林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)的思考

1、林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)的思考1 背景近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng) +”的快速普及，互聯(lián)網(wǎng)跨界融合創(chuàng) 新模式進(jìn)入林業(yè)領(lǐng)域，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì) 算等技術(shù)推動(dòng)信息化與林業(yè)深度融合，開啟了智慧林業(yè)的大門。 我國林業(yè)信息化、 智能化建設(shè)逐步走上了有序、 快步發(fā)展的軌道， 取得了重要的進(jìn)展。20112013年，國家XX局,XX局先后開展了中國林業(yè)信息 化體制機(jī)制研究和中國智慧林業(yè)發(fā)展規(guī)劃研究， 在此基礎(chǔ)上出臺(tái) 了國家XX局,XX局關(guān)于進(jìn)一步加快林業(yè)信息化發(fā)展的指導(dǎo)意 見和中國智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見。 20122013 年，在深 入研究的基礎(chǔ)上，XX局,XX局編制了中國林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展框架 設(shè)計(jì)，

2、2016年3月正式發(fā)布了 “互聯(lián)網(wǎng)+”林業(yè)行動(dòng)計(jì)劃國家XX局,XX局制定的中國智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見指 出，信息化、智能化在林業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)從零散的點(diǎn)的應(yīng)用發(fā)展 到融合的、全面的創(chuàng)新應(yīng)用。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的逐步應(yīng)用，能 實(shí)現(xiàn)林業(yè)資源的實(shí)時(shí)、 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理， 更透徹地感知生態(tài)環(huán)境 狀況、遏制生態(tài)危機(jī)，更深入地監(jiān)測(cè)預(yù)警事件、支撐生態(tài)行動(dòng)、 預(yù)防生態(tài)災(zāi)害。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)中涉及研究、 設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能機(jī)器的 一個(gè)重要分支。國際上，人工智能的研究已取得長足的進(jìn)展；在 國內(nèi)，也呈現(xiàn)出極好的發(fā)展勢(shì)頭， 人工智能已得到迅速的傳播與 發(fā)展，并促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展。 我國已有數(shù)以萬計(jì)的科技人員 和大學(xué)師生從事

3、不同層次的人工智能的研究與學(xué)習(xí)， 人工智能已 成為一個(gè)受到廣泛重視并有著廣闊應(yīng)用潛能的龐大的、 交叉的前 沿學(xué)科。 特別是經(jīng)過近幾十年的發(fā)展， 智能技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成 為各行業(yè)創(chuàng)新的重要生長點(diǎn)， 其廣泛的應(yīng)用前景日趨明顯， 如智 能機(jī)器人、智能化機(jī)器、 智能化電器、智能化樓宇、智能化社區(qū)、 智能化物流等，對(duì)人類生活的方方面面產(chǎn)生了重要的影響。近年來，人工智能已經(jīng)在智慧林業(yè)相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng) 用，例如，在智能機(jī)器人的應(yīng)用方面， 已經(jīng)有大量的嫁接機(jī)器人、 水果采摘機(jī)器人、 農(nóng)藥噴灑機(jī)器人、 果實(shí)分檢機(jī)器人等投入使用； 在專家系統(tǒng)的應(yīng)用方面， 森林病蟲害診斷專家系統(tǒng)、 病蟲預(yù)測(cè)預(yù) 報(bào)專家系統(tǒng)、

4、林產(chǎn)品生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)、 專家咨詢和人員培訓(xùn)專 家系統(tǒng)等也得到了廣泛應(yīng)用。隨著人工智能在智慧林業(yè)中的廣泛應(yīng)用， 涉林企業(yè)和事業(yè)單 位對(duì)智能型林業(yè)高技術(shù)人才的需求也在不斷加大。 為了適應(yīng)市場(chǎng) 對(duì)智能型人才的需求，自 2003 年起，國內(nèi)諸多林業(yè)高等院校在 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科階段、 林業(yè)相關(guān)專業(yè)的研究生階段陸 續(xù)開設(shè)人工智能課程， 同時(shí)不斷加大人工智能課程的比重， 因此， 人工智能課程教學(xué)對(duì)于林業(yè)院校顯得越來越重要。2林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)現(xiàn)狀 林業(yè)院校開設(shè)人工智能課程的專業(yè)不多， 但有不斷增加的趨 勢(shì)。以中南林業(yè)科技大學(xué)為例， 該校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè) 自 2003 年起就開設(shè)了人工

