人工智能專業(yè)“項目制”教學人才培養(yǎng)模式探索與實踐

汪步云，程 軍，梁 藝

（安徽工程大學a人工智能學院；b，機械工程學院，安徽 蕪湖 241000）

“新工科”是為應對國家新一輪科技變革與產業(yè)升級，結合新興技術與傳統(tǒng)工科融合的新教育發(fā)展戰(zhàn)略，復合型和創(chuàng)新型人才是目前制造業(yè)亟需的人才資源。為踐行“知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造”三位一體的培養(yǎng)理念，選取“項目制”實踐教學作為“新工科”模式下高校人工智能等專業(yè)的切入點，建設該模式下人工智能專業(yè)實踐教學的具體改革方案。“項目制”教學從頂層設計，貫穿本科大學四年，重視學生的個性化發(fā)展，培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力和解決問題的能力。

新工科背景下，人工智能專業(yè)“項目制”教學人才培養(yǎng)模式建設具有積極意義。[1]2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，2018年4月，根據《國務院關于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃通知》，教育部制定了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。同時，根據《教育部辦公廳關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》，教育部認定612個項目為國家級“新工科”研究與實踐項目，推動“項目制”教學在專業(yè)人才培養(yǎng)過程。[2]-[3]

依托作者所在團隊形成獨特的科研和人才培養(yǎng)優(yōu)勢，本文討論了項目制教學的設計思路、實施方法和評價反饋，通過知識-能力-價值三位一體的理念，[4]建設新工科背景下貫通式“項目制”綜合實踐教學新模式，探索切合“新工科”視域下人工智能等專業(yè)應用型人才培養(yǎng)模式改革與實踐道路，探討這一有效的產教融合教學方法在人工智能專業(yè)過程中實施效果，為教育模式創(chuàng)新和教學質量提供思路借鑒。

1 “項目制”教學目標與內容設定

1.1 “項目制”教學目標

針對上述項目制教學內容達和目標，解決問題的關鍵是培養(yǎng)目標的定位、能力之間關系如何合理設置。具體內容如下：

（1）確定“項目制”教學新的人才培養(yǎng)范式

工程認證教學理念下，與日常教學相結合，形成以學生為中心的教學方法，形成啟發(fā)式、討論式、研究式教學模式，增加實踐、自學和創(chuàng)新機會，實現教學相長，建立科學的“項目制”教學形式、具體實施課程和考核方法以及能力考核的分層模型。

（2）拓展團隊科研項目的協(xié)同育人模式

發(fā)揮科研項目真實應用場景和先進的工程實踐條件的優(yōu)勢，激發(fā)學生學習熱情，將產學研作用擴散到課程內部，打通“項目制”教學的各個環(huán)節(jié)，探索工程實踐能力、工程設計能力和工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新路徑，實現“教學相長”，為快速提高人才培養(yǎng)質量、提高師資隊伍對人才培養(yǎng)水平奠定基礎。

1.2 “項目制”教學內容設定

通過產教融合、科教融合、賽教融合構建“項目制”教學新模式，打通課程群知識關聯(lián)點，培養(yǎng)學生工程實踐能力。在專業(yè)建設和教學過程中，推動產學研的優(yōu)質項目研發(fā)內容、成果和經驗的課程轉化。在教學過程中，針對“項目制”教學體系構建，相關主干課程及實踐環(huán)節(jié)設置如圖1所示。

1.3 “項目制”教學組織

以“機器人工作站”和“云制造智能生產線”為線索，描繪人工智能類專業(yè)實踐教學體系的輪廓。依據學生工程能力培養(yǎng)規(guī)律，在完成“人工智能”任務開展前，逐一完成“工程設計”“機械結構”認知和設計，以及“嵌入式控制系統(tǒng)”“深度學習”實驗和設計等教學任務。在完成“云制造生產線”設計前，確認完成“工業(yè)機器人”“智能制造系統(tǒng)”操作實訓以及“機器視覺”“機器學習”等分科目訓練，再在“智能生產線”設計過程中，融入“MES系統(tǒng)”“移動導航與控制”“作業(yè)調度系統(tǒng)”等體現智能制造方面的內容。

充分調動學生“動腦”和“動手”是確保教學目標達成的基本手段。涉及“動腦”的教學環(huán)節(jié)包括理論講授、作業(yè)、設計、實驗和實習；涉及“動腦”的教學環(huán)節(jié)包括作業(yè)、設計、實驗和實習。除理論講授外，“動腦”和“動手”基本重疊。因此，需要從學生知識和能力構成的整體角度，合理規(guī)劃設計、實驗、實習和實訓等實踐性教學環(huán)節(jié)。

