具有局限性，無法充分體現人性化特色和該課程的特殊化要求。

1.2.2 教學方式的一致性

網絡教學中，一般采用計算機程序設定好的流程，授課、復習、習題演練、期末考試、綜合評估為基本程序，流程化操作，無法根據學生的學習特點和成績要求制定相應的教學方式。教學評價流程過于死板，無法像教師一樣考慮其他綜合因素進行分析，這就容易導致考試系統的公平性、評分的合理性受到質疑，無法體現教學權威性。

1.2.3 服務系統的落后性

網絡教育是以計算機的軟件程序為表現載體，將教學課程和學習方式相融合。隨著知識體系更新換代的不斷加快，學術糾錯的發生，課程及時更新也是十分重要的。但是網絡教育服務系統具有一定的落后性和延時性，傳遞的知識和答疑手段相對落后，影響著網絡教育的準確性和科學性。

2 人工智能在網絡教育中的具體應用

網絡教育缺陷的存在，其重要原因是教育流程系統的“剛性”無法符合學習者不同的教學需求，不懂得如何具體因人而異、因材施教；而人工智能“柔性”的工作特點，可以有綜合考慮各種影響因素，并及時調節，恰好是對缺陷的補充。事實證明，人工智能在網絡教育中的具體應用也取得了較好的效果，主要體現在以下方面：

2.1 專家系統的應用

專家系統是對智能教學系統、決策系統、導學系統以及先進的智能化硬件設備的總稱。傳統的網絡教育是流程化、規范化的，智能化教學系統是對每個流程應用智能化手段，促進教學過程的科學性。

2.1.1 智能決策系統。

在課程開始之前，增設智能決策功能即智能決策系統，類似于學校的入學考試，對學生的學習能力、成績水平、智力狀況進行基本的分析和了解，以學生能力而不是教師要求為教學依據，制定合理的教學計劃和學習方案；通過智能化設計，確定學習成績分階段測試計劃、智力開發方案和考試模擬系統等，通過這些方式，實現對學生能力的充分開發。

2.1.2 智能導學系統

這是通過對學生一定時期學習環境的營造，通過對環境內各影響因素施加措施，為學生的學習提供優質條件。影響因素包括教師、學習資源、外部因素等，一旦學生學習沒有達到預定的目標，教師模塊就會對學生的動態行為做出科學正確的指導，并向正確的學習軌跡糾正；學生學習所需要的參考資料、試卷分析、時事熱點等，會根據學生的學習進展情況及時更新資料庫；學生在學習中遭遇困境，系統會根據智能化發揮引導和提醒功能。

2.1.3 智能教學系統和智能化硬件設備

智能教學系統和智能化硬件設備分別是智能學習系統的軟件和硬件載體。智能教學系統是智能決策和智能導學子系統的綜合，是幾種不同模式的組合與搭配，最終出現適合學生自身的學習模式，并且讓系統關系更加穩固；硬件系統是網絡學習的基礎和載體，包括傳輸設備中的路由器、交換機設備，終端的打印機、攝像頭等。

2.2 其他人工智能系統的應用

2.2.1 語言處理系統

語言處理系統在人工智能領域是一種應用較為廣泛的技術，系統內部擁有錄音模塊、語言識別模塊、轉換模塊和輸出模塊。學生向錄音系統發出聲音，語言識別和轉換模塊將語言轉化為文字顯示在計算機界面上。就目前的技術來說，語言處理系統可以處理簡單口語和書面語言，局限在普通話，隨著語言庫的升級，語言處理系統的功能會越來越強大。這一功能的出現，對學生學習語言口語和減少文字任務有很大的幫助。

2.2.2 知識庫系統

知識庫系統是對知識和數據的整合、匯總和儲存，學生僅依靠記憶中對知識的只言片語和殘損記憶，發揮知識庫強大搜索功能，自動分辨出關鍵詞，并提供完整的數據。這對學生學習記錄的查找和知識的復習有很大幫助，也有助于系統的升級和完善。

3 促進人工智能在網絡教育中應用的具體措施

3.1 加大資金支持

資金支持是發展新科技的堅實保證，政府和相關機構應該重視人工智能在網絡教育發展中的巨大作用，提供政策的優惠和資金撥款，給予場地和設備的支持。有了資金的支持，可以吸引優秀人才開展系統研發和技術升級工作，可以為人工智能的應用提供高性能、高水平、先進的硬件設施保障。

3.2 開展教學實施

應該積極促進人工智能在網絡教育中的教學實施活動，通過一線學習的監測和實驗，推動新技術的普及與應用。在相關專業院校安裝人工智能軟件，也是促進教學實施的有效途徑。

4 結束語

綜上所述，人工智能是一項應用廣泛，可研究性強的計算機前沿技術。通過人工智能相關技術的研究，能夠解決網絡教育中存在的諸多問題，提高學生的學習質量和效率，方便老師的教學管理，以及對教育教學模式將產生深刻影響。

參考文獻

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[4]陳建鋒.人工智能及其在計算機網絡技術中的應用[J].城市建設理論研究.2015（03）.