5、智能課程，所用教材一直是蔡自興教 授主編的人工智能及其應(yīng)用；另外，面向部分專業(yè)的碩士和 博士研究生開設(shè)了人工智能相關(guān)課程， 如農(nóng)業(yè)碩士的農(nóng)業(yè)信息化 領(lǐng)域研究生開設(shè)了人工智能技術(shù)， 森林經(jīng)理和森林培育兩個(gè)專業(yè) 的博士研究生開設(shè)了人工智能與專家系統(tǒng)。針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)， 人工智能課程主要使用蔡 自興教授主編的人工智能及其應(yīng)用教材施教，但由于課時(shí)數(shù) 僅有 32 學(xué)時(shí)，關(guān)于人工智能的一些高級(jí)應(yīng)用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專 家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等，采用專題的形式組織教學(xué)。該專業(yè)沒有設(shè) 置實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，僅在理論課堂上演示了一些仿真軟件，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。針對(duì)農(nóng)業(yè)碩士的農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域研究生和森林經(jīng)理及森林 培

6、育兩個(gè)專業(yè)的博士研究生， 教學(xué)計(jì)劃安排的學(xué)時(shí)數(shù)為 40 學(xué)時(shí)， 沒有指定教材，僅給學(xué)生列了蔡自興教授的人工智能及其應(yīng) 用研究生用書 等幾本參考教材。 課堂主要以專題的形式組 織教學(xué)， 每一講除了相關(guān)的理論以外， 還介紹一些工程實(shí)踐應(yīng)用 的例子，讓研究生能夠了解這些人工智能算法如何在實(shí)際中得到 具體應(yīng)用。3林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)存在的問題 全國各高等院校的人工智能課程教學(xué)都或多或少地存在一 些問題， 林業(yè)院校更有區(qū)別于其他類型院校的顯著特征， 而且林 業(yè)院校開設(shè)該課程教學(xué)相對(duì)較晚， 因此林業(yè)院校的人工智能課程 教學(xué)存在更多的問題。（1）師資短缺。在林業(yè)院校，林學(xué)相關(guān)專業(yè)開設(shè)該課程往 往由林學(xué)相

7、關(guān)專業(yè)的教師主講。 這些非計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的教師雖 然曾從事過人工智能個(gè)別算法或領(lǐng)域研究， 但不具備全面的人工 智能相關(guān)專業(yè)知識(shí)， 在講授不熟悉的人工智能知識(shí)點(diǎn)時(shí)顯得力不 從心。（2）教學(xué)內(nèi)容專業(yè)性不強(qiáng)。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè) 分支學(xué)科，一般的人工智能教材都比較適合計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué) 生使用，但是農(nóng)業(yè)信息化、森林經(jīng)理、森林培育等專業(yè)的學(xué)生不 管是專業(yè)基礎(chǔ)還是行業(yè)應(yīng)用背景均與計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生不同， 如 果我們?nèi)匀话雌胀ǖ慕滩氖┙蹋?教學(xué)內(nèi)容就缺乏林科特色， 顯得 專業(yè)性不強(qiáng)，無法吸引學(xué)生的聽課興趣。（3）教學(xué)難度過大。林業(yè)院校涉林專業(yè)的學(xué)生一般只有計(jì) 算機(jī)文化基礎(chǔ)、 C 語言等簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)課程

