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教育论文

“新工科”背景下电子专业本科人工智能教育实践

时间:2020年01月03日 所属分类:教育论文 点击次数:

摘要:人工智能技术作为新工科计划核心技术之一,为传统的电子专业教育教学带来了新的挑战和机遇。文章阐述了新工科背景下,对电子专业本科生进行人工智能教育和教学的意义及必要性,提出了人工智能教学强调基础,扩展应用的教学设计原则,并结合苏州大学光

  摘要:人工智能技术作为“新工科”计划核心技术之一,为传统的电子专业教育教学带来了新的挑战和机遇。文章阐述了“新工科”背景下,对电子专业本科生进行人工智能教育和教学的意义及必要性,提出了人工智能教学“强调基础,扩展应用”的教学设计原则,并结合苏州大学光电科学与工程学院的实际情况,提出并实施了一系列实践措施,取得了良好的效果。

  关键词:新工科;人工智能;电子专业;教育实践

人工智能技术

  人工智能评职知识:人工智能应用论文投稿哪类期刊

  《计算机与数字工程》(月刊)创刊于1973年,由中国船舶重工集团公司第七○九研究所主办。由国家新闻出版署指定参加全国优秀期刊展览。坚持理论联系实际;坚持实事求是的学风;坚持以应用为主,提高与普及并重;坚持创新,坚持以刊登国内外计算机方面的新理论、新技术、新工艺、新成果研究为主;以学术性、技术性为办刊特色,论文以中短专文为主;力求更快地为读者提供更多的有益的信息。

  一、新工科与人工智能技术

  2017年以来,教育部一直在积极推进“新工科”建设。新工科以智能制造、云计算、人工智能、机器人等用于传统工科专业的升级改造,相对于传统的工科人才,未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。而人工智能相关技术是“新工科”计划中尤为重要的一环。近年来,随着硬件的不断进步及工业4.0的日趋临近,人工智能成为研究领域的热点。

  硬件的发展为人工智能算法优化及进化提供了强有力的支撑,各领域的人工智能理论研究及应用不断涌现,其中以语音及视觉领域人工智能效果最为显著,因此市场化程度也最高,从车站的人脸识别到语音助手等一系列应用也进一步推进了人工智能的普及。在技术上,人工智能已慢慢渗透到了各个学科。如,医学、教育、物理、天文等,成为这些学科的基本工具,并会逐渐成为技术人员的必备工具,而非专业研究人员的专属。

  例如,目前主流的NPU价格越来越便宜,未来会与嵌入式处理器一样,成为嵌入式系统的标准配置之一。电子专业虽然是一个传统专业,但同时也是一个软硬结合、学科交叉的专业。在专业的学生培养体系中,既强调学生基本电路理论与设计能力的培养,又强调全方位编程能力的养成。因此,在专业课程设置方面,既有传统的软硬件课程,又有计算机、机械等专业的课程。在人工智能广泛渗透以及“新工科”建设的大背景下,电子专业的学生也要适应新时代的需求,在本科阶段需要进行适当的人工智能教育,以初步具备人工智能开发和研究的基础和能力,更好地为以后的职业生涯服务。

  二、电子专业本科阶段人工智能教育教学设计

  在对电子专业本科生进行人工智能教育时,总体原则是“强调基础,扩展应用”。本科阶段主要以基础教育为主,这里包括了本专业基础知识的学习以及其他相关专业基础知识的学习。人工智能正处于高速发展的阶段,远未成熟,因此,很难形成一个完备的体系进行教学。

  所以,电子专业进行人工智能教育教学时,必须强调基础知识的学习。所谓的基础应当包括人工智能相关的基础理论、基本方法以及基础应用的学习,不强调某一应用领域的学习,而是尽量学习通用的方法及理论,这样才能让学生在后续研究生的学习中,具备坚实的基础,不至于一叶障目。在强调基础的同时,也不能忽视在应用中将所学知识进行实践和扩展。电子专业是典型的应用型工科专业,所学知识必须要应用于工程实践,人工智能同样也是强调应用的实践和方向,因此,必须强调应用,以应用激发学生兴趣,鼓励其自主学习、自主扩展。

  三、电子专业本科人工智能教学实践

  本科阶段主要以基础教育为主,因此类似于人工智能这种专业较强的课程不宜直接教授给学生,否则可能适得其反,导致学生产生厌学情绪。以苏州大学光电科学与工程学院电子测控系为例,在系内几位教师的摸索后,总结了以下实施措施:

  (一)人工智能基础教育

  基础教育主要包括基本理论的学习,如高等数学、线性代数、最优化方法及概率论等,这些课程以人工智能为背景,以习题或课程设计的形式展开人工智能相关基础教育。从学院实际的实施经验来看,此举不光可以普及相关基础理论,还可以有效地让学生理解所学抽象理论的具体用途,激发学习兴趣;在进行基础类课程教学时,任课教师会有意将深度学习等应用作为课程设计或者实际案例进行讲解,从而让学生在低年级学习基础类课程时,不至于感到迷茫。