作者簡介

侯燕（1981-），女，山東省濟寧市人。碩士學歷。現為齊魯師范學院講師。研究方向為計算機應用。

篇7

關鍵詞：航天類專業 人工智能 教學探索

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0155-02

面對航天科技迅猛發展，現代軍備技術快速提升，培養具有專業性的高素質航天類人才，是我國航天科技發展的戰略選擇，也是航天重點高校面向并有效服務航天事業的歷史責任。航天類本科生的教育形式也需要突破傳統的方式，著重多樣性、前沿性、工程性，因此，該專業的各門課程教育都應該結合專業特點，探索新的教學模式。

人工智能自1956年誕生50多年以來，引起眾多科研機構、政府和企業的空前關注，已成為一門具有日臻完善的理論基礎、日益廣泛的應用領域和廣泛交叉的前沿學科。由于航天領域的特殊要求，人工智能在其發展中發揮著不可替代的重要作用，各發達國家都相繼開展了人工智能與航天技術相結合的研究，致力于實現可重構的、具有容錯能力的、智能的飛行系統和管理系統。因此，“人工智能”作為航天類專業的一門特色選修課，應結合專業特點展開更具有實用性和創新性的教學。

1 人工智能課程特點

一方面，“人工智能”是一門多學科交叉的綜合學科，它涉及計算機科學、數學、心理學、認知科學等眾多領域，具有知識點多、涉及面廣、內容抽象、不易理解、理論性強等特點，使得該課程的教學具有較大的靈活度和較高的難度。另一方面，“人工智能”是一門正在發展中的學科，具有較強的前沿性，計算機科學、信息科學、生物科學等相關學科的發展不斷的提出了許多新的研究目標和研究課題，使得人工智能的技術和算法也需要不斷更新，這在很大程度上增加了“人工智能”課程的教學難度。

2 航天類專業特點

首先，航天類專業具有較強的工程性。在專業的教學改革中有統一的特點，即強調要體現航天工程技術的綜合性、系統性， 注重培養復合型人才。其次，航天類專業具有一定的前沿性。因為航天飛行器作為現代高科技和多種學科技術綜合應用的結晶，應及時把現代先進科技融入到了專業基礎和專業類的課程教學中， 專業知識更新快成為又一特點；另外，航天類專業應注重實踐性教育。尊重個性和興趣，強調動手能力，實驗室對學生開放，要求學生自主地設計完成實驗，強調對學生設計理念和創造能力的培養。最后，航天類專業應重視產學合作。產學合作的目的在于推動學校與航天產業的持續全面合作，造就一支科學技術研究和工程實踐兼備的教師隊伍。

3 教學模式的探索

3.1 教材的選擇

人工智能作為一門新興的學科，其理論與方法都還在不斷的發展與完善中。就目前來看，關于人工智能的定義和范圍都沒有一個統一的標準，不同的教材所介紹的內容也不盡相同。在教材選用方面，需要綜合考慮專業特點和學生的知識背景。本課程主要針對航天類專業高年級本科生，該類學生具有一定的數學、計算機、信息論、通信理論等基礎知識，對航天應用的基本需求有初步的了解，因此，“人工智能”課程難度應該控制在中級，可以較深入的介紹人工智能的基礎算法和應用案例。

中南大學蔡自興教授積累了多年的教學與科研經驗，借鑒了國內外其他專家和作者的最新研究成果，吸取了國內和國外人工智能領域學術書籍的長處，于1987年編寫了“人工智能及其應用”一書，該書根據人工智能學科的新發展不斷修訂，推出四個版本。本課程采用“人工智能及其應用（第4版）”，其中大部分內容適合本科生學習。另外，本課程還給學生提供其他一些參考書目，如N.J.Nilsson 的“Artificial Intelligence：A New Synthesis.Morgan Kanfmann”等經典教材。

3.2 課堂教學形式的探索

“人工智能”課程內容較抽象，概念較為繁多，若采用單一的課堂講授的方式，學生容易概念混淆、理解不透，逐漸產生厭倦情緒，導致教學效果差。本文探索不同的課堂教學手段，根據不同內容采用不同的教學手段，有利于學生對課程內容的理解與吸收。另外，考慮到航天類的專業特點，突出課程內容的工程應用，增加研究性質的教學內容與形式，有利于培養學生的創新能力和實踐能力。

（1）課件采用圖文并茂的PPT。綜合利用文字、圖像、聲音、視頻等多種媒體表示方法，在介紹原理和概念時采用精辟的文字，介紹算法流程時采用圖像，介紹算法應用時采用視頻。在PPT中適當利用不同的字體、顏色或動畫來突出重點，細化流程，引導學生的思路，便于集中注意力接受重點內容。

