新工科背景下民族高校人工智能專業(yè)建設(shè)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)探索

向 偉，黃勤珍

（西南民族大學 電氣信息工程學院，四川 成都 610041）

1 背 景

當下，中國正進行著如火如荼的“新工科運動”。雖然對于新工科還沒有明確一致的定義，但關(guān)于新工科的基本范疇與內(nèi)涵特征，經(jīng)過緊鑼密鼓的一系列活動和全國范圍內(nèi)的廣泛討論之后，社會及相關(guān)行業(yè)人員已經(jīng)達成共識。新工科要以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，新工科的建設(shè)，一方面要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，如大數(shù)據(jù)、人工智能、智能制造、機器人等，另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新。自2017 年下半年以來，612 個新工科研究與實踐項目組成的30 個項目群正在加速推進[1-2]。

面對新一代人工智能的重大發(fā)展機遇，教育部于2018 年4 月頒發(fā)了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，將完善人工智能領(lǐng)域的人才培養(yǎng)體系作為三大重點任務(wù)之一，強調(diào)“要完善學科布局、加強專業(yè)建設(shè)、加強教材建設(shè)、加強人才培養(yǎng)力度、開展普及教育、支持創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，全方位綜合性地提出指導高校人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)的指導方針”[3]。因此，如何培養(yǎng)人工智能領(lǐng)域的創(chuàng)新人才成為現(xiàn)階段的研究熱點。

2 民族高校普遍特點和人才培養(yǎng)定位及培養(yǎng)思路

2.1 民族高校的普遍特點

民族高校秉承“為少數(shù)民族和民族地區(qū)服務(wù)、為國家發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)”的辦學宗旨，肩負著為少數(shù)民族地區(qū)培養(yǎng)人才和培養(yǎng)少數(shù)民族人才的重任。民族高校的學生主要來自民族地區(qū)，少數(shù)民族學生占比超過50%，畢業(yè)之后有相當比例的學生回到少數(shù)民族地區(qū)工作。以西南民族大學為例，在校本科生27 000 余人，少數(shù)民族學生占60%左右；入學分數(shù)差異大，從300 到600 多分不等，這種生源的不平衡性和文化的差異性，使我們所肩負的為少數(shù)民族地區(qū)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應用型人才的任務(wù)更為艱巨。

2.2 民族高校人才培養(yǎng)定位和培養(yǎng)思路

民族高校在多年的發(fā)展中，人才培養(yǎng)思路逐漸清晰，既要遵循高等教育普遍規(guī)律，又要尊重民族高等教育特殊性?？紤]到學校的社會責任和學生的實際情況，民族高校人才培養(yǎng)定位為培養(yǎng)適應民族地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高素質(zhì)人才。因此，在人才培養(yǎng)過程中，要以民族地區(qū)實際需求為辦學依據(jù)，緊跟時代發(fā)展前沿，確定專業(yè)人才的培養(yǎng)方向，在這個過程中遵循現(xiàn)代高等教育的客觀規(guī)律，與時俱進，制定符合時代發(fā)展的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方案，培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、實踐能力的強高素質(zhì)應用型、復合型人才[4]。

2.3 民族高校人工智能人才培養(yǎng)的思路

民族高校人工智能人才的培養(yǎng)既要遵循民族高校人才培養(yǎng)的定位和培養(yǎng)思路，又要緊跟人工智能技術(shù)潮流和現(xiàn)代教育方法和理念，逐漸形成具有民族高校特色的人工智能人才培養(yǎng)的思路。以西南民族大學為例，在人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)的過程中，根據(jù)自身特點明確人才培養(yǎng)定位和培養(yǎng)方向，為了突出民族高校的辦學特色，我們提出了“以民族地區(qū)需求為背景”來確定專業(yè)方向，“以工程認證標準為導向”“以課程改革為基礎(chǔ)”“以創(chuàng)新活動為依托”“以專業(yè)建設(shè)為目標”“以校企合作為平臺”為人才培養(yǎng)和專業(yè)建設(shè)具體實施措施。探索并實踐以電氣信息類專業(yè)為支撐，“自頂而下設(shè)計”的人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，逐漸建立面向民族地區(qū)應用的“產(chǎn)校地多主體協(xié)同”的新型專業(yè)融合育人模式，培養(yǎng)能夠服務(wù)民族地區(qū)的應用型人工智能創(chuàng)新人才，形成“智能+民族”和“軟硬結(jié)合”的專業(yè)特色。在新工科建設(shè)的大潮下，西南民族大學按照這種培養(yǎng)思路從2018 年開始以電氣信息類學生為基礎(chǔ)開設(shè)人工智能專項班，開展人工智能創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，同時積極申請人工智能本科專業(yè)。

