人工智能專業本科生導師制實訓課程設計與實踐

曲衍鵬,張 博,趙 正,王怡洋

(大連海事大學 人工智能學院,遼寧 大連 116026)

一、引言

在“新基建”七大領域中,人工智能是新一輪產業變革的核心驅動力量,將推動數萬億數字經濟產業轉型升級,并且人工智能是新一輪科技競賽的制高點,對經濟增長和國家安全均至關重要。相較于其他已有計算機專業,人工智能專業的特點在于專業內容變化迅速、前沿理論與新技術層出不窮、專業應用實踐與社會生活及經濟的聯系日益緊密。在2022年1月由浙江大學中國科教戰略研究院課題組聯合百度公司聯合發布的《中國人工智能人才培養報告》[1]中,將人工智能人才主要分為方案應用型、方案開發型、算法應用型、算法設計開發型四個大類。方案應用崗是指能夠結合特定使用場景,保障人工智能相關應用快速、高效地規?；a出和穩定運行的崗位;方案開發崗是指將人工智能算法及各項技術與行業需求相結合,實現相關應用工程化落地的崗位;算法應用和研究崗是指創新、突破人工智能算法和技術研究,并將人工智能前沿理論與實際算法模型開發相結合的崗位。這些崗位要求體現了人工智能專業在人才培養模式和培養環節上多層次(應用型人才、開發型人才、科研型人才)、多輸入(基礎理論、前沿知識、動手實踐)、多輸出(應用實踐、產學合作、創新研究)的特殊性。目前,我國的人工智能市場需求前景廣闊,相關行業亟須以產業智能化需求為基礎、理論與實踐相結合的復合型人才。在教育部《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》中強調,要“加強不同培養階段課程和教學的一體化設計,堅持因材施教、循序漸進、教學相長,將創新創業能力和實踐能力培養融入課程體系”。因此,重視培養人工智能專業人才的創新實踐能力就顯得尤為重要。

對于人工智能專業人才來說,創新實踐能力是指學習人工智能相關理論與技術,對人工智能應用領域開展深層次研究,形成AI思維和工程實踐能力,具備創造性地解決人工智能領域實際問題的能力。因此人工智能專業不但需要關注學生對于人工智能前沿技術的理論學習,而且還要重視學生的實踐能力的培養[2]。但現階段,人工智能人才培養實踐活動普遍采用獨立的教學實驗、實踐實訓課程的方式來完成。由百度組織的對人工智能教師開課進展跟蹤調研的結果顯示:65%的教師認為人工智能技術更新和迭代速度太快,難以在迅速變革的技術環境中進行充分的課程準備;78%的教師表示人工智能屬于實踐性學科,對數據和算力要求高,高?，F有的本科教學實驗資源難以滿足大型的人工智能模型訓練,阻礙了高質量人工智能人才的培養;高達83%的教師認為人工智能課程不僅需要知識教授,更重要的是各種真實的項目資源,這對人工智能教學實驗、實訓等環節提出了嚴峻的挑戰。[1]

導師制(tutorial system)起源于14世紀的英國牛津大學。作為學分制的補充,20 世紀初,以哈佛大學為代表的美國高校也逐步引入導師制。導師制在20世紀30年代傳入中國。21世紀初出現了大規模的高校學分制改革浪潮, 與之相配合的本科生導師制也成為高校教學改革的重要內容。本科導師制按照指導時長、模式大致可分為全程導師制、年級導師制和科研導師制等[3]。全程導師制是指本科生大學四年均有導師從多方面進行引導。目前清華大學、武漢大學等高校部分院系實行的是全程導師制,有些高校的實驗班建設也采用這一模式[4]。但這種制度需要大量的教師資源,且耗時較長。年級導師制一般是在大學低年級,每個班配有一名導師,對學生進行學習能力的培養和專業領域的講解; 到高年級由導師帶領學生進行科研實踐,為其日后的發展方向提供有針對性的建議。目前南京林業大學、廈門大學等高校部分院系實行年級導師制度。這種制度有利于培養精英人才,但對學生其他方面的發展關注不夠?？蒲袑熤埔话闶菑拇髮W高年級開始,由導師帶領學生進行科研實踐探索,培養學生的科研創新能力,與年級導師制很相似。目前中南大學、濟南大學等院校實行這種導師制。這種培養方式主要是就學業而言的,有利于高年級學生科研能力和創新能力的提高。這是目前國內大多數高校實行的一種模式。目前,導師制在數學、計算機、文學等傳統專業內得到實施和變革[5]。2019年10月,教育部發布的《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中提出,“建立健全本科生學業導師制度,安排符合條件的教師指導學生學習,制訂個性化培養方案和學業生涯規劃”。

