智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)機器人課程體系建設(shè)

汪 紅，唐 菀，劉 科

（中南民族大學(xué) 計算機科學(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“智能機器人”制定了較為完善的課程體系，以期該專業(yè)在機器人方向?qū)W生培養(yǎng)上有進一步提升。

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 個智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，同時，在2019 年新建了35 個人工智能本科專業(yè)，使得智能教育家族更加龐大。在中國人工智能學(xué)會教育工作委員會智能科學(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)濟發(fā)展做出貢獻的智能技術(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，極大地促進了智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，同時使得相關(guān)專業(yè)的人才需求增大，對人才培養(yǎng)提出了新的更高要求。

2 智能機器人課程體系建設(shè)思路

智能機器人是一個智能化的載體，同時也是一門多學(xué)科綜合交叉的學(xué)科，主要涉及機械、電子、運動學(xué)控制理論、傳感檢測、計算機技術(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)方案制定過程中認真分析和權(quán)衡智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)機器人相關(guān)課程的設(shè)置，對智能機器人相關(guān)課程的體系化建設(shè)以及實踐環(huán)節(jié)進行改造，以滿足新工科形勢下課程教學(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，以智能化與機器人應(yīng)用為導(dǎo)向，圍繞機器人的運動以及聽、說、看等開設(shè)機器人控制技術(shù)、機器人傳感技術(shù)、自動控制原理、數(shù)字信號處理等基礎(chǔ)課程，圍繞機器人思維設(shè)置自然語言處理、機器學(xué)習及深度學(xué)習、數(shù)據(jù)挖掘以及大數(shù)據(jù)分析、認知科學(xué)等專業(yè)課程。圖1所示為以智能機器人為核心的相關(guān)課程，其中實線框為專業(yè)基礎(chǔ)課程，虛線框為專業(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)系進行合理安排，對學(xué)生在每個學(xué)習階段提出具體的學(xué)習任務(wù)與要求。同時，采用項目驅(qū)動和以賽促學(xué)的模式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習主動性與積極性[4]。各學(xué)期課程設(shè)置如圖2 所示。

圖1 以機器人為核心的課程體系

圖2 智能機器人課程體系

在具體實施過程中，強化理論和實踐的有機結(jié)合，通過豐富的實踐訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，讓學(xué)生從構(gòu)建智能機器人開始逐漸認識復(fù)雜的智能系統(tǒng)，并進一步能設(shè)計與開發(fā)智能機器人相應(yīng)的應(yīng)用功能，從而掌握將智能科學(xué)理論與具體機器人工程實踐有機結(jié)合的開發(fā)與集成技術(shù)。

3 課程體系的具體實施

3.1 實施方案

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

1）參考學(xué)習階段，主要針對大一學(xué)生，他們通過參考高年級同學(xué)的設(shè)計案例快速提升自己。

在大一上學(xué)期課程結(jié)束時，學(xué)生已具備一定編程能力的前提下，通過自主學(xué)習的方式為學(xué)生提供寒假訓(xùn)練項目，為大一下學(xué)期的學(xué)習做好準備。這個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)習能力，同時為下階段的競賽訓(xùn)練選拔人員。大一下學(xué)期設(shè)置了電子技術(shù)工藝實習環(huán)節(jié)，以分批開放的形式完成數(shù)字萬用表的組裝、單片機驅(qū)動流水燈、數(shù)字鐘和藍牙通信等5 個小項目，學(xué)生自己動手完成電路板的焊接、模塊電路的設(shè)計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)建簡單機器人（比如輪式機器人或者小車）的能力，為暑期的機器人相關(guān)競賽進行了人員準備。

此外，每年暑假都是學(xué)科競賽的黃金時期，基于平時賽前訓(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。以世界機器人大賽中的格斗機器人賽為例，學(xué)生在一個月之內(nèi)需要完成機器人組裝、調(diào)試、對抗等各個環(huán)節(jié)，需要應(yīng)對比賽過程中的各種突發(fā)事件，整個競賽環(huán)節(jié)對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升非常明顯。

2）自主學(xué)習階段，通過參與創(chuàng)新項目的研究，學(xué)生能夠加深理論知識的感性認識，對學(xué)生綜合能力的提升更具意義。

對于大二的學(xué)生來說，經(jīng)過了大一的課程學(xué)習以及第一個暑期競賽的歷練，更加明確自己的學(xué)習目標，能夠自主探究新知識和新技術(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)練計劃項目的研究工作，這些項目不僅涉及機器人控制、傳感器技術(shù)等相關(guān)理論，而且還會涉及自然語言處理、機器學(xué)習、情感識別、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)生對自己的專業(yè)發(fā)展有了較全面的認識，在專業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下確定個人規(guī)劃并實施。

通過兩年的專業(yè)課程學(xué)習以及競賽和創(chuàng)新項目的訓(xùn)練，大三的學(xué)生在專業(yè)知識以及實踐能力方面已經(jīng)得到了全面提升。這個階段，學(xué)生將明確自己的專業(yè)規(guī)劃，對于學(xué)習和研究的內(nèi)容及目標有了更高的要求，他們會根據(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)習內(nèi)容和提升方式。比如有的學(xué)生把“機器視覺”作為研究方向，有的學(xué)生對“自然語言處理”投入更多精力，這樣有著明確目標的學(xué)習對他們將來在智能領(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)了社會對“智能”的認可，同時也是對多年來學(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，以及與之配合的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生在開放的實驗環(huán)境中充分發(fā)揮創(chuàng)新思維以及主觀能動性，在不同階段利用自身的知識體系制作出不同復(fù)雜度的機器人作品，如圖3 所示。

圖3 學(xué)生作品

根據(jù)3 個階段的課程設(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，比較熟練地制作小車，運用簡單的傳感器實現(xiàn)尋跡；大二制作的小車使用了語音模塊，采用語音識別技術(shù)實現(xiàn)了語音控制及交互；大三階段制作出多足仿生機器人，這個機器人除了運動控制更加復(fù)雜以外，還搭載了攝像頭和雷達等模塊，可以實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

經(jīng)過多年檢驗，“以賽促學(xué)”和項目驅(qū)動是非常有效的培養(yǎng)模式，學(xué)生在實驗室主動學(xué)習，并且形成了以老帶新的團隊，團隊成員無論是就業(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。本專業(yè)以“智能機器人”為載體，通過開發(fā)機器人運動以及聽、說、看等功能為基礎(chǔ)，進一步實現(xiàn)機器人思維智能的設(shè)計與開發(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)新項目驅(qū)動的培養(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)新項目以及競賽情況列表