基于專業(yè)實踐與專業(yè)理論課程相剝離的原則，按知識或能力模塊劃分，設置綜合實驗、討論課、課程設計、實習和實訓等形式，實踐教學科目以周為單位編入教學計劃進程表，單獨設置學分。圖1清晰地刻畫了我校人工智能專業(yè)實踐教學計劃進程。其中，“工作站裝調”、“機器人拆裝”和“智能制造系統(tǒng)”設置成《項目討論課》，采用實驗室現場教學方式，講解、操作或設計、討論和主題發(fā)言交替安排，學生口頭表達能力與操作技能、設計等思維能力培養(yǎng)相融合。[5]-[6]

目前，人工智能專業(yè)培養(yǎng)方案修訂方面，已有三個方面的研究實踐基礎。

（1）基于國家標準和工程教育認證理念，“新工科”視域下不斷修訂專業(yè)培養(yǎng)方案。對標畢業(yè)要求12條，控制總學分，增減課程數目達10%，強調“使用現代工具”的應用，充實先進技術、人工智能等課程，初步構建了符合“新工科”建設理念的課程體系，如圖1所示。

（2）設立移動機器人導航與控制實驗室、云制造實驗室和機器人實驗室，形成以科研為核心動力、產學研互動的平臺。

（3）充分利用教研團隊機器人與高端智能裝備的項目研發(fā)經驗，在專業(yè)課和實踐環(huán)節(jié)積極開展“項目制”教學，以《移動機器人導航》為例，制定教學課程教案，如圖2所示。核與評價是重要的反饋環(huán)節(jié)，如何全方位、細致深入地評價學生的畢業(yè)能力達成，深入貫徹以學生為中心，以能力培養(yǎng)達成為目標的OBE理念，構建以評價為反饋的教學質量閉環(huán)顯得尤為重要，亦是持續(xù)改進的重要抓手。[7]

圖2 移動機器人導航為“項目制”教學案例

針對人工智能專業(yè)的“項目制”教學，除了傳統(tǒng)的以課程+實踐環(huán)節(jié)考核之外，組織多種形式的考核與評價，包括科研育人模式、賽教融合培育模式、職業(yè)技能操作和實習實訓綜合考核等，在此基礎上，探索評價系數構成，形成學分認定、互換與綜合評價，構建畢業(yè)能力達成效果的評價閉環(huán)，這也是項目制教學下協(xié)同綜合育人的路徑探索，具體措施如下。

（1）課程考核

基礎知識能力學習、課程設計與綜合實訓是構建大學能力達成的基本環(huán)節(jié)，落實課程考核是基礎，在此環(huán)節(jié)加強課程建設，落實線上線下相結合，以學生反饋為重點的課程持續(xù)改進，強化基礎知識學習和能力達成。

（2）科研項目協(xié)同育人

通過開展本科生導師遴選制度，組織學生分批進科研項目，進實驗室，根據學生專業(yè)方向、興趣愛好等分組進本科生導師的科研項目組。由導師組根據科研課題，“量體裁衣”提出科研方向課題，分學期、分步驟實施，具體與每一學期的課程安排同步，如在大二階段開展機械原理與機械設計專題，大三開展機器視覺專題……形成以學生科研作品評價為主、導師考核為輔的評價方法。

（3）校外實習基地綜合評定

針對大三校外實踐環(huán)節(jié)和大四本科畢業(yè)設計校外實習環(huán)節(jié)，分批組織學生進校外合作的實習單位，安排校外實習單位的高級工程師以上職稱擔任企業(yè)導師，開展實習課題的綜合考核，如智慧城市、語音智能、智能制造、云平臺信息、大數據分析等，以專業(yè)方向為劃分，實行校企雙導師制，設計以用人單位為導向的能力達成評價的考核表，形成學生能力達成評價。這也是落實我校服務地方戰(zhàn)略性新興產業(yè)的辦學理念。

（4）實訓機構的職業(yè)技能認定

形成校外實訓基地，構建職業(yè)技能操作評定與學分認定。通過在實踐環(huán)節(jié)設置1-2周的教學環(huán)節(jié)，在校外實訓基地設置項目考核（蕪湖安普機器人產業(yè)技術研究院、安徽埃夫特智能裝備有限公司等），設置如機器人拆裝、PLC控制系統(tǒng)構建、AGV導航、虛擬裝配與數字孿生等考核科目，構建職業(yè)技能操作認定，頒發(fā)企業(yè)的聯(lián)名認證證書，為學生工程實踐能力打下堅實的基礎。