作為新興的人工智能專業,導師制的實施形式和內容還處于探索階段。上海大學采用全程導師制建設人工智能類專業“六位一體”學生社區(指對學生思想教育、行為指導、學業輔導、文化建設、生活服務以及安全防范的六個方面全面開展培養工作)[6];東北大學也在“人工智能+自動化”專業開展了個性化導師制人才培養模式[7];江西師范大學在人工智能專業開展“一主線三階段四導師”人才培養模式,將工作室導師、思政導師、企業導師和產研導師組合引入課堂教學中[8];湖南工商大學采用“導師牽引+競賽驅動”的方式培養人工智能專業人才創新實踐能力[9]。這些案例都驗證了在人工智能專業實施導師制將有助于教師根據學生的具體情況引領學生在人工智能專業領域進行調研學習,激發專業興趣,并在此基礎上引導學生進入科研實驗室開展力所能及的實踐研究活動[10]。

本文以遞進式、多層次實訓課程為框架,結合專業課程、各級競賽、創新科研等培養要素,探索人工智能專業導師制實訓課程模式,為本科專業整體培養過程提供系統化的導師制設計思路。

二、人工智能專業導師制實訓課程實施方案

大連海事大學(以下簡稱學校)人工智能專業于2021年2月獲教育部批準設立,是學校圍繞智能交通、智慧海洋、智慧法學等領域智能化發展需求重點籌建的特色專業。學校人工智能專業從專業具體內涵出發,采用“人工智能+交通運輸工程”復合型人才培養模式,培養學生具有良好的人文素養、強烈的事業心、使命感及擔當精神,具有創造性和批判性思維能力,具有全球化視野和終身學習能力,具有能夠使用人工智能專業的基礎理論和專業技能,在智能交通、智慧海洋、智能法學等交叉學科提出并解決人工智能領域挑戰性問題的能力,具有能夠擔負人工智能相關科學技術或工程管理工作的能力,具有能夠服務國家重大需求,增強交通強國和海洋強國核心競爭力的能力,最終培養學生成為有交通運輸工程領域特色的復合型智能創新人才。

學校人工智能學院計劃編制專任教師40人,而目前唯一的人工智能本科專業每個學年招收一個班級,共30～33名學生。因此,四年一個培養周期中,師生比大約為1∶3。這個優秀的比例可以確保指導教師以及學生所構成的團隊高效地開展各項實訓工作,并且本科學生也會有更多的機會來參與指導教師的科研活動。依據師資建設進度,依次全面實施導師制教學,讓每一名學生受到充分關注和享用最大化教育資源。同時,強調因材施教和發展學生的個性,有利于促進教育改革的發展,為實施培養拔尖創新人才創造一個廣闊的空間。

(一)實施目標

學校人工智能專業根據教育部《高等學校人工智能創新行動計劃》,將學分制下的導師制概念引入綜合實踐訓練中,以導師制構建實訓課程形式,以學分制規范實訓課程過程。導師制實訓課程可以發揮本科生導師在本科生的思想引領、學業指導、專業引導、職業規劃與人生規劃等方面的指引作用,對學生在課內學業、專業興趣、讀研深造、創新創業、職業規劃等方面予以指導,加強學生和專業課導師的交流,加深學生對于專業的認同感。對于專業能力突出、成績較為優異的學生,導師能夠給予個人規劃指導和學術引領;對于基礎較弱、成績不理想的學生,導師可以起到督促和學業指導作用,提高學生學習主動性,幫助他們提高專業成績。本科生導師實訓課程可以實現因材施教,多層次地激發學生的學習熱情,著力培養學生的創新能力與協作能力。此外,本項目還能增強專業教師之間的交流,促進教學團隊建設。

