疫情背景下PBL+Seminar教學法在“人工智能概論”教學中的應用

張友強 劉家希 孫進 戴彬

摘要：PBL教學法和Seminar教學法作為先進的教學方法，已廣泛應用于課程教學。針對疫情背景下《人工智能概論》教學存在的問題，文章將PBL教學法和Seminar教學法相結(jié)合并引入《人工智能概論》教學中，探討了PBL+Seminar教學法的實施過程，以具體的教學案例對PBL+Seminar教學法進行了剖析。教學實踐表明，PBL+Seminar教學模式拓寬了原有的課堂教學模式，為疫情背景下的教學探索與改革起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：PBL教學法? Seminar教學法? 人工智能概論? 后疫情時代

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：

Abstract： As advanced teaching methods， the PBL teaching method and Seminar teaching method have been widely used in curriculum teaching. In view of the problems existing in the teaching of Introduction to Artificial Intelligence under the background of the epidemic， this paper combines the PBL teaching method and Seminar teaching method and introduces them into the teaching of Introduction to Artificial Intelligence， discusses the implementation process of the PBL+Seminar teaching method， and analyzes the PBL+Seminar teaching method with specific teaching cases. The teaching practice shows that the PBL+Seminar teaching model broadens the original classroom teaching model and plays a positive role on the teaching exploration and reform under the background of the epidemic.

Key Words： PBL teaching method; Seminar teaching method; Introduction to Artificial Intelligence; Post-pandemic era

人工智能（Artificial Intelligence， AI）已成為當前信息技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢方向和熱門方向，我國為了培養(yǎng)人工智能專業(yè)人才，在2018年設立了人工智能本科專業(yè)。除了培養(yǎng)專門的人工智能專業(yè)人才之外，其他專業(yè)也開設了人工智能的基礎課程，如導論課或者概論課?！度斯ぶ悄芨耪摗氛n程是電子、信息等非計算機專業(yè)的基礎課或?qū)I(yè)選修課，該課程要求學生掌握人工智能的基本概念、基本原理和基本方法，了解人工智能領(lǐng)域發(fā)展相關(guān)的前沿知識以及發(fā)展趨勢，建立人工智能綜合技術(shù)的宏觀知識體系，擴展視野、開拓興趣、提高學生利用人工智能方法解決問題的能力，為后續(xù)相關(guān)理論、方法的學習及理論聯(lián)系實際解決實際問題奠定初步基礎[1]。為了提高課程教學效果，部分高校對《人工智能概論》教學進行了改革探索，例如，南方科技大學提出并優(yōu)化了一套基于“‘AI+‘AI+”（“人工智能算法”+“人工智能技術(shù)在特定行業(yè)的特定應用”）的教學內(nèi)容設計[2]；湖南大學通過與企業(yè)聯(lián)合，構(gòu)造了基于多元實踐教學體系的教學方法[3]。南京信息工程大學對“新工科”背景下人工智能專業(yè)“課程思政”教育進行了研究[4]。

雖然上述《人工智能概論》教學改革獲得了一定成效，但是在后疫情時代，人工智能教學還存在一些問題。例如：該課程包含的知識點比較多、知識點之間跨度大，學生儲備知識不足，導致學生學習吃力，跟不上節(jié)奏。另外，由于新冠疫情的反復，線上教學與線下教學不定時切換，學生很難集中精力聽課。針對上述問題，文章將項目教學法（Project-Based Learning， PBL）和Seminar教學法相結(jié)合，并將其引入《人工智能概論》教學，從而降低疫情防控對教學效果的影響，進一步提高學生的學習興趣、鍛煉學生的實踐應用能力。

1 PBL與Seminar教學法簡介

1.1 PBL教學法

PBL教學法是一種以學生為中心的教學形式，它基于3個建構(gòu)主義教學設計原則：學習內(nèi)容是特定的；學生積極參與到整個學習過程中；學生通過社交互動和知識分享來實現(xiàn)學習目標[5，6]。PBL被認為是一種特殊類型的探究式學習，學習的內(nèi)容來源于真實的問題和現(xiàn)實世界實踐中的問題，這會帶來有意義的學習經(jīng)驗。在PBL實踐過程中，學生需要通過提問和提煉問題、設計和開展調(diào)查、收集、分析和解釋信息和數(shù)據(jù)、得出結(jié)論和報告發(fā)現(xiàn)來解決實際問題，從而構(gòu)建知識。