（5）賽教融合下的學分互換

通過設立人工智能協(xié)會等學生社團組織，吸引一部分學有余力與饒有興趣的同學，通過參加全國智能車、程序設計等課外科技競賽，將學生“動手與動腦”完美結合，同時組織相關同學參加相關培訓和課外科技實踐活動，如百度AI培訓、科大訊飛語音智能培訓等，以及相關的夏令營活動，所獲得的學分可作為培養(yǎng)方案中的學分替換和認定。上述措施，為這一部分同學奠定堅實的專業(yè)能力，也為部分同學深造和高水平就業(yè)提供良好的競爭條件。

“項目制”教學將其組織形式、研究模式、關鍵共性技術攻關過程融入到本科生和研究生培養(yǎng)過程中，為學生講解專業(yè)理論知識、理論應用、軟件工具實操和實驗驗證等完成的項目開發(fā)流程。同時，為本科畢業(yè)設計和研究生提供課題，為科研實踐提供平臺和研究對象，有效解決學生理論知識碎片化的問題，為學生們構筑專業(yè)知識體系打下堅實基礎。

2 “項目制”教學培養(yǎng)方案與教學路徑探索

為了深入落實“新工科”項目制教學，組織科研團隊進課堂，全程參與開放性教學環(huán)節(jié)和實踐教學環(huán)節(jié)；深化校企合作協(xié)同育人模式，根據項目制教學的目標要求，“項目制”教學人才培養(yǎng)模式完成如下的研究方案與教學路徑如圖3所示，針對人工智能領域內，綜合了智能感知、算法、檢測與決策系統(tǒng)等復雜工程問題，設計了具體的項目制教學環(huán)節(jié)。

圖3 “項目制”教學模式構建與人才培養(yǎng)路徑總體方案

2.1 “項目制”教學方案與途徑

根據人工智能專業(yè)培養(yǎng)方案、目標和人才培養(yǎng)定位，分解能力培養(yǎng)達成和課題體系支撐目標，從以下四個方面制定了項目制教學的研究方案和教學途徑。

（1）依據項目制教學課程培養(yǎng)方案，構建貫通式“項目制”教學課程

依據“項目制”教學課程培養(yǎng)方案，構建以機器人為載體的機械本體、控制系統(tǒng)、調度系統(tǒng)、綜合實踐等一體化“項目制”教學課程內容，完成《機器人前沿知識講座》《機器人文獻檢索與更新》《面向云制造的智能作業(yè)系統(tǒng)》（針對人工智能賦能制造業(yè)）《面向巡檢應用的智能移動機器人》（針對移動機器人）《面向智慧酒廠的智能機器人解決方案》（針對復合型機器人）等“項目制”教學課程。

（2）依據“項目制”教學課程內容，構建四層次的教學課程訓練模式

適合人工智能專業(yè)實踐教學特點的“項目基礎訓練、項目應用訓練、項目綜合訓練、項目開發(fā)訓練”四層次的教學課程訓練。項目基礎訓練和應用訓練，向學生直觀展示移動機器人本體結構、運動原理、底層驅動控制技術和常用元器件，提高學生對移動機器人的整體認知。為學生劃分實際任務，根據任務實際需求，學生自主選擇相應擴展模塊，快速搭建實驗平臺，完成硬件選型、運動控制、程序編寫和軟硬件調試，從而提高學生創(chuàng)新意識和實踐動手能力。項目綜合訓練，向學生展示移動機器人傳感器應用技術、環(huán)境建模技術、路徑規(guī)劃技術和機器人控制技術，提高學生對移動機器人導航與控制平臺關鍵技術的認知與理解，提升學習的主動性和探索性。項目開發(fā)訓練，讓學生利用現有ROS機器人，完成基于云架構的任務調度、無線網絡數據傳輸、遠程串口通信等功能的多機協(xié)同作業(yè)任務，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)搭建和實踐能力，加強學生對云架構和移動機器人控制技術的理解和認知。

