徐豐羽，王 強(qiáng)，尹海濤，丁 潔

（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

為積極響應(yīng)國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，圍繞《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》［1］，各大高校紛紛設(shè)立了人工智能專業(yè)，重點(diǎn)培養(yǎng)從事人工智能技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作、滿足“人工智能+X”需求的多學(xué)科復(fù)合型人才。目前，國內(nèi)外許多高校設(shè)立了基于人工智能的研究機(jī)構(gòu)，瞄準(zhǔn)基礎(chǔ)理論科學(xué)與信息技術(shù)應(yīng)用問題，不斷提升知識(shí)創(chuàng)新的高度［2］。人工智能是教育部提出需重點(diǎn)發(fā)展的“四新”專業(yè)［3］，伴隨著元宇宙、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新概念的提出，很多傳統(tǒng)課程體系圍繞人工智能進(jìn)行了交叉、融合以及重構(gòu)，對(duì)該專業(yè)產(chǎn)教融合課程體系建設(shè)進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 人工智能專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

人工智能專業(yè)教學(xué)以人工智能領(lǐng)域的系統(tǒng)化理論和創(chuàng)新技術(shù)為核心，注重人工智能與智能系統(tǒng)、智能信息處理、生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域的交叉融合，近年來在國內(nèi)外高校中廣泛開設(shè)。

1.1 國外高校人工智能專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

美國各大高校對(duì)人工智能的研究較早，人工智能領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平排在世界前20 位的學(xué)校中，美國占有14 所［4］，其中斯坦福大學(xué)在人工智能研究與教育領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，開設(shè)于機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、人機(jī)交互等相關(guān)課程。其人工智能實(shí)驗(yàn)室成立于1962 年，著名人工智能學(xué)者吳恩達(dá)、李飛飛等都曾在該校任教［5］。此外，該校向公眾開放的機(jī)器人和深度學(xué)習(xí)方面的網(wǎng)絡(luò)公開課受到了全球教育界的關(guān)注。加州大學(xué)伯克利分校設(shè)有智能機(jī)器實(shí)驗(yàn)室，致力于研究仿生機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺、智能外科手術(shù)和自動(dòng)化制造等［6］。佐治亞理工學(xué)院提供認(rèn)知科學(xué)方向的藝術(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位和人工智能方向的理學(xué)碩士學(xué)位［7］。麻省理工學(xué)院將人工智能實(shí)驗(yàn)室與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室合并，現(xiàn)已成為校內(nèi)最大的實(shí)驗(yàn)室，研究領(lǐng)域涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、腦和認(rèn)知科學(xué)、機(jī)械工程等［4］?？突仿〈髮W(xué)是最早開設(shè)人工智能專業(yè)的學(xué)校，擁有世界上最頂尖的計(jì)算機(jī)專家。在機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理等方面成果斐然［8］。

1.2 國內(nèi)高校人工智能專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)高校人工智能專業(yè)發(fā)展迅速，幾乎每年都有相關(guān)學(xué)院、專業(yè)獲批，更有源源不斷的教育界人士對(duì)滿足社會(huì)發(fā)展需求的人工智能人才培養(yǎng)體系進(jìn)行研究［9］。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國內(nèi)人工智能技術(shù)研究和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地。除了具備完善的教學(xué)體系外，學(xué)生在大一下學(xué)期便可進(jìn)入相關(guān)科研機(jī)構(gòu)（如微軟亞洲研究院）跟隨導(dǎo)師從事科研工作，每年都有十余位本科學(xué)生在國際高級(jí)會(huì)議和期刊上發(fā)表論文［5］。北京大學(xué)人工智能專業(yè)由數(shù)學(xué)系、計(jì)算機(jī)系等10 個(gè)系（所）共同建設(shè)，教學(xué)內(nèi)容涵蓋機(jī)器感知、智能信息處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等交叉領(lǐng)域，重點(diǎn)研究以新一代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為基礎(chǔ)的各類智能技術(shù)［10］。浙江大學(xué)的人工智能研究所是中國設(shè)立最早的人工智能研究機(jī)構(gòu)之一（成立于20 世紀(jì)80 年代），見證和參與了人工智能領(lǐng)域的一系列重要事件?，F(xiàn)今，浙江大學(xué)在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域頗有建樹，于2017 年投入一億人民幣建立睿醫(yī)人工智能研究中心［11］。隨后，國內(nèi)諸多頂尖高校，如中國科學(xué)院大學(xué)、南京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)和西安電子科技大學(xué)等紛紛成立人工智能學(xué)院或研究院，在人工智能人才培養(yǎng)方面爭相布局［12-13］。