3 人工智能專業(yè)建設(shè)方案

為了在新工科背景下去建設(shè)好人工智能專業(yè)，在設(shè)計人工智能專業(yè)建設(shè)方案的時候，需要考慮以下問題：人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求、專業(yè)方向設(shè)置、課程體系設(shè)計、實踐能力培養(yǎng)等。民族高校在建設(shè)人工智能專業(yè)的時候要從自身的特點出發(fā)，去設(shè)計人工智能專業(yè)建設(shè)的方案，確定專業(yè)方向和特色。

3.1 專業(yè)建設(shè)以工程認證為導向，設(shè)定培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求

“工程認證”是全球工科專業(yè)建設(shè)的標準，其嚴格的認證機制能夠保證工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量。華盛頓協(xié)議對工程類本科生的能力要求主要有以下幾方面[5]。①在系統(tǒng)、工藝和機器的設(shè)計、操作和改進過程中，能夠應用數(shù)學、自然科學和工程技術(shù)知識；②發(fā)現(xiàn)并解決復雜工程問題；③了解并解決環(huán)境、經(jīng)濟和社會與工程相關(guān)的問題；④具有有效溝通能力；⑤能夠接受終身學習并促進職業(yè)發(fā)展；⑥遵守工程職業(yè)道德；⑦能夠在當今社會中發(fā)揮作用。人工智能專業(yè)建設(shè)過程中，應該緊跟國際潮流，嚴格制定規(guī)范，一切的內(nèi)容都以“工程認證”的標準為導向，保證培養(yǎng)合格新工科人才的規(guī)范性和有效性。

培養(yǎng)目標體現(xiàn)培養(yǎng)什么類型的人才，在工程認證的思想中，它是畢業(yè)要求和課程體系的指路燈。人工智能專業(yè)培養(yǎng)愛國進取、創(chuàng)新思辨，具備扎實的數(shù)理基礎(chǔ)知識、良好的外語水平和優(yōu)良的綜合素質(zhì)，掌握電子、計算機、通信和控制等多學科交叉知識，具有人工智能系統(tǒng)應用開發(fā)、實施或管理的能力，能夠在人工智能相關(guān)科研院所、高新技術(shù)企業(yè)從事技術(shù)和管理工作，能夠服務(wù)民族地區(qū)的應用型人才。

西南民族大學人工智能專業(yè)培養(yǎng)目標的特點可以概括為“重工程、偏應用、軟硬結(jié)合、服務(wù)民族地區(qū)”。“重工程、偏應用”是根據(jù)本校工科學生綜合素質(zhì)的實際情況，培養(yǎng)具有較高素養(yǎng)的工程應用型人工智能人才；“軟硬結(jié)合”是以電氣信息類學科為基礎(chǔ)，融合人工智能類課程，培養(yǎng)“軟硬兼具”的綜合型人工智能人才；“服務(wù)民族地區(qū)”則體現(xiàn)出民族高校的社會價值。按照工程認證要求，在培養(yǎng)目標的基礎(chǔ)上，制定滿足工程認證要求的12 條畢業(yè)要求，并進行分解，強調(diào)工程應用和服務(wù)民族地區(qū)。

