人工智能實驗課程從“線下”向“線上”的轉(zhuǎn)變實踐

顧佼佼 孫濤 陳健 劉克

[摘 要] 課堂教學(xué)方式的變革推動課程逐步“線上化”，配合多樣化的教學(xué)模式引入多種多樣的教學(xué)創(chuàng)新內(nèi)容。在這個過程中，強(qiáng)實踐類課程由于硬件限制及交互性等多種原因，多數(shù)仍以線下的形式開展。在當(dāng)前新冠肺炎疫情期間，通過“人工智能”課程理論與實驗內(nèi)容“線上”開展的過程，探索將線下實驗課程轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上實驗的建設(shè)思路，探討實驗類課程“線上化”的應(yīng)用方式?？捎行жS富教學(xué)手段，調(diào)動學(xué)員學(xué)習(xí)的主動性和積極性，對學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力、問題分析與解決能力的培養(yǎng)起到促進(jìn)作用。

[關(guān)鍵詞] 線上學(xué)習(xí);人工智能;實驗課程;反饋閉環(huán);自主養(yǎng)成

[基金項目] 2019年度海軍航空大學(xué)教學(xué)改革項目“‘人工智能’類課程開展在線教學(xué)的模式與方法研究”（2020-424-32）

[作者簡介] 顧佼佼（1986—），男，山東青島人，博士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院講師，主要從事人工智能技術(shù)應(yīng)用、火力指揮與控制研究;孫 濤（1980—），男，山東煙臺人，博士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院副教授，主要從事火力指揮與控制研究;陳 ?。?985—），男，山東青州人，博士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院講師，主要從事裝備體系發(fā)展論證研究。

[中圖分類號] G643.0;TP18 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0029-04 [收稿日期] 2021-07-29

引言

近些年線上教學(xué)發(fā)展勢頭迅猛，形成了一批成熟的高等教育課程平臺，教師利用線上教學(xué)平臺開展課程內(nèi)容教學(xué)，積極探索混合式教學(xué)改革及教學(xué)管理模式創(chuàng)新實踐，極大促進(jìn)了教學(xué)方式的改革與發(fā)展。推動課堂教學(xué)方式從“以教為中心”向“以學(xué)為中心”轉(zhuǎn)變，涌現(xiàn)出翻轉(zhuǎn)式、混合式、等多種教學(xué)模式。教育部提出“停課不停教、停課不停學(xué)”的要求[1]，多數(shù)院校進(jìn)一步推出線上或線上線下混合式教學(xué)改革。但課程實驗實踐內(nèi)容無法上線進(jìn)行[2]。以研究生“人工智能”課程為例，主要講解深度學(xué)習(xí)與計算機(jī)視覺方面內(nèi)容，理論與實驗各占50%，屬于理實一體化類課程。實驗部分需要基于GPU等高并行性的計算資源才能順暢運行。

一、實驗課程線上化的主要考慮

線上學(xué)習(xí)的有效性不僅取決于課程內(nèi)容的設(shè)計，還依賴于平臺的支撐[3-7]。實驗部分的教學(xué)相比理論部分有一定的特殊性，需要配備相應(yīng)的實驗資源，目的是用實踐來驗證理論。在將實驗部分線上化時主要考慮以下四個方面。

（一）便于學(xué)員操作實踐

“人工智能”課程實驗的特點是需要多次嘗試不同方法，用實踐印證理論，從而內(nèi)化和應(yīng)用學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)員端在大多數(shù)情況下不具備GPU等高性能計算資源，而且實驗環(huán)境的配置會牽扯大量時間。實驗不需要學(xué)員自己安裝實驗依賴項，并能夠在需要時恢復(fù)至初始狀態(tài)。

（二）真正掌握應(yīng)用能力

在線下教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)，在結(jié)合個性化應(yīng)用的測試中，學(xué)員對具體知識點的細(xì)節(jié)掌握不夠準(zhǔn)確，結(jié)合具體問題后的分析能力不足。這種情況的主要原因是學(xué)員對操作過程的思考較少，并沒有真正提高理解與分析能力[8，9]。

