全媒体演讲 | ​浙江大学研究员吴超:新一代人工智能在线教学和实训探索
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11月15日,2020年中国高校计算机教育MOOC联盟年会在北京盛大召开。会议吸引了来自全国各的地高校领导、高校计算机相关专业院系领导、MOOC名师、课程负责人、一线教师以及MOOC平台、行业企业的负责人等500余名嘉宾和代表相聚北京,在总结一年来实践的基础上,深入探讨后疫情时期计算机类在线开放课程在高校的广泛深入的模式和方法,以促进高校计算机类教育教学更好的发展。浙江大学研究员吴超以“新一代人工智能在线教学和实训探索”为题作了报告。

浙江大学研究员吴超

现场精彩演讲

大家好!很高兴给各位做汇报,主要汇报一下我们在浙江大学做人工智能教学的内容。我们主要是在计算机教学当中新的一个学科方向,就是人工智能。

很多人都在学人工智能,不光是计算机专业的学生在学人工智能,其他工科专业的,甚至是文科的,社会科学的也在学人工智能。大家都把人工智能当成是一种新的工具,我们一般认为,工具是被动的,我们人是主动的,人去挑选工具使用。但我经常在课上给同学们讲,工具和人之间的关系是比较复杂的,人在挑选工具,人在使用工具,工具也在挑选人,甚至在淘汰人。

今天我们人工智能也是如此,人工智能跟其他的工具不一样。其他的工具需要去设计一些规则,人工智能特别是机器学习,可以实现类似思考,是一种主动工具,这种工具会对我们社会带来翻天覆地的变化。因此在教育当中应强调,为了应对未来的时代变化,需要让我们学生有数据驱动机器学习的思维模式和心理准备。

17年的时候国务院提出了新一代人工智能发展规划。对教育来说,提供人工智能人才是急需的工作。在2018年,教育部、发改委、财政部将人工智能纳入国家关键急需高层次人才招生的计划,全国纷纷建立人工智能的本科和研究生的专业,逐步形成完整的一个培养体系。

浙江大学也是顺应这样的需求,我们也在学校建立了本科和研究生阶段的课程体系。我们现在人工智能本科专业今年是第一年招收学生,基础还是我们一些计算机的这些学科。在这之上有一个人工智能的核心课程群,机器学习、神经认知学以及安全。在这之上是一些交叉的应用,包括设计、芯片和机器人等等课程。

浙江大学也成立了省部共建的人工智能协同创新中心,把产业、研究和科教融合在一起。同时我们现在也在计算机和人工智能专业之外,面向新工科,包含11个专业,开设专业学位课人工智能算法与系统,这个课程的学生特别多,大概有1600多名学生,我们只有五位老师来上,不可能用传统的方式在课堂上讲,只能采取线上线下混合的模式来给学生上课。在这个课程当中探索了一种新的教学,特别是实训和考试新的模式。

为了满足课程的需求,我们也在积极编写教材,跟高等教育出版社联合国家新一代人工智能战略咨询委员会,以云鹤院士作为编委会主任,编写一套新一代人工智能系列教材。这套系列教材一共有19本教材,人工智能导论、可视化和产品设计现在已经出版,这三门课我们也有对应的慕课,在中国大学慕课上面已经开设了教材对应的慕课内容。目前已经差不多有12万人选课,其中最多的就是模型与算法这门课,累计有九万人选。每年选的有两三万人,到最后能够把课程的实训做完,能够把代码提交上来,不到几百百人。所以看视频没问题,但真正让他上手一个算法,这个非常难。我们现在想解决的就是这个问题,如何真正让学生把算法能够写出来。

我们发现目前人工智能教育主要面临两个挑战,第一个挑战就是教学内容和教学路径,人工智能在高端教育,即研究生、博士生阶段,学生有较好的数学基础、编程基础和计算机背景,有很多学生每年拿很高的年薪去大的企业去工作。这说明在这方面培养的学生还是很优秀的,每年他们发表人工智能顶级会议的论文也是很多。但是我们说人工智能未来会变成一个更加普遍化、通识化的教育,现在更广泛的新工科,甚至是文科对这个领域也是有很大的需求。如何去给非计算机专业学生教学,可能数学基础并不是特别强,像我们现在上人工智能讲机器学习,一开始从数学开始讲,然后讲优化方法,再讲算法,再讲到它的应用。但对数学基础不是很好的学生,还有一些学生编程是比较差的,像我们新工科的课,1600多名同学,我们统计了一下,有一半的学生不太会写python,我们如何给他讲。在这种情况下,我们如何让更广大的学生能够去理解,有很大的挑战。