(二)實施方案

實施人工智能專業本科生導師制,首先應讓學生對人工智能專業有一個比較清晰全面的了解。因此在學生一年級大類培養分流之后,以“專業導論”課程作為平臺,由多個專任教師向學生介紹各自研究領域的前沿發展以及所在研究組的具體情況,讓學生初步了解專業教師的研究方向和人工智能領域各個方向的前沿技術。之后根據個人興趣,與參與導師制的專業教師進行雙選,最終確定由指導教師以及被指導學生組成的研究組。其次,將導師對學生的指導內容以系列專業認知實習課程的形式框定,并將專業認知實習課程嵌入培養計劃。具體可以從第三學期(大二上)到第七學期(大四上)依次開設?？紤]到學生成長過程中知識構成和能力要求的階段性,以專業基礎認知、專業學習理論認知和專業學習實踐認知為主線,每門課程的性質設為必修,時長30學時,學分1分。系列專業認知實習課程環環相扣、層層遞進,不僅直接強化了認知實習在專業學習過程中的作用,還為構建持續有效的導師—學生互動機制奠定了平臺基礎。學生在導師指導下完成規定學時及取得一定成果,向導師提交研究報告并由導師審核認定后,獲得專業培養方案中規定的學分。

1.基礎認知實訓

本階段的基本目標是引導學生了解專業基本情況和發展現狀。提高目標可以根據學生自身情況,指導教師安排學生有針對性地學習使用一些編程工具,也可以安排研究生帶領本科生完成一些編程練習。在學有余力的情況下讓學生報名參加“大學生創新創業訓練計劃”立項申報工作。這一環節有助于學生強化本專業的基礎理論和實踐能力,為后續工作的開展做好鋪墊。

2.體系認知實訓

本階段的基本目標是結合專業課程內容,指導學生熟悉專業知識體系構成,以及各自團隊的學術方向?？梢越o學生安排與課程內容相關聯的中英文科技論文閱讀工作,同時培養和訓練學生的專業英語閱讀能力。提高目標可以設為指導學生參加一項大創項目或學科競賽。通過這一環節,學生可以充分地與指導教師和專業其他任課老師進行交流,梳理專業知識體系。

3.研究認知實訓

本階段基礎目標可以設為深化專業理論知識,通過一些典型的案例,幫助學生進一步熟悉專業知識的應用。提高目標可設為在學科交叉背景下,指導學生用人工智能技術解決跨學科、跨行業的應用問題。這一環節有助于拓寬學生的視野以及專業知識面,幫助學生融合理論知識和提高實踐能力。

4.創新認知實訓

本階段的基本目標在于指導學生運用已掌握的專業知識參與實驗室或實習基地的專業實習活動。該目標可以進一步提升為指導學生進行創新創業活動,鼓勵學生對人工智能技術的應用場景有所創新。學生通過這個環節進一步鍛煉自己的實踐動手能力,初步形成自身專業發展的思路,為將來就業或深造做好規劃。

5.實踐認知實訓

本階段的基本目標是由指導教師綜合前4門實訓課程內容,為學生確定畢業設計選題。通過5門實踐課程的系統培育,學生可以很好地完成畢業設計工作。此外,本階段的提高目標可以設為指導學生參與科研論文寫作或專利申請工作,讓學生了解完整的科研成果研究轉化流程。這些任務積累的理論知識和實踐能力有助于提高學生自身在就業和考研過程中的競爭優勢。

以上課程內容作為對學生參與導師實訓課程的基本要求,其目標在于使學生的專業實踐能力得到遞進式的提升。對于主動創新精神較強并學有余力的學生,各階段的學習內容相應地可以提前進行,以便有更充足的時間讓學生開展創新創業項目以及科學研究工作,從而達到創新創業能力螺旋式的提升。導師制實踐課程各環節之間的關聯、基本目標和提高目標如圖 1所示。