（三）注重交流互動

在線下實驗課教學(xué)過程中，教員可以根據(jù)學(xué)員的狀態(tài)及時調(diào)整教學(xué)設(shè)計，或者直接指導(dǎo)。在線上實驗中，教員無法實時監(jiān)控學(xué)員狀態(tài)，這種情況下課堂的引導(dǎo)性會弱化。這種交流互動既包括教員與學(xué)員之間的互動，也包括學(xué)員與學(xué)員之間的互動。需要結(jié)合實驗流程進(jìn)一步改善教學(xué)設(shè)計，如學(xué)員間“實驗桌面”的共享與互動，直播聊天室的答疑組織。

（四）增強(qiáng)過程性評價的比重

傳統(tǒng)的評價方式僅能反映學(xué)員對基本知識、概念的掌握情況，教員無法完全掌控學(xué)員的實驗狀態(tài)。學(xué)員在基于平臺的學(xué)習(xí)過程中會留下全程的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，這些過程性數(shù)據(jù)客觀反映了學(xué)員對知識點的掌握情況，加以積累可以通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程所隱含的規(guī)律和行為模式，作為對教學(xué)過程的反饋支撐教員評價學(xué)員的實驗過程[10]。

二、課程體系構(gòu)建

研究生階段“人工智能”課程的特點是實操性與技巧性較強(qiáng)，注重知識應(yīng)用能力。課程采取理論講授與實驗實踐穿插進(jìn)行的方式，學(xué)員預(yù)習(xí)錄播視頻，帶著疑問到直播間與教員和同學(xué)一起討論;另外，有以直播形式的線上理論教學(xué)。

（一）實驗部分建設(shè)內(nèi)容

1.課程內(nèi)容建設(shè)。針對線上學(xué)習(xí)特點，以專題形式對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的針對性，圍繞典型案例設(shè)定實驗主題，利用動畫、視頻等多媒體手段提高可理解性。部分實驗以專題形式錄制演示視頻，配合在線實驗教程同步使用，主要講解先導(dǎo)知識、實驗流程、可能遇到的問題等內(nèi)容。視頻演示提前上線，學(xué)員可以在課外自主學(xué)習(xí)。

2.課程管理平臺建設(shè)。增加實驗管理模塊，課程管理平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，管理課程涉及的資料和教學(xué)環(huán)節(jié)的實施，包括教學(xué)資源、學(xué)習(xí)跟蹤、作業(yè)提交等模塊。結(jié)合線上教學(xué)經(jīng)驗，對管理平臺中的統(tǒng)計分析模塊進(jìn)行了加強(qiáng)，記錄和統(tǒng)計學(xué)習(xí)時間、視頻反芻比、互動指數(shù)、操作準(zhǔn)確率等在線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，是學(xué)員學(xué)習(xí)狀態(tài)最直接的體現(xiàn)。

3.實驗平臺建設(shè)?！叭斯ぶ悄堋闭n程實驗主要使用Python語言，使用TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架，涉及的軟件包括Jupyter、Docker等。實驗平臺結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，學(xué)員也可直接將特定實驗的docker鏡像下載到本地執(zhí)行。基于Docker系統(tǒng)的實驗構(gòu)建方式可以為學(xué)員提供一個統(tǒng)一的程序運行平臺，無須配置環(huán)境即可直接開展實驗。

（二）教學(xué)模式設(shè)計

通過實驗過程培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新意識，養(yǎng)成良好的科學(xué)工作態(tài)度和習(xí)慣，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和專業(yè)培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。為此主要著重以下三個方面設(shè)計教學(xué)模式。