（3）完善基于典型應用場景的“項目制”教學人才培養(yǎng)模式

以典型場景應用和案例形成“項目制”教學載體，包括教師團隊組織、教材編寫、學生合作團隊組織、項目教學課程設計、項目課程考核和管理辦法制訂等。學生可參與到教師項目的各個環(huán)節(jié)，真正投入到項目的技術方案調研、技術方案實施、研發(fā)生產、安裝調試等過程，深刻理解校企合作企業(yè)生產流程、項目開發(fā)、崗位職責等基本要求，培養(yǎng)學生自主學習意識，提高學生的編程能力、搭建軟硬件架構以及解決復雜工程問題的能力。

2.2 “項目制”教學的人才培養(yǎng)路徑探索

為配合上述“項目制”教學方案設計，將教學過程與教學模式、人才培養(yǎng)路徑探索深入結合，將教學環(huán)節(jié)設計與教學模式、協(xié)同育人的培養(yǎng)模式深入融合，為這一人才培養(yǎng)路途實施的具體效果、評價閉環(huán)構建和學生學習能力達成等開展具體探索。

（1）以智能機器人為載體，構建貫通式“項目制”教學體系

依托項目團隊在移動機器人整體設計和開發(fā)、自主設計步態(tài)算法、高精度電機驅動器、姿態(tài)傳感器、移動機器人控制器和多種通信傳輸的核心技術和項目實施經驗，構建以機器人為載體的機械本體、控制系統(tǒng)、調度系統(tǒng)、綜合實踐等一體化“項目制”教學課程內容。構建適合人工智能專業(yè)實踐教學特點的“項目基礎訓練、項目應用訓練、項目綜合訓練、項目開發(fā)訓練”四層次的“項目制”教學課程訓練。編寫“項目制”相關課程的教學大綱、教案、教學案例。學生可參與項目團隊科研項目的各個環(huán)節(jié)，真實體驗企業(yè)研發(fā)和商業(yè)過程。通過一系列的實踐模塊和個人學習后，能夠設計、建模和制造自己獨立完成的機器人，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力、較強的自學能力和創(chuàng)新（創(chuàng)業(yè)）能力。

圖5 工業(yè)機器人拆裝

圖6 課程研討

圖7 機器人實訓基地

（2）深化產教融合，探索“項目制”教學人才培養(yǎng)新機制

通過校企合作教育，聚焦工程實踐資源，豐富工程實踐教學形式。在大學四年的實踐教學階段，采用項目制教學模式，以移動機器人開發(fā)項目為主要載體，完成智能工廠應用場景下的智慧物流系統(tǒng)（無人叉車及調度系統(tǒng)）的科研項目實施，探索“項目制”教學實踐下的學生能力提升路徑，通過確立項目任務、制定工作計劃、組織項目實施、項目考核評估、總結評比歸檔項目培養(yǎng)過程，實現“在做中學”和“基于工程實踐項目的教育和學習”，如圖4-7為相關項目制教學過程，在此過程中，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的自主能力、團隊合作能力、實踐能力以及職業(yè)素養(yǎng)，從而提升其就業(yè)競爭力。

圖4 電氣裝調操作

3 “項目制”教學評價與持續(xù)改進

針對上述“項目制”教學方案設計、模式組織和人才培養(yǎng)路徑探索等，構建有效的評價機制，評價學生能力達成的教學效果，為持續(xù)改進提供具體量化結果，是“項目制”教學的核心，也是充分體現以學生為中心的教育教學理念。

3.1 OBE理念下的“項目制”教學效果評價

圍繞工程教育OBE（Outcomes-based Education）理念，貫徹以學生為中心的教學思想，針對“項目制”教學開展的成果效益，評價學生能力達成情況。具體落實在“項目制”項目制教學課程培養(yǎng)方案、教師團隊組織、項目教學課程設計、教材編寫、學生合作團隊組織、項目課程考核和管理辦法制訂，分析、評估建設的成果，探尋“項目制”教學人才培養(yǎng)建設對人才培養(yǎng)的提升效果。

3.2 “項目制”教學評價體系及持續(xù)改進

人才培養(yǎng)質量一定程度上取決于培養(yǎng)過程的質量，而培養(yǎng)過程的質量則取決于完善的教學過程質量監(jiān)控體系和持續(xù)改進機制。根據OBE理念下，對專業(yè)學生畢業(yè)能力達成做出綜合評價，如圖8所示，可以看出，在專業(yè)中持續(xù)實施“項目制”教學理念，相關課程綜合而成的畢業(yè)達成指標可持續(xù)得到改善，學生對專業(yè)學習的興趣、對未知的探索和學以致用的效果得到持續(xù)加強，在學習能力達成指標中得到了體現。