人工智能是面向前沿高新技術(shù)的多學(xué)科交叉融合新興專業(yè)，開辦時(shí)間短，尚未形成獨(dú)特的產(chǎn)教融合培養(yǎng)體系。在新工科背景下，人工智能專業(yè)產(chǎn)教融合的辦學(xué)目標(biāo)、核心特色課程設(shè)置與實(shí)施等是亟待解決的問題。

2 人工智能專業(yè)建設(shè)總體構(gòu)思

作為一個(gè)多學(xué)科交叉的新興專業(yè)，人工智能專業(yè)具有內(nèi)涵豐富、外延廣泛的特點(diǎn)，內(nèi)涵包括腦科學(xué)、信息感知、模式識(shí)別、自然語言處理、知識(shí)工程等多個(gè)方面（見圖1）；外延包括智能系統(tǒng)在內(nèi)的應(yīng)用技術(shù)，涵蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域中的機(jī)器人以及智能交通、智能制造、智慧醫(yī)療等。在把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的基礎(chǔ)上，結(jié)合以智能化為標(biāo)志的信息社會(huì)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，凝練人工智能專業(yè)的特色發(fā)展方向、定位人才培養(yǎng)目標(biāo)是專業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵。

Fig.1 Connotation of artificial intelligence specialty圖1 人工智能類專業(yè)內(nèi)涵

早期的人工智能專業(yè)建設(shè)依托計(jì)算機(jī)專業(yè)，圍繞計(jì)算機(jī)技術(shù)展開相應(yīng)的理論和實(shí)踐教學(xué)［5］，僅從工科專業(yè)的大方向給予指導(dǎo)性意見。本文以需求為牽引，秉承理論研究、改革建設(shè)與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的原則，實(shí)現(xiàn)研究—改革—實(shí)踐—建設(shè)—反饋的大閉環(huán)。人工智能專業(yè)建設(shè)總體構(gòu)思為：

2.1 把握需求，凝練特色，精準(zhǔn)定位培養(yǎng)目標(biāo)

樹立工程教育理念，開展充分調(diào)研，以人工智能行業(yè)迫切需求為指引，培養(yǎng)滿足我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，具有多學(xué)科交叉知識(shí)儲(chǔ)備的創(chuàng)新型高素質(zhì)人才。同時(shí)要著重培養(yǎng)學(xué)生的“工匠精神”，使其具備自身職業(yè)發(fā)展所必備的專業(yè)素質(zhì)和品德修養(yǎng)。

2.2 內(nèi)培外聘，校企融合，打造優(yōu)秀的人工智能教學(xué)團(tuán)隊(duì)

高素質(zhì)教師隊(duì)伍是人工智能專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，應(yīng)持續(xù)致力于教師隊(duì)伍的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和業(yè)務(wù)能力提升，通過外引內(nèi)培、校企融合打造精品師資隊(duì)伍。在積極引進(jìn)高層次人才的同時(shí)鼓勵(lì)教師在國內(nèi)外一流大學(xué)進(jìn)修、訪學(xué)。鼓勵(lì)青年教師與企業(yè)深度融合，開展行業(yè)講座與技術(shù)交流，加快提升師生專業(yè)實(shí)踐能力。

2.3 以智能為主線，優(yōu)化整合專業(yè)核心課程群

圍繞人工智能相關(guān)技術(shù)設(shè)立不同培養(yǎng)方向，對(duì)人工智能知識(shí)體系進(jìn)行科學(xué)合理的課程群劃分，具體表現(xiàn)為：①分析人工智能的內(nèi)涵與外延，根據(jù)智能科學(xué)、智能技術(shù)和智能工程3 個(gè)層次劃分體現(xiàn)智能內(nèi)涵和專業(yè)特色的課程模塊；圍繞畢業(yè)要求及新工科人才的核心素養(yǎng)要求設(shè)計(jì)教學(xué)大綱；②考慮到人工智能外延寬泛的特點(diǎn)，核心課程中既要有專業(yè)化課程講授人工智能核心技術(shù)，又要有交叉課程體現(xiàn)學(xué)科融合，使學(xué)生具備“人工智能+”的應(yīng)用能力，培養(yǎng)其核心競爭力和可持續(xù)創(chuàng)造力；③可按照學(xué)科特色和優(yōu)勢設(shè)立不同培養(yǎng)方向，如大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、智能控制與決策；也可圍繞不同領(lǐng)域中的應(yīng)用設(shè)置方向，如智能制造、智慧教育、智慧交通、智慧金融等。