（2）適當增加課堂討論與練習。對于人工智能的一些基本問題，可以引導學生進行調研和討論，來深化課程內容的了解，并提高學生的學習興趣；對于重要的算法和理論，可以增加課堂練習，讓學生實際動手進行公式的推導或演算，并在練習中分析學生對問題的理解程度，有針對性的增加講解或指導。

（3）適當采用類比的講解方式。對人工智能的不同學派，不同方方法，以及方法的不同應用，廣泛的采用類比的形式進行講解，不僅可以復習已學習的內容，也利于對新內容的理解。并且，通過對不同內容的比較總結相似點、區分不同點，可以避免概念的混淆，清晰的掌握課程內容。

（4）增加研究性教學。研究性教學強調通過問題來進行學習，有必要將實際應用案例或者授課教師的科研項目融入日常的教學工作中去，用“啟發式”、“案例式”教學激發學生“自主學習”能力。

3.3 課程內容的探索

一方面，鑒于本科生知識結構還不夠完善，“人工智能”課程的內容要控制在適應本科生學科基礎的中等難度；另一方面，鑒于航天類專業的特點，課程內容應更注重與航天應用相結合的內容，并且在課程中增加具體應用的介紹。具體的課程內容如表1所示。

3.4 考核形式的改革

“人工智能”課程注重學生創新能力和實踐能力的培養，傳統的試卷形式不能全面的反應學生的學習效果，因此，應采用課堂表現和課程報告相結合的方式進行綜合考核。

一方面，重視學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，對學生課堂討論與練習的表現進行考核評分，作為總成績的參考；另一方面，注重學生課題調研和實踐的能力，采取提交課程論文的形式進行考核。正確引導學生根據個人興趣、課程內容、可行性、實踐難度進行合理選題，并根據所選題目進行文獻查閱和總結，完成調研報告或算法實現報告。結合者兩個方面進行最終成績的評定，綜合衡量學生問題分析能力、論文寫作能力和創新實踐能力。

4 結語

航天類專業的本科生教學需針對專業特點有的放矢，該專業的課程教育都應該趨向于前沿性、專業性和實用性。本文的“人工智能”課程教學改革方案不僅考慮到該課程屬于前沿叉學科的特點，也綜合考慮了航天類專業的特點。為了使課程教學更好地服務于學生，本文提出的改革方案打破傳統的教學模式，將課堂理論講解、課堂討論、課后調研、項目實踐等相結合，充分調動學生的學習興趣和積極性，提高學生的創新能力，有利于培養真正符合航天領域所需要的綜合型高級人才。

參考文獻

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篇8

“農村地區的孩子，越來越難考上好學校。像我這種屬于中產階級家庭的孩子，衣食無憂，而且家長也都是知識分子，而且還生在北京這種大城市，所以在教育資源上享受了得天獨厚的優越條件。”2017年北京高考文科狀元熊軒昂的這一段話紅遍了網絡，人們再次掀起對教育資源分配不均現實的討論。與此同時，另一位高考網紅也出現了，沒有知識分子家長和中產階級的家庭，也沒有享受北京的教育資源，卻和高考狀元們同場競技并取得了134分的數學高分，這就是學霸君的智能教育機器人Aidam。

將人工智能應用到機器人參加高考是為了什么，像AlphaGo一樣挑戰極限？學霸君的創始人兼CEO張凱磊表示：“很多人都搞錯了，我們做機器人自動解題，不是為了去挑戰人類做題的能力，這是沒有意義的，機器不可能自我覺醒地去發現一個新定理。” 他對智能教育機器人的期望是成為人類的助教，而且是可以針對每個學生的個性化助教。

超越“老中醫”

在初高中階段，一個優秀的教師是怎么樣的呢？假設他在考試后批閱學生的卷子，除了卷子上題目的對錯，他還會回憶學生近期的表現，分析學生為什么會錯，是知識點沒掌握，還是無法將題目的信息和已有的知識相聯系。優秀的教師由此在腦海中對每個學生有一個整體的感覺，知道如何因材施教，然而這種感知能力是要靠長期經驗積累的（而且并非人人都能達到），難以表述和傳授，只有靠少數極優秀的老師進行方法總結，但代際傳承的效果并不好。

張凱磊認為，教育資源的不足，本質是優秀教師數量的不足。如果能在降低教師負擔的同時，將優秀教師的能力“復制”給普通教師，同時“放大”這種能力，將大大緩解教育資源不足的問題。