  据笔者观察,低年级本科生中有大部分厌学情绪的问题学生,而他们的厌学情绪有很大比例是在学习高等数学等基础类课程时产生的。传统的教学方法过于强调对抽象概念的理解和讲授而忽略了学生正常的认知过程,最终适得其反。而通过将人工智能等热门技术作为基础类课程的背景或应用,将两者进行结合,则可以很好地解决这一矛盾,为基础类课程的讲授注入了一股新鲜的血液。

  (二)增加相关选修课程及高年级研讨课程

  对于电子类专业本科生来说,选修课设置更加灵活,方式也更多样,可以增加更多紧贴时代特征的课程。以苏州大学光电科学与工程学院为例,为了提高人工智能在本科生教育中的普及程度,在新生入学时即开展专业导论一课,专业导论主要是请知名教授讲授专业相关前沿方向,而不涉及具体知识,以启发学生思考。本学院专业导论一课由系内主攻语音和图像的教师以实物及讲座的形式教学,让学生一方面直观地感受人工智能所带来的改变,另一方面通过讲座了解人工智能与本专业的关系及最新的发展方向。

  高年级的学生已经具备了数学、编程等基本知识,同时又面临以后考研方向的选择问题,因此,我们针对大三学生设置了“图像处理与深度学习”“基于深度网络的语音模式识别”等选修课程,由科研一线的教师教学,他们一般在自己的学术方向上有很深的造诣,对于国内外发展方向非常了解,同时也有具体的项目在进行。因此,通过选修此类课程,学生不光可以通过教学完成一些简单模型,还可以通过课程设计,通过与教师交流,完成一些相对复杂、具有实际意义的作品。

  此外,学院目前的思路是通过选修来一方面磨练教师队伍,另一方面培育精品课程,最终转变为精品必修课。此外,学院还增设了高年级研讨课程。所谓高年级研讨课程即在本科高年级阶段嵌入硕士阶段学科基础课程,借助于研究性、探究式、互动式等教学方式,进一步深化学生对专业领域的认识,提升其发现问题、分析问题和解决问题能力。

  这也是在研究生入学率逐年上升的背景下进行的。据统计,学院每年有一半以上的学生通过考试、保送等途径进入硕士研究生阶段的学习,因此,很有必要增设高年级研讨课。在增设的高年级研讨课程过程中,充分考虑了各个前沿研究领域所需的基础知识,用以开设相应课程。具体到人工智能方向,开设了“模式识别”等相对基础、但对于基础技术和理论的掌握不可或缺的课程。

  (三)通过实习提高学生动手能力

  与大部分高校不同,苏州大学光电科学与工程学院目前采用定点阶段式实习方案,即从大一开始,每学年均有实习,而非集中到一个大块时间去集体实习。学院实习基地分为校内实习基地和校外实习基地两个部分。校内实验基地主要包括本科生创新实验室和光电工程创新与创客中心;校外基地主要是校外的多家公司。

  光电学院创新实验室等校内实习基地共享学院硬件资源,具有相对完备的研究条件,同时可以直接使用学院内各位教师和研究生的智力资源;长三角拥有发达的制造业,目前正处于往智能制造方向进行转变的阶段,校外实习基地优先选择这些智能制造以及配套的相关公司,让学生不仅能够通过实习学习人工智能相关技术,更重要的是可以通过正规化运作的公司,直观地观摩人工智能相关技术由研发到落地的完整过程,而技术落地恰恰是目前人工智能相关技术必须面对的重要问题之一。

  (四)以学科竞赛促进人工智能应用

  教育部门组织各类学科竞赛的目的是推动教学课程体系和课程内容改革,特点是与相关专业的课程体系和课程内容紧密结合。学科竞赛对于本科来说是难得的学习机会,通过学科竞赛,学生才能将已经学习的理论知识转化为实际应用,进一步明确学习目标,这对于工科专业本科生尤其重要。目前,电子专业的学科竞赛主要包括全国大学生电子设计大赛、全国大学生物联网设计竞赛等。

  随着人工智能技术的发展和应用,目前学科竞赛已经开始出现人工智能应用类题目,主要用于模糊判断及大数据分析等方面。这也明确传达了一个信号,即人工智能技术已经成为技术应用基础。同时,这也要求教师对于本科生应当适当地进行人工智能方面知识的讲授,以解决传统方法难以解决的问题。在人工智能已经上升到国家战略的背景下,可以预测,以后也会有针对本科生的人工智能应用本身的学科竞赛活动,这对于电子专业相关学生学习和应用人工智能相关技术有很大的激励作用。

  四、总结

  实践表明,针对电子专业本科教学现状,有目的地、从基础到应用系统地展开人工智能教育是必要的,学生学习和进一步深入研究人工智能相关技术的热情空前高涨,开设的一些必修和选修课程也受到了学生的欢迎,更多的学生能够参与到课程设计与学科竞赛中,学生的自主学习能力和对知识的迁移能力得到了普遍提高。在进行人工智能教育的探索过程中,还有许多问题,如模型解释性问题等需要解决,但在当前国际形式下,在“新工科”背景下,在电子专业开展人工智能教育是学科未来必然的发展趋势。

  参考文献:

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