汪 紅，唐 菀，劉 科

（中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著“智能+”概念的提出，我國在人工智能以及智能科學(xué)領(lǐng)域的研究必將迎來更加廣闊的空間，致力于國家智能人才基礎(chǔ)培養(yǎng)的智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)經(jīng)過十余年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸形成了自己比較完善的課程體系。為了適應(yīng)國家新時(shí)期的人工智能發(fā)展戰(zhàn)略，在中南民族大學(xué)2019 年本科培養(yǎng)方案中，為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)圍繞“智能機(jī)器人”制定了較為完善的課程體系，以期該專業(yè)在機(jī)器人方向?qū)W生培養(yǎng)上有進(jìn)一步提升。

1 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)現(xiàn)狀

自2004 年北京大學(xué)首次建立智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)以來，經(jīng)過15 年的發(fā)展，目前全國已經(jīng)在各高校設(shè)立了151 個(gè)智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，同時(shí)，在2019 年新建了35 個(gè)人工智能本科專業(yè)，使得智能教育家族更加龐大。在中國人工智能學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)專業(yè)規(guī)范建議的指導(dǎo)下，各高校智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的知識(shí)體系已經(jīng)逐步完善，主要為國家培養(yǎng)具有良好科學(xué)素養(yǎng)，系統(tǒng)掌握智能科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)理論和基本技能，能為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的智能技術(shù)相關(guān)人才[1]。近兩年，國家先后提出《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和“智能+”概念，極大地促進(jìn)了智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，同時(shí)使得相關(guān)專業(yè)的人才需求增大，對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的更高要求。

2 智能機(jī)器人課程體系建設(shè)思路

智能機(jī)器人是一個(gè)智能化的載體，同時(shí)也是一門多學(xué)科綜合交叉的學(xué)科，主要涉及機(jī)械、電子、運(yùn)動(dòng)學(xué)控制理論、傳感檢測、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等學(xué)科。經(jīng)過充分調(diào)研，綜合考慮學(xué)科體系及專業(yè)教學(xué)、創(chuàng)新等多方面的發(fā)展需求，在2019 版培養(yǎng)方案制定過程中認(rèn)真分析和權(quán)衡智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的設(shè)置，對(duì)智能機(jī)器人相關(guān)課程的體系化建設(shè)以及實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，以滿足新工科形勢(shì)下課程教學(xué)的需求[2-3]，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和能力的復(fù)合型人才提供更加有力的支持。

在課程體系建設(shè)中，以智能化與機(jī)器人應(yīng)用為導(dǎo)向，圍繞機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以及聽、說、看等開設(shè)機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人傳感技術(shù)、自動(dòng)控制原理、數(shù)字信號(hào)處理等基礎(chǔ)課程，圍繞機(jī)器人思維設(shè)置自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘以及大數(shù)據(jù)分析、認(rèn)知科學(xué)等專業(yè)課程。圖1所示為以智能機(jī)器人為核心的相關(guān)課程，其中實(shí)線框?yàn)閷I(yè)基礎(chǔ)課程，虛線框?yàn)閷I(yè)方向課程。

在此基礎(chǔ)上，將課程按照性質(zhì)以及相互關(guān)系進(jìn)行合理安排，對(duì)學(xué)生在每個(gè)學(xué)習(xí)階段提出具體的學(xué)習(xí)任務(wù)與要求。同時(shí)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和以賽促學(xué)的模式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性[4]。各學(xué)期課程設(shè)置如圖2 所示。

圖1 以機(jī)器人為核心的課程體系

圖2 智能機(jī)器人課程體系

在具體實(shí)施過程中，強(qiáng)化理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，通過豐富的實(shí)踐訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，讓學(xué)生從構(gòu)建智能機(jī)器人開始逐漸認(rèn)識(shí)復(fù)雜的智能系統(tǒng)，并進(jìn)一步能設(shè)計(jì)與開發(fā)智能機(jī)器人相應(yīng)的應(yīng)用功能，從而掌握將智能科學(xué)理論與具體機(jī)器人工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的開發(fā)與集成技術(shù)。

3 課程體系的具體實(shí)施

3.1 實(shí)施方案

以培養(yǎng)方案為指南，通過“以賽促學(xué)”模式驅(qū)動(dòng)該方案的實(shí)施，圍繞深入培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合逐步展開[5]。分為三個(gè)階段。

1）參考學(xué)習(xí)階段，主要針對(duì)大一學(xué)生，他們通過參考高年級(jí)同學(xué)的設(shè)計(jì)案例快速提升自己。

在大一上學(xué)期課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生已具備一定編程能力的前提下，通過自主學(xué)習(xí)的方式為學(xué)生提供寒假訓(xùn)練項(xiàng)目，為大一下學(xué)期的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。這個(gè)過程最重要的目的是使學(xué)生盡快完成高中向大學(xué)的過渡，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)為下階段的競賽訓(xùn)練選拔人員。大一下學(xué)期設(shè)置了電子技術(shù)工藝實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，以分批開放的形式完成數(shù)字萬用表的組裝、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)流水燈、數(shù)字鐘和藍(lán)牙通信等5 個(gè)小項(xiàng)目，學(xué)生自己動(dòng)手完成電路板的焊接、模塊電路的設(shè)計(jì)以及基本功能的測試，經(jīng)過該環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生基本具備了構(gòu)建簡單機(jī)器人（比如輪式機(jī)器人或者小車）的能力，為暑期的機(jī)器人相關(guān)競賽進(jìn)行了人員準(zhǔn)備。