他將教師的工作和醫生進行了類比。醫生的工作可以劃分為診斷和治療兩部分，對應教師對學生的能力判斷和知識講解。目前的教育模式恰似傳統的中醫，診斷同樣是要靠醫生 “望聞問切”的個人水平，而且傳授不易。“沒有清晰的數字可讓人理解，也沒有可供分析的系統。”但現在醫院已經靠數字化很大程度上解決了診斷的問題，“未來教育也會變成一個有科學依據，有信息數據做支撐，數字驅動的領域，因為這樣的效率更高。”張凱磊說。

相較人類教師，計算機的問題在于機器的理解能力，要如何看懂題目。這也是學霸君利用人工智能在做的核心工作。智能機器人Aidam在考試中被扣掉的16分，全是在理解上出的問題，當然這也意味著人工智能已經能看懂134分的題目了。想象這樣一個場景，學生做完作業和測試后，將結果傳輸給機器進行判卷，除了判別對錯，還和以往的數據進行比對，通過算法發現學生知識的薄弱點，給出針對性訓練的題目，并將學生的學習狀態以可視化圖表的形式傳遞給教師。

這個場景已經開始實現。學霸君在安徽落地的合作學校中，數學、物理、化學和生物使用了學霸君軟硬件服務的班級，這幾門學科的成績都大幅提升。通過學霸君研發的數據采集筆，在不改變學生書寫習慣的情況下，將整個過程的數據全部采集，然后由機器進行識別判卷。“目前批改作業，機器批70%，正確率會在99%以上，機器判斷不了（主要是無法識別）的交給人工，未來會全部交給機器。”張凱磊說，每天僅批改作業，教師就能節省接近2個小時，而數據分析結果將通過云服務展示給教師，“作業數據和考試數據實時更新，學生的學習能力、掌握的知識點、學習態度，全部在表上清清楚楚”，學科主任、年級主任和校長還可以看到學科、年級和全校層面的數據分析。

和時間做朋友

追根溯源，中國的教育源自于普魯士教學法，本質是“在規定的時間，以規定的課時和標準，學規定的內容，最后考一次試”。在張凱磊看來，這樣的教育模式就像工業的標準化生產一樣，而未來的教育模式將是高度個性化、規模化和專業化的，“個性化是解決教育負擔過重和教育不公平的核心手段。”

這個發展可能會分為五個階段：

第一階段，進行教育基礎數據的數字化，并且可以進行數據管理。

第二階段，學生的學習數據被全面數據化，學校以數字化的形式對全校學科進度進行管理。

第三階段，教育實現中度的個性化，學生開始按學習進度分層教學，出現小規模的教育集團推動數字化技術應用的進一步發展。

第四階段，教育實現高度個性化，中度的規模化。出現少數的大型教育集團，“比如現在有7.6萬所學校，未來2萬所頭部的學校，是由100家教育集團組成的。”一個校長可能會管理十幾個校區，體系內高度信息化，體系外形成學科、教學理論的競爭。

第五階段，教育高度個性化、規模化、專業化。不再有教布置作業，學生使用系統進行個性化的自我訓練，并依據能力和學習效果，在兩個月或更短時間內分為不同層次接受教學。由最頂級的教師，通過系統觀察學習數據，對班級進行針對性輔導。通過發達的視音頻及時通訊技術，一名教師也許可以教學上萬名學生。

“長期來看，學霸君會成為一個教育運營公司。”張凱磊認為，目前學霸君實施落地的學校中，有一兩所已經達到了第二階段，而從技術上來說，學霸君即將達到第三階段。但這依舊“任重而道遠”。以學霸君核心技術之一的手寫識別為例，“我們可能是國內做得極好的了，但直到今天，還有17個主要的課題沒解決，比如說離線環境下混合中英文公式的手寫識別，沒有任何突破性進展；聯機環境下的中英文識別已經做到了高精度，但還不到大規模商業化的程度。”除此之外，學霸君的技術圖譜中還有視覺自然、語言語義、中文符號識別、在線手寫數學公式、提名推薦、深度學習，視音頻通訊等數十項技術的落地，“但好在我們已經找到了模式，可以用海量的時間、數據來趟平它，然后讓用戶習慣和熟悉，帶來真正的價值。”

篇9

關鍵詞：信息化教學，高職院校，教學能力

隨著科學技術的飛速發展，信息技術已滲透到經濟發展和社會生活的各個方面，全民教育、優質教育、個性化學習和終身學習已成為信息時代教育發展的重要特征。目前，人工智能、大數據、虛擬仿真等現代信息技術廣泛應用于教育教學過程，促進了優質教育資源的全面覆蓋，縮短了不同地域間優質教育資源調配差異，實現了教育公平。在“雙高計劃”建設背景下，全面提升高職教師信息技術應用能力，充分發揮信息技術教學優勢，運用信息化教學手段進行教育教學，有利于提升高等職業教育人才培養質量。