1.進(jìn)一步分解教學(xué)目標(biāo)，提高自主獲取性。依據(jù)布魯姆認(rèn)知分類目標(biāo)理念，將學(xué)員分析解決問題能力無法有效提高歸因于沒有循序漸進(jìn)地展開認(rèn)知過程，導(dǎo)致無法內(nèi)化成自身能力[6]。對理論內(nèi)容進(jìn)行了知識點的分割和細(xì)化，并設(shè)計了具備軍事背景的案例式實驗體系，重在激發(fā)學(xué)員的探索興趣;在實驗設(shè)計時給出循序漸進(jìn)的目標(biāo)。這樣也有助于學(xué)員根據(jù)個體學(xué)習(xí)差異順序或跳躍式前進(jìn)，提高了知識的可自主獲取性。

2.具備反饋閉環(huán)的內(nèi)容組織。課程中理論與實驗部分是相互銜接的，教員結(jié)合學(xué)員在各個教學(xué)環(huán)節(jié)中的反饋，適當(dāng)調(diào)整課程與實驗內(nèi)容。例如通過統(tǒng)計分析模塊中的視頻反芻比確定學(xué)習(xí)難點;通過翻轉(zhuǎn)課堂中的討論內(nèi)容針對性地設(shè)計實驗驗證內(nèi)容;根據(jù)實驗情況設(shè)計有針對性的課后作業(yè);等等。對教學(xué)設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，形成閉環(huán)，有的放矢地進(jìn)行教學(xué)，實現(xiàn)線上線下同質(zhì)等效的教學(xué)效果。

3.貫穿式互動環(huán)節(jié)設(shè)計。教員可以了解學(xué)員的掌握程度，如可以隨處穿插的課堂討論等?；舆€發(fā)生在學(xué)員之間，學(xué)員間的互動會起到互幫互助的作用。在實際授課過程中，課代表在互動中起到了非常好的“助教”作用，督促同學(xué)學(xué)習(xí)，而且雙重身份使他在幫助他人的同時也激發(fā)了自身的主動性。

三、線上實驗課程實施及成效

在理論講授部分結(jié)束后直接開始實驗，依托實驗平臺及直播平臺實施，學(xué)員自學(xué)為主，可通過問答系統(tǒng)提交問題，也可由課代表組織討論，教員進(jìn)行統(tǒng)一講解。實驗結(jié)束后，學(xué)員需自主完成拓展實驗，并在作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)提交。考核方面加強(qiáng)過程管理的比重，實驗部分以在線完成的形式進(jìn)行考核，并參考課程管理平臺上提交的實驗作業(yè)，平時成績以課堂小作業(yè)、研討、出勤等情況綜合計算。這種方式的好處是將考核實施在整個教學(xué)過程中，考核學(xué)員的綜合能力，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性。課程實施成效總結(jié)如下。

1.相對加強(qiáng)了理論知識的掌握與理解。通過實驗教學(xué)模式的合理設(shè)計，激發(fā)了學(xué)員的探究心理，從而更加主動地學(xué)習(xí)，加深對理論知識的理解。

2.培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)能力。通過課程學(xué)習(xí)提升學(xué)員的主動性，增加對工程實踐的興趣，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力。實驗部分是對理論知識的實際應(yīng)用，也為學(xué)員進(jìn)行自己的應(yīng)用提供了借鑒。線上開展的實驗內(nèi)容能夠提高學(xué)員自我學(xué)習(xí)的積極性，從實驗平臺的過程數(shù)據(jù)分析可知，學(xué)員能夠通過實驗平臺完成實驗內(nèi)容，并通過與師生交流深化理解，最終提高自主學(xué)習(xí)能力。

3.培養(yǎng)了分析、解決實際問題的能力。人工智能是一門實踐性極強(qiáng)的學(xué)科，具體開展實踐應(yīng)用時需要運用理論知識解決實際問題。分解明確的教學(xué)目標(biāo)、交互討論的機(jī)制有效促進(jìn)了學(xué)員的理解和掌握，養(yǎng)成分析問題的思路和解決問題的能力。