3.2 以民族地區(qū)需求為基礎(chǔ)，設(shè)定專業(yè)方向，突出“智能+民族”和“軟硬結(jié)合”特色

民族高校在制定人工智能人才培養(yǎng)方向的時候應從“為少數(shù)民族和民族地區(qū)服務(wù)，為國家發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)”的辦學宗旨出發(fā)，以少數(shù)民族地區(qū)的需求和自身的辦學優(yōu)勢為前提，制定符合民族高校特點的專業(yè)培養(yǎng)方向。以西南民族大學為例，目前我校工科學生少數(shù)民族學生占比超過57%，他們中大部分人最終將回到民族地區(qū)服務(wù)。在民族地區(qū)，少數(shù)民族語言翻譯、高原動物養(yǎng)殖、高原環(huán)境監(jiān)測等方面是非常需要智能技術(shù)支持的?；诖?，我們依托川西少數(shù)民族地區(qū)和我校青藏高原基地，在少數(shù)民族語言智能翻譯和高原動物智能管理這兩個方向找到切實的應用需求。此外，依托我?！懊褡寰W(wǎng)絡(luò)輿情”團隊和“非線性系統(tǒng)與控制”團隊，可以在大數(shù)據(jù)和智能機器人方向找到應用需求。在此基礎(chǔ)之上，我們從應用需求出發(fā)，制定人工智能的科研方向，進而輻射到研究生和本科生的培養(yǎng)，以“自頂而下”的方式設(shè)定人工智能人才培養(yǎng)方向。設(shè)定機器視覺、機器翻譯、輿情大數(shù)據(jù)、智能機器人為我校人工智能人才培養(yǎng)的重點方向，突出人才培養(yǎng)為民族地區(qū)服務(wù)的特點，打造“智能+民族”的專業(yè)特色。

另一方面，很多高校在設(shè)定人工智能專業(yè)方向的時候，以計算機學科為基礎(chǔ)，是“偏軟”的人工智能。西南民族大學擁有多年的電氣信息類專業(yè)的辦學經(jīng)驗，特別是“電氣工程及其自動化”“電子信息工程”和“通信工程”3 個省級“卓越工程師培養(yǎng)計劃專業(yè)”具有較為豐富的實踐經(jīng)驗，硬件人才培養(yǎng)是其強項。因此，在設(shè)定專業(yè)方向的時候，西南民族大學人工智能人才培養(yǎng)以電子信息類專業(yè)為基礎(chǔ)，融合計算機學科，從單一的“硬件”型人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)化成“軟硬結(jié)合”型人才培養(yǎng)，突出“軟硬結(jié)合”的特色，區(qū)別于“純軟”人工智能培養(yǎng)模式。

3.3 貫通工程教育鏈條，建立四級創(chuàng)新教學體系，強調(diào)實踐動手能力培養(yǎng)

按照培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和專業(yè)方向，構(gòu)建課程體系，規(guī)劃課程內(nèi)容。遵循“以問題為驅(qū)動、以項目為載體、以創(chuàng)新為目標”，貫通“課程實踐—前孵化器—后加速器—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的工程教育鏈條。按照工程認證標準開設(shè)“基礎(chǔ)型、設(shè)計型、綜合型、創(chuàng)新型”的四級教學體系。以理論課為基礎(chǔ)，強調(diào)實踐動手能力的培養(yǎng)。

（1）對于理論課程，為了培養(yǎng)學生的實踐動手能力，建立“3D”課程教學體制，開設(shè)多種多層次的課程設(shè)計，強調(diào)實際應用。其中，“1D”設(shè)計指的是以單門課程的知識點為基礎(chǔ)，實現(xiàn)單門課程的設(shè)計；“2D”設(shè)計則以多門課程綜合應用為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)一個小型應用項目為目標，同時以創(chuàng)新競賽為載體；“3D”設(shè)計是基于項目的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，以學科競賽、大創(chuàng)項目和參與教師科研項目為載體，完成一個相對完整的應用項目。實踐環(huán)節(jié)4 年不斷線，使學生由簡到繁，單一到綜合，競賽到項目，融會貫通掌握專業(yè)知識，逐步培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力。具體教學模式實施方案如圖1 所示。

圖1 3D 教學模式

（2）以創(chuàng)新活動和創(chuàng)新團隊為載體，課內(nèi)課外結(jié)合，加強實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)。西南民族大學歷來重視學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，跟電子信息類相關(guān)的有電子設(shè)計、智能機器人、智能小車和航模4 個創(chuàng)新團隊。其中智能機器人和智能小車與人工智能專業(yè)方向完全一致。在人才培養(yǎng)過程中，以課內(nèi)實踐為基礎(chǔ)，把學生的課內(nèi)實踐和創(chuàng)新活動相結(jié)合，在“3D”教學模式的基礎(chǔ)上，鼓勵學有余力的學生參加創(chuàng)新活動和競賽，給學生提供豐富的實踐平臺，通過參與創(chuàng)新競賽、大創(chuàng)項目，真正讓學生學以致用，理論和實踐緊密結(jié)合，提高學生對于知識的理解和實際應用能力。同時設(shè)置創(chuàng)新活動兌換實踐學分機制，課程實踐和創(chuàng)新活動相輔相成，真正提高學生解決復雜工程問題的能力。