一、信息化教學的理論依據

人工智能、大數據、區塊鏈、移動終端、物聯網、大數據等新興技術，促進“互聯網+”融合，推動職業教育信息化發展，是適應教育現代化的必然趨勢。越來越多的職業院校教師能夠主動利用信息化技術及平臺，探索教學方法。信息化環境下的教學與傳統的教學方式相比，具有教學方法靈活、交流互動手段多樣、教學資源豐富等優勢。

二、教師信息化教學中存在的主要問題

從近幾年信息化獲獎作品的質量和參賽數量來看，高職院校對信息化給予極大的熱情。大部分職業院校不惜重金打造比賽作品，從VR、AR等先進設備的引進和視頻的拍攝等各個環節都耗費了大量的人力、物力，但是，學校管理者和教師沒有真正認識到信息化教學對促進教學模式改革、教學理念更新的重要性。大部分教師在教學活動中還是簡單地利用計算機、互聯網、投影等，教學設計沒有新意，沒有創設情境，學生的主體地位沒有得到充分的發揮，教師缺乏將信息技術與專業課程進行整合的能力。

三、信息化教學能力大賽對提升教師信息化能力的促進作用

（1）創新了教學模式。信息化教學環境依靠互聯網、云計算、大數據、物聯網、人工智能、虛擬仿真實訓室、全息投影等技術來創設和營造情境，使授課、學習、評價等與教學流程相關的各個環節全部信息化，這樣不僅為教師提供了優質的教學資源和靈活的教學模式，也為學生提供了多樣化的學習途徑與學習方式。（2）創設教學環境。獲獎作品越來越注重利用信息化教學創設教學情境，激發學生學習興趣。比如《影視鑒賞》，在傳統教學中，教師一般是通過播放影視作品，引導學生感知人物形象，分析人物形象，掌握人物形象的塑造手法。信息化教學改變了傳統教學方式，教師主要采用任務教學法，借助藍墨云班課，自主微課，使學生對電影中的人物形象有初步的認識，學生在頭腦風暴區上傳喜愛的電影人物圖片、在討論版推薦影片，教師匯總后針對性地挑選并制成數字電影庫，為課堂練習做好準備。（3）推動了教學資源的開發與建設。綜覽近幾年獲獎作品不難發現，大賽越來越重視教學資源的開發和建設。在線開放課程已成為職業院校必備的教學平臺，為了在比賽中取得優異成績，大部分職業院校從2016年開啟了在線開放課程的建設歷程。各省教育主管部門為了鼓勵職業院校建設在線開放課程的積極性，開展了省級在線開放課程的評選，從政策、制度、評優等方面加大了在線開放課程的傾斜力度。

四、高職教師信息化教學能力提升的有效途徑

（一）國家層面

1.以提質培優為契機，全方位提升高職教育信息化水平。“雙高計劃”和職業院校提質培優對職業院校提升信息化水平有明確指出，職業院校要加快智慧校園建設，適應“互聯網+職業教育”需求，運用大數據、云計算、物聯網、VR/AR、人工智能、5G網絡、區塊鏈等信息技術和教育理念的最新發展，構建信息技術支持下的教學空間、工作場所和虛擬場景及其相互融合的環境，促進學生自主、泛在、個性化學習。智慧教室、虛擬仿真實訓室、虛擬工廠的不斷完善，教學模式的改革，師生信息素養和信息化教學能力的提高，促進了信息技術與教育教學深度融合，提升了教師信息化水平。2.不斷完善信息化教學大賽制度，積極轉化大賽成果并廣泛共享。國家對提升職業院校教師信息化水平非常重視，在中國特色高水平院校的申報環節中，把信息化國賽獲獎經歷作為必備條件之一。國家應出臺轉化大賽成果的制度，推動比賽成果轉化。

（二）學校層面

1.推進智慧數字教室建設。全面改善學校網絡條件，升級校園網主干帶寬，實現無線WI-FI6和5G通信網絡全覆蓋，完成IPv6規模化部署。按照新一代互聯網發展趨勢，加快學校信息化基礎設施建設，建設集現代技術為一體的智能教室，建成全向交互、全面感知、高效協同的智慧校園。運用信息技術推進教育教學改革，實施線上線下教學融合發展計劃，全學段推動“課堂革命”。2.健全信息化教學考評制度。學校要高度重視信息化教學，完善學校信息化教學大賽機制，每年定期組織信息化教學比賽，積極打造優秀作品參加省級、國家級教學能力大賽，并對獲獎教師在職稱評定以及各種評優活動中傾斜。把學生信息化能力素養列入人才培養方案及日常學習計劃中，提高學生利用網絡信息技術和優質在線資源進行自主學習的能力。

篇10

 

1.1從“人工智能”到人機系統

 

Wiener的“控制論”和錢學森的“工程控制論”是人們研制較為簡單的系統，且系統運行的環境也不復雜情況下的一面旗幟。

 