2.4 優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系

在人工智能專業(yè)本科學(xué)習(xí)的各個(gè)階段安排相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，循序漸進(jìn)地鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。構(gòu)建螺旋式遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和典型案例，形成基礎(chǔ)實(shí)踐、專業(yè)實(shí)踐、綜合實(shí)踐與實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新訓(xùn)練與實(shí)踐、企業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多層次多方位的人工智能實(shí)踐教學(xué)體系。圍繞“創(chuàng)新型、綜合化、全周期”工程教育新理念，以實(shí)踐創(chuàng)新能力、解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為目標(biāo)規(guī)劃綜合性實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，以智能系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目為載體設(shè)計(jì)具有專業(yè)特色的集中性實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)大綱。與行業(yè)龍頭企業(yè)科大訊飛、百度等共建“人工智能+”實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，建立校企協(xié)同育人機(jī)制。聚焦聚攏校企資源，參與企業(yè)牽頭的實(shí)踐項(xiàng)目和技能競賽，夯實(shí)實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)，提升學(xué)生的綜合競爭實(shí)力。探索任務(wù)式、工程式、交叉學(xué)科式創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維以及跨學(xué)科交叉融合學(xué)習(xí)能力。

3 產(chǎn)教融合教學(xué)改革方法

3.1 與合作單位建立產(chǎn)教融合長效機(jī)制

與信息行業(yè)的百度、智能制造行業(yè)的億嘉和、人工智能行業(yè)的科大訊飛等展開深度合作，共同制定專業(yè)培養(yǎng)方案、建設(shè)課程體系、打造師資團(tuán)隊(duì)、設(shè)立實(shí)踐基地、開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。將產(chǎn)教協(xié)同育人融入學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)教育鏈、人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈的有機(jī)銜接。促進(jìn)校企優(yōu)質(zhì)資源匯聚融合，使教育與產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌發(fā)展，全面提升工程教育對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的貢獻(xiàn)度。

3.2 重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、提高解決復(fù)雜工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向構(gòu)建集專業(yè)實(shí)踐、創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競賽等于一體的特色實(shí)踐教學(xué)體系，具體見圖2。通過課程體系分層、實(shí)踐平臺(tái)分層充分發(fā)揮國家級(jí)、省級(jí)教學(xué)平臺(tái)的引領(lǐng)作用，融入信息行業(yè)特色，模塊化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，支撐專業(yè)實(shí)踐能力差異化和多樣化培養(yǎng)需求。搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化平臺(tái)，構(gòu)建課程實(shí)施、教學(xué)支持、過程監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量保證體系閉環(huán)。

Fig.2 Practice teaching system based on hybrid of industrial and education圖2 產(chǎn)教融合實(shí)踐教學(xué)體系

3.3 創(chuàng)新教學(xué)模式與方法

創(chuàng)建線上線下互通、課內(nèi)課外互融、實(shí)體虛擬互補(bǔ)的泛在彈性實(shí)踐育人模式，借助口袋實(shí)驗(yàn)室、設(shè)備圖書館、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、MOOC 網(wǎng)站等拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度，延伸實(shí)踐學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力提升。為培養(yǎng)學(xué)生智能化信息理念、拓寬其國際視野，開設(shè)人工智能類專業(yè)課程全英文教學(xué)。

