摘要：介紹南開大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科實(shí)踐課程的創(chuàng)新和建設(shè)，探討以課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系為基本、以課外學(xué)生自主科技創(chuàng)新和綜合競賽為補(bǔ)充，豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。探索在課內(nèi)專業(yè)實(shí)踐課程中采用固高教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，結(jié)合自動控制課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；在課外學(xué)生活動中組織本科生創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”和“飛思卡爾”杯智能汽車競賽。實(shí)踐表明，課內(nèi)和課外實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，取得了良好的教學(xué)成果。
　　關(guān)鍵詞：智能科學(xué)與技術(shù)；實(shí)踐課程；教學(xué)創(chuàng)新；固高實(shí)驗(yàn)設(shè)備；飛思卡爾智能汽車競賽
　　
　　
　　智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是教育部于2004 年新增的目錄外試點(diǎn)專業(yè)，北京大學(xué)2004年首先建立此專業(yè)[1]，隨后全國很多高校開始籌備和設(shè)立此專業(yè)。南開大學(xué)2005 年獲得批準(zhǔn)成立該專業(yè)，2006年開始招收學(xué)生。經(jīng)過數(shù)年的努力，南開大學(xué)根據(jù)智能專業(yè)的特點(diǎn)和南開大學(xué)文理綜合為主的特色，設(shè)計(jì)了一種能夠充分發(fā)揮南開大學(xué)的理科優(yōu)勢、并且?guī)в泄こ炭茖W(xué)特色的學(xué)科建設(shè)方法和本科培養(yǎng)模式[2-3]。該專業(yè)開設(shè)的課程和教學(xué)計(jì)劃充分體現(xiàn)面向前沿高技術(shù)的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用型、研究型、開發(fā)型的專門工程技術(shù)人才的需要，豐富實(shí)踐教學(xué)手段，把教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用、科研方向相結(jié)合，使本科生不僅能夠?qū)W習(xí)掌握基本理論知識，而且能夠得到較好的工程教育，具備較強(qiáng)的創(chuàng)新動手能力和社會適應(yīng)能力。
　　實(shí)踐環(huán)節(jié)對工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。實(shí)踐教學(xué)由淺入深，包括演示性實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)技能實(shí)驗(yàn)、原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。演示性實(shí)驗(yàn)以參觀和認(rèn)識實(shí)習(xí)為主；基礎(chǔ)技能實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生的基本工程技能，如C++上機(jī)；原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要為專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)部分；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生進(jìn)行多門課程知識的集成設(shè)計(jì)和靈活應(yīng)用。
　　本文主要論述綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和建設(shè)。南開大學(xué)智能專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分兩部分：課內(nèi)的專業(yè)實(shí)踐課程和課外學(xué)生創(chuàng)新科技活動。專業(yè)實(shí)踐課程在形式上遵循傳統(tǒng)的“理論教學(xué)——實(shí)驗(yàn)”模式，它主要作為自動控制等理論課程的后續(xù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)理論知識；同時(shí)，其課時(shí)和內(nèi)容設(shè)置有較大改革，內(nèi)容擴(kuò)充、獨(dú)立成課。課外科047ee76ddb25885724a4ba83d6db3c96技活動以本科生創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”和“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽為契機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)能力和興趣自愿參加，靈活利用課程理論知識自主設(shè)計(jì)和自己制作，完成多種創(chuàng)意作品。
　　1實(shí)踐教學(xué)的作用
　　實(shí)踐課程是本科教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，我們很難用量化的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)它的重要程度及它能對提升教學(xué)效果所作出的貢獻(xiàn)，而只能從本科畢業(yè)生就業(yè)和深造情況作感性的判斷。南開大學(xué)2010屆智能專業(yè)本科畢業(yè)生31人，有15人攻讀研究生、2人重新考研、14人進(jìn)入各類科研院所、大型合資企業(yè)和國有企業(yè)[3]。2011屆本科畢業(yè)生35人，有17人攻讀研究生，5人出國、13人就業(yè)。從這些數(shù)據(jù)，絕大部分學(xué)生畢業(yè)后繼續(xù)進(jìn)行科研方面的深造和工作。實(shí)踐課程能夠大力提升學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、應(yīng)變能力和表達(dá)能力等基本素質(zhì)，對學(xué)生今后的深造和工作有重要的影響。