1956年，在美國Dartmouth舉行的一個信息科學大會上，J.McCarthy和H.Simon倡議開展人類思維活動規律的研究，并給予其“人工智能”(ArtificialIntelligence)的命名。人工智能主要研究用人工的方法和技術來模仿、延伸及擴展人的智能，從而實現機器智能。迄今為止，這一方向雖然已取得了不少成就，如博弈、自動定理證明、模式識別、自然語言理解、自動編程和專家系統等，但是，傳統的人工智能在方法論上以符號推理為中心，企圖用機器來實現人類的思維活動。所以，許多年來的研究雖然取得了一些成就，但距離人工智能提出的目標還有很大距離。

 

近三十年來，人工智能進展緩慢。1979年，H.L.Dreyfus《計算機不能做什么?》一書的副標題就是“人工智能的極限”提出了人工智能存在不可逾越的障礙。緊接著，以人工神經網絡為代表的“計算智能”和Brooks的反應式結構(“沒有表示”、“沒有推理”的系統)給傳統的符號智能帶來了巨大沖擊。特別是日本提出的“第五代計算機”并沒有達到預期的目標，僅以實現一個“人機對弈”而告終，這些事實都促使人們對“智能”(或“人工智能”)要有一個重新的認識。對人工智能四十年的研究進行反思，使人們從科學概念上明白了以往不自覺地企圖用機器解決一切問題的局限性，并試圖從科學觀念、研究目標和方法論上打開思路，以重新認識，尋求新的途徑。

 

另一方面，四十年來，特別是從最近二十多年科學技術的發展來看，在當前的信息社會中，信息技術是立國之本，信息化的進一步發展必然走向“智能化”因此，以“智能”為核心的技術是至關重要的。從兩次海灣戰爭以及其他局部戰爭，我們可以十分清楚地看出，今后的戰爭是人——機結合的智能系統之間的對抗，而智能技術將會覆蓋幾乎所有的工程技術領域。

 

既然完全基于機器的符號推理(也包括其他的智能方法)不能達到實現人的思維的目的，那么有沒有其他道路可循?這是人們都很關心的問題。解決這個問題要從兩方面著手。一方面，需要腦科學、認知科學等一些研究人的智慧的基礎學科繼續研究人的思維規律一一這也是人類永遠的追求。雖然目前還不能做到這一點，但人們總是在不遺余力、一步一步地向著這一目標前進。當然，這也是人類社會發展賦予智能學科的一個任務，這就是智能科學的目標。另一方面，社會生產、生活、科技、軍事各個方面又提出了層出不窮的需求，迫切要求設備、系統、工程要“智能化”而現在尚沒有真正能模擬人的智慧的計算機,因此計算機還不能代替人。解決這個問題只有從兩方面入手，一方面實事求是，盡量開拓、發展當前的計算機科學技術，使計算機盡可能多地幫助人做工作;另一方面，盡可能把人的智慧包含到系統中去，人要起主導作用，但要充分發揮計算機科學與技術的優勢，創造出最有“智能”的人機結合系統。

 

具體來說，人機結合的系統就是將人作為一個組成部分包括到系統之中，并能清楚地區分出哪些工作應該由人完成，哪些工作應該由機器完成。在運行過程中，當進行到需要人完成的工作時，系統就將工作交給人;而當需要機器完成時，就將任務轉交給機器，最終構成一套和諧的、協調的、高效的運行機制，以保證系統目標的實現。

 

1.2“智能”學科的三個層次

 

根據研究任務的不同，智能科學技術的學科內容可以劃分為智能科學、智能技術、智能工程三個層次。

 

(1)智能科學(IntelligenceScience)

 

這是基礎研究的層次，它的主要任務是研究人的智慧，建立人機結合系統的理論，并用其模擬人的智慧。智能科學主要包括腦科學、思維科學、認知科學等在內的基礎學科。

 

思維科學著重研究人的思維規律，也就是研究人是如何思維的，這種研究的目的是為了給人工智能提供基礎，也就是告訴計算機要模擬什么。而認知科學則是研究人的認識，也就是人是如何認識事物的，并將其擴展去研究動物的智能。

 

智能科學的成果將是整個智能科技發展的基礎和先導。

 

(2)智能技術(IntelligenceTechnology)

 

在智能科學的框架內創建人機結合的智能系統，需要有合適的方法、工具和技術，這就是智能技術。

 

信息的本質是知識，而知識是構成智能的基礎。因此，信息化發展必然走向智能化。

 

(3)智能工程(IntelligenceEngineering)

 

用智能科學的理念和思想，充分運用智能技術工具去創建各種應用系統，這就是智能工程。“智能化”實質上就是智能工程實現的過程和歸宿。智能工程是當前科學技術和社會發展的前沿陣地，特別是高技術發展的核心動力之一。同時，它也是當前新技術、新產品、新產業的重要發展方向、開發策略和顯著標志。