3.4 深化校企合作，構(gòu)建產(chǎn)學協(xié)同育人實踐應用的教學平臺

新工科一個重要的特征就是產(chǎn)學協(xié)同育人。西南民族大學電氣信息工程學院一直重視校企合作，多年以來開展的校企協(xié)作在“卓越工程師培養(yǎng)計劃”實施和學生實踐能力增強等方面發(fā)揮了重要作用，也為新工科建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗。學院實施“走出去、請進來”的策略，中青年教師和學生“走出去”感受社會對人才的新需求，掌握最新的工程技術(shù)和管理經(jīng)驗；同時把企業(yè)一線資深技術(shù)人員“請進來”到校授課和講座，特別是參與實踐類課程教學。這一優(yōu)良傳統(tǒng)在人工智能人才培養(yǎng)的過程中將繼續(xù)保持，并將進一步加強和AI 企業(yè)的合作。目前已經(jīng)與百度、科大訊飛開展了一系列的人才培養(yǎng)合作。百度公司“民族高校人工智能人才培養(yǎng)的協(xié)同育人項目”已開始實施，提供了AI 師資培訓，PaddlePaddle 框架已經(jīng)在本科生教學中開始推廣使用。學校與科大訊飛簽署了人工智能專業(yè)合作框架協(xié)議，下一步將和更多的AI 企業(yè)合作，建立校外人工智能實訓基地，構(gòu)建產(chǎn)學協(xié)同育人實踐應用的教學平臺，請企業(yè)導師全程參與課程設(shè)計和綜合課程設(shè)計，增強學生的實際工程應用能力。

4 課程體系設(shè)計

4.1 課程體系設(shè)置的原則和特點

課程體系設(shè)置以畢業(yè)要求為基礎(chǔ)，并切實體現(xiàn)畢業(yè)要求指標點。我們在設(shè)計課程體系的時候，旨在“夯實基礎(chǔ)，重視實踐”，強調(diào)解決復雜工程問題，突出“智能+民族”和“軟硬結(jié)合”的特色。專業(yè)畢業(yè)要求總學分170 學分，為體現(xiàn)培養(yǎng)應用型人工智能人才的目標，實驗和實踐學分占到總學分的30%左右。具體的課程體系平臺構(gòu)成及學分列于表1 中。

西南民族大學人工智能專業(yè)課程體系體現(xiàn)出“四平臺四遞進”的特點。四平臺指的是通識平臺、文理基礎(chǔ)平臺、專業(yè)平臺和實踐平臺。四遞進是指以理論課程為基礎(chǔ)，輔以課程實驗，進階到課程設(shè)計，最后遞進到綜合課程設(shè)計[6]。

四平臺具體包括：

（1）通識平臺。主要包括各專業(yè)都開設(shè)的通識必修和選修課程，如政治理論、英語、體育、心理、職業(yè)生涯規(guī)劃等。

（2）文理基礎(chǔ)平臺。主要包括工科專業(yè)需要開設(shè)的基礎(chǔ)課程，如高等數(shù)學、線性代數(shù)、工程導論、三電課程、物理等。

（3）專業(yè)平臺。主要包括人工智能專業(yè)的必修課和選修課，如人工智能導論、機器學習、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機原理等。

（4）實踐平臺。主要包括綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及各種實習。單門課程實驗和課程設(shè)計主要包括在對應的文理基礎(chǔ)平臺和專業(yè)平臺。

四遞進設(shè)計的初衷是為了提高學生解決復雜工程問題的能力，針對每門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，以課程理論知識為基礎(chǔ)，先開設(shè)課程實驗，在此基礎(chǔ)上開設(shè)課程設(shè)計，目的是提高單一課程的知識應用的能力；學習了多門專業(yè)課程之后，再開設(shè)相應的綜合課程設(shè)計，目的是能夠設(shè)計功能比較完整的智能系統(tǒng)，培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力。