PBL作為一種教學形式與其他教學方法有明顯的聯(lián)系，如基于問題的學習（Problem-Based Learning）等。兩者的重點都是讓參與者通過協(xié)作實現(xiàn)共同的目標。在參與項目的過程中，學生可能會遇到需要解決的問題，以便構(gòu)建和呈現(xiàn)最終產(chǎn)品，以回應驅(qū)動問題。兩者之間的主要區(qū)別在于，學生在基于問題的學習中主要關(guān)注學習的過程，而PBL需要最終產(chǎn)品或項目結(jié)果。PBL教學模式有助于培養(yǎng)學生的自主學習能力，并在一個系統(tǒng)的記錄和反思學習的過程中促進學生的概念知識。通過設定目標、計劃和組織，學生學會自立；學生通過社會學習發(fā)展協(xié)作技能，并鼓勵他們在自己的水平上學習。

1.2 Seminar教學法

Seminar教學法起源于德國柏林大學，它是最現(xiàn)代、最先進的教學方法之一；Seminar教學法是一種先進的團體教學方法，已在高等教育各學科教學中廣泛使用[7，8]。這種教學技術(shù)包括為一個群體創(chuàng)造一個情境，讓他們在一個主題上有一個引導性的互動。Seminar能充分調(diào)動學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維。在Seminar教學中，學生主動參與學習活動，從而將重點從教師轉(zhuǎn)移到學習者，讓學生通過進行有意義的活動和思考他們正在做的事情來積極地獲取知識。Seminar教學法的主要過程如下。

1.2.1 課前準備

學生根據(jù)課題準備材料、查閱文獻、解決問題，學生之間可以進行交流討論，形成對該課題的理解，最后撰寫報告并準備多媒體演示文稿。

1.2.2 課堂演示匯報

主講人對課題進行匯報，主要匯報課題研究思路、實驗方法、實驗結(jié)果、存在的問題等內(nèi)容；全體學生圍繞主講人的匯報進行質(zhì)詢，主講人進行回答，小組其他成員進行補充；老師對該匯報進行階段性點評和總結(jié)。

1.2.3 課后總結(jié)討論

教師總結(jié)課堂匯報的內(nèi)容、收集匯報文檔，對學生的匯報進行評價，評價包含報告資料準備情況、報告情況、討論問答情況等。對后續(xù)的Seminar教學活動給出針對性的改進建議。

2 疫情影響下《人工智能概論》教學存在的問題

新冠肺炎疫情嚴重影響了人們的工作、生活、學習等方面。高等教育教學也不例外，原來的線下課堂教學隨時可能會受到疫情的影響而轉(zhuǎn)為線上教學。當前我國新冠疫情總體可控，但是散點多發(fā)的零星疫情對教育教學的影響依然存在。通過調(diào)研和實際教學實踐發(fā)現(xiàn)，《人工智能概論》教學存在如下問題。

2.1 線下線上教學切換影響教學效果

一方面，為了疫情防控，各大高校在每學期開學的前幾周基本會實行線上網(wǎng)絡教學，等確保安全穩(wěn)定后再轉(zhuǎn)為線下課堂教學。另一方面，當學校所在地出現(xiàn)一定規(guī)模的散發(fā)疫情時，原有的課堂教學將轉(zhuǎn)為線上教學；當疫情得到控制后，線上教學再一次轉(zhuǎn)為線下課堂教學。這樣的切換對學生的心態(tài)有一定的影響，容易引起學生浮躁的情緒；線上線下教學的隨時切換，還對教師的教學計劃有一定的影響，原本適合線下課堂教學的備課內(nèi)容需要在短時間內(nèi)進行修改以滿足線上教學需要。因此，需要根據(jù)線上線下教學的不同特點，對教學方案進行有針對性的改進。