　　我們對實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行不斷調(diào)整和優(yōu)化，在教學(xué)計(jì)劃中合理安排課內(nèi)專業(yè)課程與課外科研活動，如圖1所示，我們力圖做到理論課程與實(shí)際科研活動緊密結(jié)合，在加強(qiáng)專業(yè)實(shí)踐課程的同時(shí)，積極擴(kuò)展課外科技活動，引導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”。從2010年起，我們將“飛思卡爾”智能車競賽引入到學(xué)生的課外科技活動中，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性并不斷摸索和總結(jié)更好的實(shí)踐教學(xué)方法和手段。
　　2專業(yè)實(shí)踐課程
　　專業(yè)實(shí)踐課程是教學(xué)大綱內(nèi)的一門重要實(shí)踐課。在第二學(xué)年和第三學(xué)年學(xué)習(xí)掌握自動控制理論知識之后，第三學(xué)年第二學(xué)期開始進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐課程。它的內(nèi)容是在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境中，利用自動控制原理、現(xiàn)代控制論等課程上學(xué)習(xí)到的理論知識，搭建控制模型，對固高公司的磁懸浮、三自由度直升機(jī)兩種教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置分別進(jìn)行控制，驗(yàn)證PID(比例-積分-微分)控制、模糊控制等控制理論和算法。它與自動控制原理、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)理論課程有很密切的聯(lián)系，同時(shí)具有一定的獨(dú)立性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上有一定的自主性。課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，總課時(shí)為36學(xué)時(shí)。由于理論指導(dǎo)課程自動控制原理已經(jīng)在前一學(xué)年結(jié)束，本課程在課時(shí)上首先安排4課時(shí)對控制理論進(jìn)行回顧與復(fù)習(xí)，然后安排16課時(shí)進(jìn)行磁懸浮實(shí)驗(yàn)、14課時(shí)進(jìn)行直升機(jī)實(shí)驗(yàn)，最后2課時(shí)采用展示和答辯的方式進(jìn)行課程結(jié)果的檢查。
　　2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
　　專業(yè)實(shí)踐課程的內(nèi)容是在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境中搭建控制模型，對固高公司磁懸浮設(shè)備和三自由度直升機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制。通常的實(shí)驗(yàn)順序是先對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行分析、建模、仿真，在仿真環(huán)境中得到較好的效果后，再把控制模型應(yīng)用到實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證。
　　從課堂上的實(shí)際現(xiàn)象來看，由于仿真結(jié)果與實(shí)際設(shè)備之間有較大的偏差，加之學(xué)生對硬件設(shè)備有著強(qiáng)烈的好奇心，因此，他們沒有耐心先做仿真，或者是匆忙做一下仿真就開始在硬件設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。PID控制器的優(yōu)點(diǎn)是簡單易懂，不需要了解被控對象的精確系統(tǒng)模型也能得到很好的控制效果。因此，在專業(yè)實(shí)踐課上，不強(qiáng)求學(xué)生按照“先仿真再實(shí)際設(shè)備”的順序來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是允許他們先在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)效果上來直接感受P、I、D三個(gè)參數(shù)對控制效果的影響。硬件設(shè)備控制成功后，再引導(dǎo)學(xué)生補(bǔ)做仿真，加深對控制算法的理解。“先實(shí)驗(yàn)、再仿真”的實(shí)驗(yàn)順序也使學(xué)生較深刻地理解了PID不需要精確了解被控對象物理模型這一優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有助于他們以后在實(shí)際工程中應(yīng)用PID控制器。
　　2.2實(shí)驗(yàn)分組
　　學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最初，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的限制，每組人數(shù)為4～5人，經(jīng)過一段時(shí)間的教學(xué)，我們認(rèn)為小組人數(shù)較多導(dǎo)致學(xué)生接觸設(shè)備的時(shí)間短，學(xué)習(xí)興趣降低。因此，我們確定2～3人為一組，分兩批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣小組內(nèi)的學(xué)生有更多機(jī)會進(jìn)行親自動手實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，小組的形式有利于學(xué)生間的討論和互相學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限的情況，這種合理分組形式能保障教學(xué)質(zhì)量。
　　2.3實(shí)驗(yàn)成果檢查
　　專業(yè)實(shí)踐課程的考查通過綜合評估實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來評分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接觀察，磁懸浮設(shè)備使鐵球穩(wěn)定地懸浮，直升機(jī)設(shè)備懸浮在固定的高度，并按預(yù)定速度水平旋轉(zhuǎn)。圖2是磁懸浮系統(tǒng)示意圖和實(shí)驗(yàn)成果展示。
　　3課外科技活動
　　3.1創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”