3.4 重設(shè)人工智能專業(yè)產(chǎn)教融合課程

人工智能專業(yè)產(chǎn)教融合課程設(shè)置具體如表1 所示，具體包括：①人工智能導(dǎo)論。介紹當(dāng)前典型的人工智能應(yīng)用案例，突出介紹百度的無人駕駛、文心一言、大模型等人工智能技術(shù)，重點(diǎn)以應(yīng)用案例形式介紹人工智能技術(shù)在智能機(jī)器人、智能監(jiān)控、智能交通以及智能醫(yī)療等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況；②人工智能基礎(chǔ)。講解人工智能的基本原理、方法和技術(shù)，融入百度自動(dòng)駕駛技術(shù)案例，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別與檢測技術(shù)的分析和演示；③Python 程序設(shè)計(jì)。講解Python程序基本語言、語法，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入百度飛槳平臺(tái)的數(shù)據(jù)集、算力、云服務(wù)器賬號(hào)以及工程案例等資源，提升學(xué)生的Python 實(shí)踐能力；④圖像處理。介紹圖像處理的基本概念以及變換和處理算法，以無人駕駛為背景，利用百度飛槳實(shí)現(xiàn)圖像濾波、圖像變換以及圖像增強(qiáng)等算法代碼及演示程序；⑤模式識(shí)別。介紹模式識(shí)別的基本概念、算法和理論，以無人駕駛為背景，利用百度飛槳實(shí)現(xiàn)經(jīng)典模式識(shí)別并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；⑥機(jī)器視覺與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。聯(lián)合百度飛槳實(shí)現(xiàn)線上模塊教學(xué)，利用嵌入式系統(tǒng)工具，在視覺智能分析部分融入工程案例教學(xué)，如人臉檢測代碼及演示程序，基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的不同人物屬性生成代碼（包括表情、年齡、姿態(tài)等）；⑦深度學(xué)習(xí)。介紹各種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、訓(xùn)練策略及其應(yīng)用，融入百度飛槳的無人駕駛背景，實(shí)現(xiàn)基于卷積深度網(wǎng)絡(luò)的道路標(biāo)識(shí)分類和識(shí)別；⑧課程設(shè)計(jì)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐創(chuàng)新和畢業(yè)設(shè)計(jì)等集中實(shí)踐環(huán)節(jié)?；诎俣蕊w槳平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能小車的導(dǎo)航、避障與循跡，基于EdgeBoard 的智能分析系統(tǒng)進(jìn)行智能車比賽。

Table 1 Courses setting of hybrid of industrial and education in artificial intelligence表1 人工智能專業(yè)產(chǎn)教融合課程設(shè)置

4 產(chǎn)教融合實(shí)踐

以智能機(jī)器人、智能交通、智能電網(wǎng)以及智能醫(yī)療等智能系統(tǒng)中的視覺分析復(fù)雜工程問題為方向，與信息產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)合作開展產(chǎn)教融合培養(yǎng)，旨在解決智能系統(tǒng)中的視覺信息采集、處理、分析與應(yīng)用等系列實(shí)際工程問題。以“人物的智能識(shí)別與分析”案例為例，其產(chǎn)教融合實(shí)踐步驟為：①構(gòu)建人物圖像數(shù)據(jù)庫，搭建視覺采集硬件平臺(tái)；②對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，如圖像濾波、圖像變換以及圖像增強(qiáng)等；③采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法（如主成分分析、支持向量機(jī)等）和深度學(xué)習(xí)方法（如LeNet、AlexNet、VGG、ResNet、GoogleNet 等各種經(jīng)典CNN 模型）進(jìn)行人物目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分割與分類；④采用深度學(xué)習(xí)方法對(duì)人物的表情、行為、姿態(tài)等各種屬性進(jìn)行智能分析，并采用智能生成技術(shù)（如生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)）自動(dòng)生成人物的各種表情、行為、姿態(tài)等；⑤將系統(tǒng)平臺(tái)集成、推廣應(yīng)用至智能檢測機(jī)器人、智能監(jiān)控以及智能交通等中。

基于本文提出的產(chǎn)教融合課程體系，南京郵電大學(xué)形成了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育生態(tài)，每年有效支持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目10 余項(xiàng)，學(xué)生獲“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”等國家級(jí)、省級(jí)創(chuàng)新成果獎(jiǎng)及各類競賽獎(jiǎng)項(xiàng)共計(jì)100 余項(xiàng)，省級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)2 項(xiàng)。同時(shí)，獲得了教育部一流專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目、江蘇省產(chǎn)教融合型品牌專業(yè)資助項(xiàng)目以及百度和華為等企業(yè)資助的課程教學(xué)改革項(xiàng)目10余項(xiàng)。

5 結(jié)語

本文提出了信息類高校產(chǎn)教融合人工智能專業(yè)建設(shè)改革方案，詳細(xì)闡述了主干課程具體實(shí)施方案，教改成果可以推廣至其他相關(guān)工科專業(yè)中。不足之處主要體現(xiàn)在產(chǎn)教融合案例與現(xiàn)有課程知識(shí)體系之間的融合不協(xié)調(diào)，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。