圖1 導師制實踐課程各環節間的關聯、基本目標和提高目標

(三)考核方式

針對本科導師制實訓課程的特點,引入形成性課程評價方式,隨時了解學生在學習上的進展情況,獲得教學過程中的連續反饋,從而為教師隨時調整教學計劃、改進教學方法提供參考。其中,實訓課程過程記錄應至少包括指導時間、指導時長、指導地點、課程主題、課程內容(指導內容參照前文介紹的人工智能專業導師制內容執行相應計劃)。

此外,本系列實踐課程還將由學生完成階段性報告,結合教師對學生的過程性評價,最終給出學生每階段課程的成績。具體來說,實踐報告內容可以包括以下三部分:第一部分,實訓基本情況,包括實訓時間、實訓目的、實訓完成情況、實訓形式;第二部分,實訓過程及內容;第三部分,實訓總結、體會及建議。

(四)特色與創新

1.人才培養持續遞進

本項目研究的人工智能專業實訓教育打破了原來實訓課程短期性、一次性的時間框架,在多個學期持續、遞進地對學生進行培養,讓學生盡可能多地掌握人工智能的理論知識和實踐技能,由此解決了人工智能專業實訓教育缺乏結構性和持續性的問題。

2.多方收益相結合

本項目研究的實訓課程內容與人工智能專業導論以及其他專業課程內容緊密相關,并且實訓內容可以與學生創新創業、畢業設計、就業升學等多個環節聯動,確保實訓過程及其成果能夠實現一定的價值。此外,通過本項目研究的實訓課程,學生可以在學業和個人能力提高上獲得收益。指導教師可以指導學生參與一些實際的科研項目的工作,帶領學生參加多種創新創業大賽,優秀的學生可以作為學?！半p一流”建設的專業人才儲備,這就解決了人工智能專業實訓教育成果的轉化問題。

3.分層次培養

對于基礎和能力相對一般的學生,指導教師可以根據指導性教學大綱,指導學生掌握基礎的人工智能實踐操作技能;對于能力優秀的學生,指導教師可以通過創新創業等活動培養學生具備更高水平的實踐能力。這就解決了人工智能專業實訓教育缺乏層次性的問題。

三、結語

2022—2023年第一學期開始學校針對人工智能專業重實踐的特點,從專業實際發展情況出發,為人工智能專業大二學生(也是學校第一批人工智能專業的本科生)安排導師制實訓課程。通過系統的實訓教學課程,引導學生體會人工智能、了解人工智能、研究人工智能、創新人工智能,并以此實踐教學課程為中心,將成果輻射到學生創新創業、畢業生就業升學等工作。本項目自2022年9月開始實施至今,在人工智能專業認知實訓課程的框架下,學校人工智能專業學生獲得多項國家級競賽獎項:2022年中國機器人大賽暨ROBOCUP機器人世界杯中國賽水下機器人水中巡游和水下作業項目兩項國家級一等獎;2023年第二十五屆中國機器人及人工智能大賽全國總決賽機器人應用賽(四足急速物流)國家級一等獎及機器人創新賽國家級一等獎;2023年?？箼C器人開發者大賽(原RoboCom)全國總決賽CAIR工程競技賽道國家級一等獎;等等。針對本科生導師制實訓課程的具體實施進行的訪談可見,學生和教師均給予比較積極的反饋:認為本科導師制使師生互動關系更加緊密,能更好地滿足人工智能專業學生的學習需求,幫助他們更好地掌握前沿理論知識和實踐技能;采用導師制的形式建設人工智能專業認知實訓課程體系能夠解決人工智能專業實訓教育缺乏結構性和持續性、教育成果轉化困難以及缺乏層次性的問題。由于現有開展導師制實訓課程的學生為本專業第一批學生,所以以上介紹的實訓課程的后續四個階段尚未開展。因此我們設立了兩個后續關注點:一是從學校特色、專業課程和專業前沿之間的共同點出發,引導指導教師為學生設計相應的實訓課內容;二是將重新審視現有課程設置的合理性,可以適當調整課程的屬性,將有些環節設為專業必修,有些環節設為專業限選,從而更加靈活地為學生安排實訓課程。