2.2 學生自律能力不強

在后疫情時代，線下線上教學經(jīng)常切換，對大部分學生的自律要求增加了，較好的自律性是完成課程目標的重要保證。在傳統(tǒng)的教育教學過程中，在學校管理、學生帶動、教師監(jiān)督下，很多自律性較差的學生會由于集體自律性的平均值高于自己，被動地約束自身行為，從而降低不自律對自己學業(yè)和生活的影響。但是在疫情時代下，學生的自律性往往不強，學校和教師的監(jiān)控管理變得遙不可及，現(xiàn)實氛圍變成班級群的聊天，這大大減弱了學生對集體和規(guī)則的感知，以及不自律后果的理性判斷能力。因此，為了提高學生的自律性，讓學生積極主動參與到教學環(huán)節(jié)中，需要對教學形式進行調(diào)整優(yōu)化。

2.3 《人工智能概論》課程內(nèi)容寬泛而基礎，學生缺乏興趣

該課程涉及的理論較多，需要先導課程作為支撐，特別是夯實的數(shù)學知識有利于理論的推演。而真實情況卻是學生基礎知識準備不充分，課堂講解難以理解，從而影響學生學習興趣和積極性。因此，對于應用型本科新工科專業(yè)的《人工智能概論》課程來說，需要在課程中加入項目實踐內(nèi)容，從而提高學生的興趣，鍛煉學生的動手能力。

針對上述《人工智能概論》教學存在的問題，將PBL教學法和Seminar教學法相結(jié)合，并引入教學實踐中。這種教學方式的好處是：首先，引入PBL教學可以增加學生的積極性，從而避免陷入枯燥的理論知識中；其次，Seminar教學不受時空的影響，疫情對其教學影響較?。蛔詈?，PBL+Seminar教學模式可以有效鍛煉學生的綜合能力，特別是自主學習、動手、交流辯論、研究探索等方面的能力。

3 PBL+Seminar教學法的探究與實踐

3.1 PBL+Seminar教學法實施過程

為了提升疫情影響下《人工智能概論》教學效果，可將PBL+Seminar教學法引入課程教學中。首先，需要選定與課程內(nèi)容密切相關(guān)的項目，這些項目既要與課程內(nèi)容聯(lián)系緊密，又不能過于簡單或者困難。通過調(diào)查文獻和總結(jié)實踐經(jīng)驗，項目選題應具有如下特征。

（1）中心性?？晒┻x擇的項目應該具有明確的中心點，即對應的課程教學目標要明確，不能過于寬泛。學生能夠?qū)㈨椖颗c課程知識點相對應，不能超越教學大綱太多。

（2）問題驅(qū)動性。項目應該具有問題驅(qū)動性，即項目的主題是為了解決一個具體的問題，而解決問題需要學生去主動學習相關(guān)知識。

（3）自主性。學生可以根據(jù)自身的優(yōu)勢自主地選擇某一個或幾個課題作為項目開展工作，而且學生在完成項目時可以自由選擇方法方案來完成項目。

（4）現(xiàn)實主義。項目應該是來源于現(xiàn)實世界的真實問題或案例，因為脫離實際的項目無法增加學生的積極性。

根據(jù)以上選題特征，我們給出的本課程項目選題如表1所示。

在授課教師布置項目之后，學生就可以自由組隊選擇項目課題來完成相關(guān)任務了。學生在完成項目的過程中可以查閱資料，學生之間交流討論；小組需要完成項目的各個部分并撰寫文檔記錄，成員需要記錄自己參與的工作；小組完成項目后需要形成報告和演示文稿，如有展示品則需要做好課堂展示準備。在課堂匯報演示階段，學生匯報項目的方案方法、結(jié)果等內(nèi)容，教師和其他學生提出質(zhì)詢。最后，授課教師對項目完成情況和研討情況進行總結(jié)點評。

3.2 PBL+Seminar教學法應用案例

3.2.1 項目介紹

本文以基于樹莓派的人臉識別門禁系統(tǒng)設計為例，講解PBL+Seminar教學法在《人工智能概論》教學中的應用，該項目主要與機器學習章節(jié)有關(guān)。該項目的目標是通過學習機器學習算法，選擇一種機器學習方法編程實現(xiàn)人臉識別算法，通過識別結(jié)果控制門禁系統(tǒng)。人臉識別門禁系統(tǒng)的設計框架如圖1所示。