圖8 基于OBE理念的“項目制”教學的達成情況評價

（1）“科研項目”教學優(yōu)化及持續(xù)改進

本科生導師通過縮減任務、量體裁衣，形成易操作、易評價、易實施的科研項目課題群，構建以創(chuàng)新評價、設計質量、標準化、理論計算表達、課題任務書撰寫質量與規(guī)范性評價等多維度的持續(xù)優(yōu)化，根據學生反饋、項目過程實施標準化等優(yōu)化教學形式與方式，形成持續(xù)改進的良好措施。

（2）校外實習基地反饋與持續(xù)改進

校外合作實訓基地，由聘請的校外導師、學生實習所在部門領導、同事評價形成主觀評價，重點評價學生團隊合作意識、終身學習理念；由學生完成的校外實習課題報告評價、職業(yè)技能操作等形成客觀性評價，在此基礎上，根據反饋優(yōu)化評價組合模式和系數，形成以主觀評價為主的動態(tài)調整及持續(xù)改進方向。

（3）畢業(yè)設計綜合反饋及持續(xù)改進

針對畢業(yè)設計這一最終環(huán)節(jié)，可以更加量化、具體地評價學生解決復雜工程問題能力。由本科生導師或校外企業(yè)導師，在所設置考查課題的基礎上，以畢業(yè)設計中論文撰寫水平、問題論述思路及數學建模正確性、實驗驗證完成情況、設計、仿真與分析軟件工具使用情況等，形成客觀的綜合性評價。根據學生反饋、本科生導師和企業(yè)導師等主觀反饋，形成以課題適應性調整、考核環(huán)節(jié)與分數為主的持續(xù)改進方向。

通過創(chuàng)新實踐、就業(yè)創(chuàng)業(yè)等實踐環(huán)節(jié)，指導學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)系列競賽，邀請校外專家和企業(yè)高管來校為學生做創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導，邀請優(yōu)秀校友返校分享成功經驗，讓學生了解未來發(fā)展動向，樹立職業(yè)理想，做出職業(yè)規(guī)劃。通過在畢業(yè)設計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等環(huán)節(jié)，使學生意識到知識體系的不斷更新，樹立終身學習意識，鼓勵學生樹立偉大理想，讓學生在畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)中訓練，培養(yǎng)學術探索、探求的能力素養(yǎng)，明確學生對文獻搜集、文獻綜述、完成復雜工程問題設計、系統(tǒng)性能力培養(yǎng)，鍛煉自主學習能力。[8]

綜上，在傳統(tǒng)課程+綜合實驗等傳統(tǒng)考核基礎上，增加了科研項目（本科生導師）、實習實訓基地出課題（合作企業(yè)）、課外科技競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等多種環(huán)節(jié)，構建了豐富的“項目制”教學資源并形成體系，實現了閉環(huán)評價和持續(xù)改進，提高了復合型人才培養(yǎng)質量。

4 結語

人工智能是我校面向地方戰(zhàn)略性新興產業(yè)對人才培養(yǎng)需求而設立的新工科專業(yè)。與測控技術與儀器等傳統(tǒng)專業(yè)相比，具備多學科交叉特征，對學生面對新的應用場景下解決復雜工程問題的能力要求更高，對學生理論基礎、專業(yè)素養(yǎng)和技能要求更高，復合型人才培養(yǎng)和畢業(yè)能力達成要求更高。[9]

學生的理論知識和專業(yè)素養(yǎng)得到充分融合，適度深化項目制教學難度，增強“對抗性”，克服以往能力達成評價的不足，將“動手訓練”“動腦思考與設計”等緊密結合，引入實踐結果評定、職業(yè)技能操作和實習單位評價相結合的辦法，科學構建人才評價體系，有利于持續(xù)改進人才培養(yǎng)質量。將學生在大學期間求知、求真心理與專業(yè)學識相融合，有利于學生們的個性化培養(yǎng)。

在新工科建設項目的支持下，針對人工智能人才培養(yǎng)，我校以復合型特征人才培養(yǎng)為主線，按模塊組織教學內容，按科目編排實施方案，形成了我校獨具特色的科研實踐服務教學體系。教學效果表明，“項目制”教學克服了以往碎片化、綜合性差、學生參與度不足、訓練不充分等等不足，經過人工智能專業(yè)部分學生近兩年的教學實踐驗證，教學效果和方法得到學生們的充分認可，人才培養(yǎng)質量得到持續(xù)提高。