　　南開大學(xué)歷來重視學(xué)生課外科技活動，對此，我們實(shí)施本科生創(chuàng)新科研“百項(xiàng)工程”，為學(xué)生創(chuàng)新科技活動提供資金、人力和師資支持。其中重點(diǎn)項(xiàng)目的執(zhí)行周期為兩年，一般項(xiàng)目的執(zhí)行周期為一年。通常有超過50%左右的學(xué)生能夠通過“百項(xiàng)工程”跨專業(yè)地參加到各種創(chuàng)意小組里進(jìn)行課外科技活動。智能專業(yè)的本科生通常在第二學(xué)年就開始進(jìn)行“百項(xiàng)工程”項(xiàng)目的創(chuàng)意和申報(bào)，第三學(xué)年正式開始課題研究。項(xiàng)目的來源是學(xué)生自由創(chuàng)意和教師指定，其中自由創(chuàng)意主要由學(xué)生自己提出具有創(chuàng)新性的科研內(nèi)容，教師指定是由教師抽取自己在研究項(xiàng)目中的一部分來形成適合本科生水平的科研題目。這兩類項(xiàng)目都是在學(xué)生自愿選擇的基礎(chǔ)上進(jìn)行，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍較高。
　　3.1 “飛思卡爾”杯智能汽車競賽
　　本科三年級學(xué)生的另一項(xiàng)重要的課外科技活動是全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽。它要求在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的微控制器作為核心控制模塊，自主控制模型汽車完成比賽任務(wù)。該競賽得到了教育部的大力支持，現(xiàn)已發(fā)展成全國26個(gè)省(自治區(qū))、直轄市的300余所高校廣泛參與的全國大學(xué)生競賽[4]。每年舉行一次，第三、四、五屆連續(xù)被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目之一，今年是第六屆。該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科知識。南開大學(xué)開展此項(xiàng)競賽較晚，信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院近一兩年已經(jīng)開始重視，并從新專業(yè)建設(shè)費(fèi)和本科生教學(xué)經(jīng)費(fèi)中撥款對“飛思卡爾”杯智能汽車競賽進(jìn)行資金支持。
　　
　　智能車競賽課外科技活動安排在第三學(xué)年第二學(xué)期，此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)組成原理、自動控制原理、電路基礎(chǔ)、機(jī)械工程基礎(chǔ)、C++編程等專業(yè)課程，能夠獨(dú)立地進(jìn)行智能車傳感器的設(shè)計(jì)和制作、單片機(jī)編程、路線識別和運(yùn)動控制。同時(shí)可以結(jié)合課內(nèi)的專業(yè)實(shí)踐課程，使用MATLAB/Simulink的工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制算法設(shè)計(jì)。
　　智能車競賽分為自由創(chuàng)意和競速比賽兩種。今年的創(chuàng)意賽模擬道路的行車、超車、倒車入庫等功能；競速賽要求通過增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動電路以及編寫相應(yīng)軟件，使模型汽車能夠自主識別道路，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以最短時(shí)間內(nèi)走完規(guī)定路線的為優(yōu)勝。由于競速比賽目標(biāo)明確，學(xué)生們都偏向于選擇競速比賽，根據(jù)競賽要求分別采用光電、攝像頭、電磁三種傳感器實(shí)現(xiàn)對路徑的跟蹤。圖3所示為南開大學(xué)信息學(xué)院大三學(xué)生為今年比賽布置的模擬賽道和采用攝像頭、光電、電磁傳感器的賽車。
　　3.3課外科技活動的教學(xué)效果
　　課外科技活動在自愿的指導(dǎo)思想下進(jìn)行，因此，學(xué)生的積極性、創(chuàng)新性很高。參加“百項(xiàng)工程”的學(xué)生每周約花費(fèi)2小時(shí)、參加“飛思卡爾”杯智能汽車競賽的學(xué)生平均每周約花費(fèi)3小時(shí)在相關(guān)的軟、硬件學(xué)習(xí)和動手制作方面。課外科技活動時(shí)間和學(xué)習(xí)量與一般的專業(yè)課程相當(dāng)。
　　課外科技活動是有任務(wù)指向性的，有明確的目標(biāo)，學(xué)生能夠主動地發(fā)現(xiàn)自己知識體系的欠缺并積極學(xué)習(xí)，靈活、綜合地運(yùn)用各科專業(yè)課程知識來解決問題。例如，“飛思卡爾”杯智能汽車競賽的目標(biāo)性更強(qiáng)，是全國性的競賽，因此更能激發(fā)學(xué)生的斗志。此外，“百項(xiàng)工程”和“飛思卡爾”智能車競賽每一個(gè)小組的資金需求通常不超過3000元。它們能夠以相對較低的資金投入在光、機(jī)、電等方面對學(xué)生進(jìn)行較全面的實(shí)戰(zhàn)鍛煉，獲得較好的學(xué)習(xí)實(shí)踐效果。
　　4結(jié)語
　　多年來，我們在南開大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在本科實(shí)踐課程中，持續(xù)采用課內(nèi)實(shí)踐課程與課外科技活動結(jié)合的方式，積極探索和努力創(chuàng)新，如上所述，我們以機(jī)器人技術(shù)為核心，把課程實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)、課外科技活動等教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來，培養(yǎng)優(yōu)秀的畢業(yè)生，而充分利用固高實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、創(chuàng)新科技“百項(xiàng)工程”、“飛思卡爾”智能汽車等硬件資源，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性，強(qiáng)化了學(xué)生的工程實(shí)踐意識和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了其綜合運(yùn)用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力，取得了一定的成績。在今后的工作中，我們將不斷總結(jié)專業(yè)建設(shè)過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，逐步完善教學(xué)計(jì)劃，積極推動智能專業(yè)軟、硬件教學(xué)環(huán)境的建設(shè)和教學(xué)創(chuàng)新。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 謝昆青. 第一個(gè)智能科學(xué)技術(shù)專業(yè):回顧在北京大學(xué)六年來的創(chuàng)建歷程[J]. 計(jì)算