 

2無處不在的智能科技

 

2.1前沿高技術是智能科學技術發展的動力和源泉

 

智能科學技術是一個融合計算機、人工智能、模式識別等研究領域的交叉性學科，這些前沿高技術也是當前智能科學發展的動力和源泉。

 

在所有系統中，體現智能行為的工具和載體就是計算機。所以，計算機科學很自然地成為智能科學發展最重要的支撐點和原動力之一。

 

以符號推理為基礎的人工智能方法和以人工神經元網絡為代表的計算智能方法仍然是當前智能技術的重要組成部分。它們從不同的途徑和方法進行問題求解，在搜索、規劃、學習等各類問題中取得了相當有價值的成果。

 

模式識別是人類智能的一種體現。“模式”是一個極為廣泛的概念，如圖像、圖形、文字、語言都是一種“模式”。按Zadeh的定義，“模式識別”是一種從“模式”出發的一種非線性映射，它是一種技術，可以用來實現人類智慧的一部分功能，如文字識別(認字)、語言的說與聽等。模式識別的目的是將對象進行分類，可以是圖像、信號波形式或者任何可測量且需要分類的對象。模式識別在工業自動化以及信息處理和檢索中變得日益重要，這種趨勢把模式識別推向工程應用研究的高級階段。在大多數機器智能系統中，模式識別是用于決策的主要部分。

 

模式識別技術在各種工程實際系統中大量存在。機器視覺的主要技術基礎就是模式識別;OCR(光學字符識別)是模式識別的另一個重要應用，它是識別文字字符信息的很主要的手段;計算機輔助診斷也是另一個重要的應用，多種醫學圖像處理已成為當前信息產業的一個熱點;語言識別當然是模式識別另一個研究和應用的熱點。其他如指紋識別，以及其他生物器官的識別、簽名認證、文本檢索、表情和手勢識別，都是很有趣的研究領域，也是用來開發人機結合智能系統的很有價值的技術。

 

當前，對復雜智能系統進行研究的核心是解決人與機器的結合問題，也就是人作為系統的一個組成部分參與到系統的運行中，系統功能中也應體現出人的一部分作用。人與機器的結合有兩個層次，一是人作為一個成員，綜合到系統的體系結構中;一是人和機器的結合通過某個“人機界面”來實現。當然，這種界面不僅僅是目前計算機普通采用的圖標界面，而是包含了模式識別這類涉及感知方面問題的廣義的人機界面。這是當前十分活躍的一個研究領域，最有代表性的包括多媒體技術和虛擬現實(VirtualReality)技術。

 

2.2現代工業生產和復雜工程急需智能科學技術

 

隨著社會的發展，人類在生產、生活等各個方面也不斷提出新的需求，因此現代工業生產不斷壯大，并日趨復雜。現在，現代工業生產和復雜工程急需智能科學技術，一批已經在發揮重要作用的技術如下：

 

*智能自動化和控制技術生產過程監控、產品自動檢測和質量控制、工藝參數的優化和自動設定、故障自動診斷的報警等;

 

*智能CAD復雜工程的優化設計智能儀表對工藝參數的自動分析、監測、報警和調整;

 

智能交通紅綠燈管理、基于GPS與電子地圖的定位與導航、安全監控、車流自動疏導等;

 

*智能仿真技術，這是大型復雜工程設計不可缺少的手段。

 

2.3智能科技是現代軍事科技(包括航天領域)最重要的關鍵技術之一

 

智能科技是現代軍事科技最重要的關鍵技術之一。近代科技發展的歷史表明，軍事的需求總是科技創新的最大動力之一，“以軍帶民”是一般規律。軍用技術輻射和帶動國民經濟是一條促進社會經濟發展十分有效的途徑。因此，軍事科技(包括航天領域)也是應用智能技術最多的領域之一。

 

未來戰爭的重要武器——無人作戰平臺(無人機、無人戰車、自主水下機器人、機器人士兵等)的自動導航、路徑規劃、自動避障、目標識別、自動駕駛和其他自主控制技術等都是智能技術的典型應用。以無人機為例，它是現代戰爭中掌握制空權的重要手段，在近年來的幾次局部戰爭中都發揮了很大作用，例如它可以進行偵察，發現目標后引導有人飛機實行攻擊，并對攻擊效果進行評估。

 

在地面軍用機器人中，智能技術也發揮著重要作用。

 