上述人臉識別系統(tǒng)用到的硬件設備由實驗室提供給學生，硬件具體型號為樹莓派3B。硬件涉及的拍照模塊和主控模塊如圖2所示。

3.2.2 線下項目訓練

線下項目訓練是PBL教學的關(guān)鍵，學生在拿到項目后，需要自主學習人臉識別的基本原理，掌握與人臉識別有關(guān)的算法。人臉識別作為一個識別問題或驗證問題，人臉識別也被稱為1﹕N匹配問題，將未知的人臉與數(shù)據(jù)庫中已知身份的所有人臉進行比較，并根據(jù)所有比較的結(jié)果做出決定。因此，人臉識別門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于人臉檢測和識別。檢測是識別的前提，一個好的檢測結(jié)果對后續(xù)的識別起著關(guān)鍵的作用，在選擇人臉檢測算法時需考慮3個因素，即實時性、準確率、算法復雜度。將人臉檢測出來以后，就需要對候選區(qū)域的圖像進行預處理，處理完之后就可以選擇一個算法人臉識別，選擇人臉識別算法需考慮下面3個因素，即識別率、識別時間、算法魯棒性。學生完成相關(guān)理論學習后，選擇自己熟悉的程序設計語言完成程序設計并在樹莓派上調(diào)試算法性能，并根據(jù)調(diào)試結(jié)果進行優(yōu)化。最后，完成項目報告文檔，組織撰寫匯報演示文稿，收集課堂演示材料。

3.2.3 課堂交流討論

課堂交流討論是Seminar教學的關(guān)鍵，這里的課堂既可以是線下教室課堂也可以是線上網(wǎng)絡課堂。在課堂交流討論階段，主講人重點匯報以下內(nèi)容：項目的整體方案，即如何實現(xiàn)整個系統(tǒng)的；項目的技術(shù)路線，即用到了哪些方法；項目的難點和不足之處，即哪些是項目學習的困難之處及未解決的實際問題。另外，還需要簡要匯報所采用的開發(fā)平臺、程序設計語言、實驗結(jié)果（人臉識別精度）等內(nèi)容。匯報結(jié)束后，教師和學生可以對匯報人自由提問，主講人需要進行回答解釋，小組成員可以補充回答。交流討論是Seminar教學的靈魂，因此，討論的時候，學生需要從各方面進行提問，這是增加學生認知多樣性的重要途徑，也是鍛煉學生發(fā)散性思維的重要手段。

3.2.4 總結(jié)點評

針對基于樹莓派的人臉識別門禁系統(tǒng)設計項目完成情況和課堂匯報交流情況給出評價?？偨Y(jié)各小組的項目完成情況，分析各個小組的項目優(yōu)勢和劣勢；闡述當前該項目的主流解決思路，介紹當前人臉識別產(chǎn)業(yè)應用的核心算法。對各小組的匯報展示給出評價，點評主講人的講解邏輯是否正確清楚，分析人臉識別門禁系統(tǒng)實驗結(jié)果的有效性；點評小組的團隊協(xié)作能力、文檔協(xié)作能力。

4 結(jié)語

課題將PBL+Seminar教學法引入《人工智能概論》課程教學中，通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，該教學法對應用型本科新工科教學改革是有積極意義的。首先，其中的項目教學法鍛煉了學生的主動學習能力，使得原本枯燥的理論知識變得有趣，即在項目實踐中學習知識；還鍛煉了學生的探索研究、組織協(xié)調(diào)、文檔撰寫等能力。其次，Seminar教學法對學生的批判性思維和創(chuàng)造性思維有積極的影響，在交流討論的過程中，不僅交流表達能力及辯論能力獲得了提升，而且學生的批判性思維得到了鍛煉。最后，這種教學模式拓寬了原有的課堂教學模式，為受疫情影響的教學手段提供了新的思路。

參考文獻

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基金項目：南京郵電大學通達學院教學改革研究項目（項目編號：JG31421019）

作者簡介：張友強（1990—），男，博士，講師，研究方向為機器學習、模式識別。

劉家希（1988—），男，博士，講師，研究方向為車聯(lián)網(wǎng)。

孫進（1988—），男，博士，副教授，研究方向為慣性導航與組合導航。