8、基礎(chǔ)， 缺乏算法思想。 而人工智能課程涉及很多高級(jí)、復(fù)雜的算法，不論從算法思想， 還是從算法實(shí)現(xiàn)和算法應(yīng)用， 對(duì)非計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生來說難度過 大。因此，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求上要做一些取舍。除此之外，還存在諸如缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、教學(xué)手段單一、教學(xué) 案例缺乏等其他普遍性問題。4 林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)改革建議通過分析林業(yè)院校人工智能課程教學(xué)存在的問題， 結(jié)合自己近十余年來從事人工智能教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，我們提出了一些改革建議。（ 1）推行專題式教學(xué)，解決師資缺乏的問題。在師資缺乏的情況下， 由一名教師完成整個(gè)人工智能課程教學(xué)比較困 難，同時(shí)，可能有多名教師分別在人工智能的不同方面進(jìn)行過深 入研究。因此，可以

9、將該課程按章節(jié)分成各個(gè)不同的模塊，每一 個(gè)模塊設(shè)一個(gè)專題，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專題、專家系統(tǒng)專題、機(jī)器學(xué)習(xí) 專題等， 再由多名教師分別承擔(dān)自己熟悉的專題進(jìn)行講授。 這樣 既可以解決一位教師的知識(shí)不足， 又可以讓各位教師結(jié)合自己的 科研將每一個(gè)熟悉的專題講授得更加詳細(xì)、更加有趣。（2）教學(xué)內(nèi)容與涉林專業(yè)緊密結(jié)合，解決專業(yè)性不強(qiáng)的問 題。事實(shí)上， 人工智能的各領(lǐng)域應(yīng)用在林業(yè)行業(yè)都能找到對(duì)應(yīng)的 應(yīng)用實(shí)例。例如，林果采摘機(jī)器人就是機(jī)器人在林業(yè)中的應(yīng)用； 林火識(shí)別和林木病蟲害監(jiān)測(cè)就是模式識(shí)別在林業(yè)中的應(yīng)用； 林火 蔓延預(yù)測(cè)可以用到隱馬爾科夫模型； PAID50 專家系統(tǒng)平臺(tái)就是 專家系統(tǒng)在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用典范等。因

10、此，在教學(xué)過程中，我們 可以考慮將人工智能知識(shí)與林業(yè)應(yīng)用結(jié)合進(jìn)行講解， 這樣學(xué)生更 容易接受也更樂意接受。 更進(jìn)一步， 如果能夠結(jié)合這些林業(yè)應(yīng)用 編寫一本人工智能及其林業(yè)應(yīng)用教材，將會(huì)更加適合涉林專 業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程。（3）應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件解決教學(xué)內(nèi)容難度大的問題。非 計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較差， 編程能力不強(qiáng)， 算法訓(xùn)練 不足，對(duì)各種人工智能高級(jí)算法難以理解，更難以編程實(shí)現(xiàn)。針 對(duì)這個(gè)實(shí)際問題， 我們可以主動(dòng)提供一些相關(guān)算法的計(jì)算機(jī)仿真 軟件，在課堂上通過演示這些仿真軟件， 讓學(xué)生直觀地理解算法， 甚至能夠通過仿真軟件應(yīng)用這些算法解決本專業(yè)相關(guān)的問題。 例 如可以開發(fā)如圖1和圖2所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法仿真軟件，通 過該仿真可以把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、 訓(xùn)練時(shí)的權(quán)值偏差變化、 訓(xùn)練 過程中總誤差的變化等信息完全呈現(xiàn)在學(xué)生面前， 學(xué)生通過這個(gè) 仿真過程就不難理解 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，甚至可以使用這個(gè)仿真 軟件來解決本專業(yè)相關(guān)的一些問題。5 結(jié)語隨著“互聯(lián)網(wǎng) +林業(yè)”、智能制造、智慧林業(yè)等的不斷發(fā)展 和不斷普及， 林業(yè)智能化和其他行業(yè)智能化一樣迫切， 培養(yǎng)更多 的智能型高技術(shù)林業(yè)人才是社會(huì)賦予林業(yè)院校的歷史使命，