更大的一个问题就是我们现在资源分布不均,全国有很多学校在人工智能专业建设上面开展的比较多,学科的研究也比较深,有些老师可以很好的上课,可以写出很好的教材,有很好的课件,有很好的实训的内容。但是绝大部分的学校缺少这方面的基础,缺乏足够的老师来上,缺乏足够好的教材,也缺乏经过检验的这些实训题目,还有就是硬件资源,我们去很多学校,发现GPU的集群等等都是比较缺乏的。要开展人工智能的教育,不仅在一些优势的地区,更重要的是能不能把它推广到更广泛的学生群体,甚至落后的一些边远的地区。我们现在工作重点就在解决这两个问题,我们也做了一些尝试。第一个解决新的教学路径或者新的教学方法,我们提出了一些案例和一些新的课程设计。我们现在针对那些非计算机专业的学生,但是他们前面学过一些编程,我们去给他们讲人工智能。不像原来一样,先从数据开始讲,我们先给他一个很具体的任务,这个任务就是让他去写一个最简单的手写体识别,比如3×10的,让他去判断里面写的数据是什么,这些学生因为写过程序,学过一些数据结构和算法,他们会去想我如何用算法的方法来解决这个问题,他们写了一个算法。我们给他一些边界条件非常模糊的手写体,发现他的条件语句写的非常复杂,他考虑的已经很全面了,但是也覆盖不了所有的情况。传统的编程有一个限制,人很难事先想到所有的规则,需要机器有自己学习的能力,逐步引入神经网络的概念,再让他去看神经网络怎么去学习手写体,怎么改变神经网络一些操参数,比如网络的宽度,能够改变神经网络它的效果,让他先有一个直观的感受,先让他对人工智能的能力边界有一个认识,这种方式我们现在开发了一些教学的路径。比如对视觉问题,不是直接从卷积开始讲,而是先从一个具体的例子,比如车牌识别,在后面衍生出来背后的原理,再让他进去看一些概念,让他自己再去改。搜索问题,我们从一个实际的路径搜索开始,再给他讲搜索是怎么回事,什么流程,从表面让他进入算法的核心。发现这种教学方式对非计算机专业的学生效果是非常好的。

第二个我们要解决的就是AI教育资源的稀缺性的问题,在潘校长的引领下,我们在建立智海新一代人工智能科教平台,把我们的视频、教材、数据集以及算法,全部都集中在这个平台上,把这个平台部署到我们现在在信息中心有一个比较大的GPU集群。未来可以开放给社会,开放给其他的学校,开放给像一些K12的学校,提供给他们做人工智能的教育。这个平台现在也是公开的,除了浙大内部使用之外,我们也是公开给全社会去使用,特别是做一些公益的使用。核心就是以notebook为核心的实训方式,并把notebook原来是编程环境,一键变成像PPT这样的模式,跟传统的PPT相比,它的特点在浏览器里面可以运行代码,直接把代码的结果显示出来。

除了上课之外,还有实训和作业。1600多名学生,我们必须要让他做大作业,让他自己去动手。在这过程中会经常碰到很多问题,所以我们就用在线的方式让他去做大作业。举个例子,比如我们一个课程大作业就是黑白棋,是典型的一个搜索算法。我们把基础的代码都写好,学生只要在里面去填空,填好核心的搜索算法,就可以到GPU上去训练,训练完了之后,每个学生写的黑白棋的算法相互博弈,然后再根据他们比赛的结果,来给学生排名,作为学生最后课程作业的成绩。

我们开发了一系列的算法题目,包括跟华为一起做的实训。让同学们自己用强化学习的方法,来写一个队列算法,我们现在把这套题目扩充成了20多道各种不同AI方向的题,有做NLP的,有做视觉的,有做影像的,我们必须要去收集数据集,测试的时候根据测试数据来做评分。不能让学生获得数据集。我们20多道题也在和企业合作,变成标准的AI能力测试。现在有很多企业,我们学生去面试,去找工作,他判断不了这个学生到底适不适合做AI算法工程师岗位。学生自己就可以去做这套题目,做完达到多少分,企业就能判断出学生是否可以做AI算法工程师。我们曾做过一些竞赛的活动,我们尝试用大规模的学生采用新的人工智能实训平台和教学平台,来给大家上课。现在效果是比较好的,在这个平台上继续写一些代码,继续和同学交流,做额外的一些实训的题目,这是我们现在在做的一个比较好的尝试。

在这个尝试基础之上,我们也希望进一步把它扩大,扩大到更广大的范围。这就需要有很强的生态支持,比如像我们这个平台现在底层的GPU不太够用,我们现在学生如果有一个训练任务,直接可以布置到GPU上。我们现在有64个GPU的集群在平台上面,如果要支持全社会的话,就缺乏后台硬件资源,我们和华为开展非常深入的合作。未来可以形成以华为算力为基础的一套全自主研发AI科教的平台。我们和华为很多生态的产品进行合作,开始向行业,向更广大的用户去推广这样一种模式。今年8月份我们面向航天集团,开设了灰犀牛班,在一个月不到的时间,工程师用我们的平台,用我们人工智能的教材给大家做实训,取得很好的效果。我们针对全社会开放出平台的功能、资源以及教学的案例,给他们做一些实训。这样就形成一个社区,有很多有志于学习人工智能的学生和老师一起来探索内容,互相促进。

除了普通高校之外,我们还在给高职和应用型本科,为他们提供人工智能这些教学资源。现在很多高职也在申请人工智能服务技能的专业,老师更缺乏,我们通过智能大赛,帮助这些学校建立人工智能的教学能力。另外在K12阶段,我们在浙江省这分析做的比较超前。浙江省是全国第一个把信息技术纳入高考的省份,浙江省七门课程里面有一门是信息技术,浙江省的高考生未来会考人工智能。教材已经有了,高考专门考了,但是老师不知道怎么教,学生不知道怎么学,我们今年开始给高中老师做培训,先把他们教会,然后用这个平台的方式。高中的教材已经出来了,在很多学校已经试点使用,明年要全部铺开,全省六百多所高中。再往下就是到初中,到小学,甚至到幼儿园,浙江省教育厅在组织我们做初中小学幼儿园的人工智能教育标准,初中的教材已经出来了,小学的还没有出。这个趋势是非常明显的,我们人工智能未来会变成一个通识化、普遍化的教育,人工智能未来不是计算机专业的学生要学,而是会成为下一代学生的一种基本的思维方式。我想要达到这样的目标,有非常多的工作要做。我们只是做了一些探索,也希望能够跟大家一起进行讨论,一起努力。我今天的报告就到这里,谢谢大家。

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