此外，每年暑假都是學(xué)科競賽的黃金時(shí)期，基于平時(shí)賽前訓(xùn)練，結(jié)合暑期的集中參賽，學(xué)生能夠迅速提升自己的專業(yè)能力。以世界機(jī)器人大賽中的格斗機(jī)器人賽為例，學(xué)生在一個(gè)月之內(nèi)需要完成機(jī)器人組裝、調(diào)試、對(duì)抗等各個(gè)環(huán)節(jié)，需要應(yīng)對(duì)比賽過程中的各種突發(fā)事件，整個(gè)競賽環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升非常明顯。

2）自主學(xué)習(xí)階段，通過參與創(chuàng)新項(xiàng)目的研究，學(xué)生能夠加深理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，對(duì)學(xué)生綜合能力的提升更具意義。

對(duì)于大二的學(xué)生來說，經(jīng)過了大一的課程學(xué)習(xí)以及第一個(gè)暑期競賽的歷練，更加明確自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)，能夠自主探究新知識(shí)和新技術(shù)，能夠根據(jù)自己的所思所想提出更多創(chuàng)新，并在此基礎(chǔ)上展開大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的研究工作，這些項(xiàng)目不僅涉及機(jī)器人控制、傳感器技術(shù)等相關(guān)理論，而且還會(huì)涉及自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、情感識(shí)別、數(shù)據(jù)分析等智能化更高的專業(yè)領(lǐng)域。

3）全面提升階段，學(xué)生對(duì)自己的專業(yè)發(fā)展有了較全面的認(rèn)識(shí)，在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下確定個(gè)人規(guī)劃并實(shí)施。

通過兩年的專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及競賽和創(chuàng)新項(xiàng)目的訓(xùn)練，大三的學(xué)生在專業(yè)知識(shí)以及實(shí)踐能力方面已經(jīng)得到了全面提升。這個(gè)階段，學(xué)生將明確自己的專業(yè)規(guī)劃，對(duì)于學(xué)習(xí)和研究的內(nèi)容及目標(biāo)有了更高的要求，他們會(huì)根據(jù)將來希望從事的工作或者深造的研究方向選擇更深入的學(xué)習(xí)內(nèi)容和提升方式。比如有的學(xué)生把“機(jī)器視覺”作為研究方向，有的學(xué)生對(duì)“自然語言處理”投入更多精力，這樣有著明確目標(biāo)的學(xué)習(xí)對(duì)他們將來在智能領(lǐng)域的發(fā)展都具有非常積極的意義。

3.2 實(shí)施成效

中南民族大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)于2012年獲批招生以來，經(jīng)過了7 年的發(fā)展，已有4屆畢業(yè)生，從第一批畢業(yè)生的無所適從，到現(xiàn)在的供不應(yīng)求，體現(xiàn)了社會(huì)對(duì)“智能”的認(rèn)可，同時(shí)也是對(duì)多年來學(xué)生培養(yǎng)模式不斷探索成效的肯定。

通過由淺入深的課程設(shè)置，以及與之配合的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生在開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中充分發(fā)揮創(chuàng)新思維以及主觀能動(dòng)性，在不同階段利用自身的知識(shí)體系制作出不同復(fù)雜度的機(jī)器人作品，如圖3 所示。

圖3 學(xué)生作品

根據(jù)3 個(gè)階段的課程設(shè)置，大一下學(xué)期學(xué)生可以完成簡單的尋跡小車的設(shè)計(jì)，比較熟練地制作小車，運(yùn)用簡單的傳感器實(shí)現(xiàn)尋跡；大二制作的小車使用了語音模塊，采用語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了語音控制及交互；大三階段制作出多足仿生機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人除了運(yùn)動(dòng)控制更加復(fù)雜以外，還搭載了攝像頭和雷達(dá)等模塊，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

經(jīng)過多年檢驗(yàn)，“以賽促學(xué)”和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)是非常有效的培養(yǎng)模式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室主動(dòng)學(xué)習(xí)，并且形成了以老帶新的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員無論是就業(yè)還是深造都有很好的發(fā)展。表1 為近幾年的部分成果。

4 結(jié) 語

中南民族大學(xué)于2012 年設(shè)立了“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)，目前已經(jīng)有了4 屆畢業(yè)生，經(jīng)歷了兩次培養(yǎng)方案的修訂，逐漸明確了自己的專業(yè)建設(shè)路線和人才培養(yǎng)目標(biāo)。本專業(yè)以“智能機(jī)器人”為載體，通過開發(fā)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及聽、說、看等功能為基礎(chǔ)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人思維智能的設(shè)計(jì)與開發(fā)。經(jīng)過多年探索，中南民族大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在圍繞智能機(jī)器人的人才培養(yǎng)方面已經(jīng)摸索出一套行之有效的模式，這種“以賽促學(xué)”和創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的培養(yǎng)極大地激發(fā)學(xué)生的潛力，無論在就業(yè)還是在深造方面都有很好的積極效果。

表1 本專業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目以及競賽情況列表