四、提高線上實驗課的有效性

實驗課程重點培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，通過實驗過程培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新意識，在線上實驗課程的開展過程中發(fā)現(xiàn)線上實驗開展的有效性可進(jìn)一步提高，具體涉及以下四個方面。

（一）及時更新課程內(nèi)容

人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異，課程組需結(jié)合科研、教學(xué)等研究，結(jié)合具有軍事背景的實際案例，及時更新課程內(nèi)容，讓科研成果、作戰(zhàn)成果走進(jìn)課堂。

（二）進(jìn)一步提高教員崗位認(rèn)知能力素質(zhì)

線上開展理論與實驗課程對教員提出了較高要求，教員團(tuán)隊需要取長補(bǔ)短，不斷提高在線教學(xué)能力。對此，在疫情期間，各主流在線平臺專項邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜彝瞥隽藢ｎ}直播課程，開通相關(guān)課程為開展線上教學(xué)的教員提供了參考，提高崗位任職能力素質(zhì)，進(jìn)一步充實教學(xué)訓(xùn)練儲備。

（三）加強(qiáng)教學(xué)管理

有效的學(xué)習(xí)主動性一方面取決于學(xué)員的自我激勵和教員、同學(xué)的激勵，另一方面可以從考核形式、教學(xué)管理平臺方面采取多種形式帶動學(xué)員積極性，督促學(xué)員完成在線學(xué)習(xí)任務(wù)。軍校學(xué)員在校期間管控較嚴(yán)，而在家期間的自律性、自覺性卻暴露出明顯問題，這是一開始開展線上教學(xué)時出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，需要在課前進(jìn)行更充分的準(zhǔn)備。

（四）增加課程內(nèi)容與模式的彈性

在線上開展的實驗實踐證明，具備反饋閉環(huán)的實驗內(nèi)容組織方式有助于學(xué)員對實驗內(nèi)容的掌握，能夠反饋出問題所在，教員可有針對性地開展答疑或設(shè)計拓展實驗等。后續(xù)將引入需多人合作完成的大作業(yè)，考核學(xué)員的團(tuán)隊協(xié)作能力。

結(jié)語

此次疫情考驗，給未來線上教學(xué)帶來深刻變化和發(fā)展契機(jī)，極大促進(jìn)教育理念的更新與在線開放課程等網(wǎng)絡(luò)資源的加速建設(shè)。在此期間，課題組完成了“人工智能”課程理論與實驗部分的線上授課，線上教學(xué)已基本成型，豐富了教學(xué)手段，而且調(diào)動了學(xué)員學(xué)習(xí)的主動性、積極性，教學(xué)效果良好，對學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力、分析解決問題能力的培養(yǎng)具有促進(jìn)作用，對教學(xué)改革具有積極作用。下一步將繼續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新實驗類課程教學(xué)方法，促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

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Practice of the Transformation of AI Experiment Course from “Offline” to “Online”

GU Jiao-jiaoa， SUN Taoa， CHEN Jiana， LIU Keb

（a. Coastal Defense Academy， b. Graduate Management Team， Naval Aviation University， Yantai， Shandong 264001， China）

Abstract： The change of classroom teaching mode promotes the gradual development of online courses， and a variety of teaching innovation contents are introduced with the diversified teaching models. In this process， most of the practice courses are still carried out in the offline way due to the hardware limitations and the necessity of interaction. During the current COVID-19 period， and in the process of the theory and experiment teaching of the Artificial Intelligence course， which has been changed from offline teaching to online teaching， the construction ideas of changing offline experiment courses into online experiment courses are explored， and the application mode of online of experiment courses is explored. It can effectively enrich the teaching means， mobilize the initiative and enthusiasm of students in learning， and promote the cultivation of students’ independent learning ability， problem-analysis ability， and problem-solving ability.

Key words： online learning; Artificial Intelligence; experiment course; closed-loop feedback; self cultivation