地面軍用機器人不僅可以在平時幫助人類排除炸彈，完成要地保安任務，還可以在戰時代替士兵執行掃雷、偵察和攻擊等各種任務。例如，美國的ALV是一種高水平的陸地自主軍用機器人，它采用各種智能技術來實現自主操作。ALV裝有高級彩色攝像機(視覺)，用以識別道路，同時還配備有陣列激光測距儀，用以識別障礙;它可以根據道路場景規劃行車路徑，避免碰撞，躲避障礙，實現公路上的自動駕駛，行車速度可達60千米/小時。除此之外，車上還可裝載各種儀器，以完成不同的偵察任務。

 

防爆(暴)機器人是機器人發揮威力的另一重要領域。暴徒、爆炸、火災以及其他災害都是非常危險的環境，因此用機器人去處理是減少危險、提高成功率的有效途徑。在反恐斗爭中，有針對性地研制這類機器人，是當前迫切需要解決的問題。

 

航天領域綜合展現了最高水平的智能科技，人造衛星、航天器和各種太空探測器是當代高水平智能技術的綜合體現。在2004年初，在火星成功著陸的火星探測機器人是最有說服力的例子之一。

 

2.4為人類生活服務是智能科技發展的廣闊天地

 

為人類生活服務是科技的重要方向。隨著人類生活水平的不斷提高，生活質量也需要不斷改善，服務要求更周到，做到方便、舒適、節約、安全，更具人性化。這種需要也為智能科技的發展增添了新的活力。

 

具有一定智能的機器人代替人做服務工作是一種發展趨勢，這也是智能技術為人類服務最有代表性的事件之一。

 

這類機器人的典型例子有：可以自動完成清掃任務和自動充電的清掃機器人;能輔助醫生進行外科手術的醫療機器人;能為病人服務的機器人護士;可在家中進行巡視、監測潛在危險情況并適時報警的家庭保安機器人;用于照顧老、病、殘的服務機器人等。

 

總而言之，只要有需要的地方，就有可能是機器人可以服務的地方。

 

3對"智能科學與技術〃專業架構的思考

 

從上面列舉的很少一部分實例，我們已經可以看出當前智能科技的發展狀況。它無處不在、發展迅猛、功效卓著，已經成為當前科技發展不可缺少的部分。它是許多重大工程的支撐，引領許多傳統領域向現代化方向發展，是當代前沿高技術發展的重要方向。

 

另一方面，計算機科學、信息科學、控制科學等學科的進步，也極大地促進了智能科技的快速發展，智能化科技已經展現出一幕幕誘人的場景。科技發展的根本是人才，“智能科學與技術”大學本科專業已經成功設立，邁出了培養高層次人才的關鍵一步，這必將推動我國的智能科技更快地向前發展。

 

目前，追溯各個設立“智能科學與技術”專業學校的本源，可以發現各校之間差別甚大。有的學校的“人工智能”專業從計算機科學延伸而來，有的則來自控制科學和控制工程，還有的由信息科學的其他分支演變而來。在歸屬方面，有的學校將其歸于理科，而有的學校則將其納入工程學科。此外，設置該專業的行政學院亦有所區別，不同學校的智能學科分別隸屬于各類學院。這種現象正好說明“智能科學與技術”這一學科發展的多源性，學科發展的空間大，應用需求面廣。

 

另一方面，面對這樣一個蓬勃發展、涉及面極廣的新興學科，如果培養各層次的人才，高校教育應該有一個怎樣的架構，已經成為一個不可回避的問題擺在我們面前。解決好這個問題，就可能推動學科和人才培養順利發展。從學科發展的多源性和應用面的廣譜性來看，智能學科不可能作為另一個學科的二級學科來發展。從學科的性質來說，“智能科學與技術”應該建立一級學科的架構。根據我國教育體制的結構以及多層次人才培養的需求，可以設想如下架構。

 

“智能科學與技術”作為一級學科，設一級學科博士點，根據各個學校的不同情況，將其分別歸屬為理學或工學。對于不同的歸屬，該專業在培養目標和培養方式上應有所區別，理學應偏重基礎研究，而工學則應注重技術和工程。一級學科下設若干個二級學科，二級學科設碩士點和博士點。二級學科的設置需要更進一步考慮學科發展的多源性以及延拓應用的專業性，梳理分類，并結合現實的需要與可能，經過充分的討論后來決定，這是多層次架構中最復雜的環節。

 

以上架構屬于人才培養架構的高層次，即研究生培養階段。目前，更有現實意義的是解決本科階段培養中的問題。現在，多所高校招收了“智能科學與技術”專業的本科學生，并開始有畢業生走向社會，因此正是總結經驗，走向新的發展階段的時機。本科教育是學科發展的根本，有了本科基礎，各層次人才培養就有了基礎，高層次創新人才培養就有了希望。由于“人工智能”學科的多源性，各個學校的培養方案有不少差別，有的按理學，有的按工學。按照國家的教育體制和社會需求，按理學或工學適當規范本科教學方案，對當前推進“智能科學與技術”專業的健康發展是非常重要的。