4.2 專業(yè)課程設(shè)置

在專業(yè)建設(shè)中，根據(jù)民族高校人工智能人才培養(yǎng)的定位，以民族地區(qū)需求為背景，設(shè)置符合“智能+民族”的專業(yè)方向，根據(jù)西南民族大學的實際情況，設(shè)置機器視覺、機器翻譯、大數(shù)據(jù)和智能機器人為4 個重點專業(yè)方向。為了突出“軟硬結(jié)合”的特色，除了通識平臺的課程外，其他3 個平臺的課程都包括了硬件類課程和軟件類課程，屬于本專業(yè)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課。

文理基礎(chǔ)平臺主要包括數(shù)學和物理的基礎(chǔ)課以及三電課程，目的是讓學生打好數(shù)理基礎(chǔ)和硬件知識的基礎(chǔ)。專業(yè)平臺包括專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，主要包括計算機類、工程類和人工智能必備基礎(chǔ)課。其中，專業(yè)基礎(chǔ)的必修課包括人工智能基礎(chǔ)、機器學習、C 程序設(shè)計、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機原理、信息論、信號與系統(tǒng)等。專業(yè)基礎(chǔ)的選修課則包括工程制圖與AutoCAD、電路工藝實踐、金工實習、電路計算機輔助設(shè)計、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計、單片機原理與接口技術(shù)、單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計、Java 語言開發(fā)、Java 語言開發(fā)課程設(shè)計、Unix/linux 環(huán)境編程、Python 語言及其應用。專業(yè)課則以4 個專業(yè)方向為基礎(chǔ)，按照專業(yè)方向來設(shè)置。根據(jù)應用人才培養(yǎng)的目標，重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課都開設(shè)了實驗及課程設(shè)計，強調(diào)以理論為基礎(chǔ)，強調(diào)技術(shù)的應用與實施。專業(yè)方向?qū)膶I(yè)課程見表2。

表1 課程體系平臺構(gòu)成及學分

表2 專業(yè)方向和對應的專業(yè)課程

4.3 實驗與實踐教學體系設(shè)置

為培養(yǎng)應用型人工智能本科人才，提高學生的動手實踐能力，我們設(shè)置了不同類型的實踐教學科目，包括課程實驗、專業(yè)課程設(shè)計、綜合課程設(shè)計以及畢業(yè)實習和畢業(yè)設(shè)計，循序漸進，層層遞進，合理安排各種實驗和實踐活動。

（1）課程實驗。每門專業(yè)課程都設(shè)置一定比例的實驗課時，實驗課時與講課課時之比按不同課程的要求動態(tài)調(diào)整，一般在1∶4 和1∶2 之間。比如，大學物理、三電課基本上按照1∶3 的比例開設(shè)課程實驗課。C 語言程序設(shè)計按照1∶2開設(shè)實驗課。

（2）課程設(shè)計。針對重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，都開設(shè)了課程設(shè)計。在理論課程開展的同一學期的后半期或者第二學期的前半期開設(shè)課程設(shè)計。比如，機器學習、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、Java 語言開發(fā)等都開設(shè)了課程設(shè)計。通過課程設(shè)計，使學生在實戰(zhàn)中加深對課程的理解，并創(chuàng)造性地完成課程設(shè)計任務(wù)。

（3）綜合課程設(shè)計。設(shè)置3 個綜合智能系統(tǒng)課程設(shè)計，難度逐漸遞增，從單一的偏軟的算法實現(xiàn)，到軟硬結(jié)合實現(xiàn)。讓學生切實動手和動腦去研究和應用人工智能算法，操縱智能硬件完成任務(wù)。

（4）畢業(yè)實習和畢業(yè)設(shè)計。實驗室承擔智能專業(yè)本科生的畢業(yè)實習和畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，為學生順利完成畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文提供堅實保障。

5 結(jié) 語

今后還將通過民族地區(qū)需求調(diào)研完善專業(yè)方向，通過課程改革、教學方法改革提供教學質(zhì)量，通過和行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)共建專業(yè)，提升學生實踐動手能力。積極探索新工科背景下民族高校人工智能人才培養(yǎng)的新模式和長效機制。