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南开大学“智能科学与技术”专业教学体系与实验环境建设

来源:UC论文网2018-08-10 08:56

摘要:

  1引言  经过近几十年的发展,智能科学技术已经成为信息领域的重要生长点,其广泛的应用前景日趋明显。为了适应社会经济发展的需求,南开大学于2005年开始建立“智能科学与技术”本科专业,经过一年时间的缜密...

  1引言


  经过近几十年的发展,智能科学技术已经成为信息领域的重要生长点,其广泛的应用前景日趋明显。为了适应社会经济发展的需求,南开大学于2005年开始建立“智能科学与技术”本科专业,经过一年时间的缜密准备,2006年正式开始招生。该专业以信息学院机器人与信息自动化研究所、自动化系、计算机科学与技术系等单位为学科依托,覆盖了这些学科上的多个博士点和硕士点。该专业面向前沿高技术,注重系统集成和相应的工程实施能力,以机器人技术等作为载体,强调学生一定的工程实践能力,并授予工学学士学位。


  作为一个成立不久的新兴交叉专业,“智能科学与技术”专业没有成熟的教学计划可以遵循。特别是对智能科学这种前沿性交叉学科而言,如何完善人才的培养机制,以满足国民经济对于智能技术专业人才的需求,是该专业建设成败的关键性因素。另一方面,21世纪科学技术的交叉与综合,社会经济的迅速发展,国际竞争的加剧,对人才的培养机制以及人才的素质、能力、知识结构等方面都提出了新的要求。基于以上原因,为了建设好“智能科学与技术”专业,实现该专业的培养目标,我们必须针对该专业学科交叉的特点,总结传统教学方法、教学手段的优点与不足,优化课程设置和教学计划,充分体现该专业面向前沿高技术的优势,根据应用型、开发型的专门工程技术人才的需要,注重理论联系实际应用,强调课堂讲授与动手实验相结合。在制定教学体系和有关实验环节时,我们根据南开大学的办学特色,研究出一套既能够充分发挥南开大学的教学优势,又符合智能专业学科特点的教学模式。


  2兼顾专业特色与南开大学特点的教学计划设置


  对于南开大学“智能科学与技术”专业而言,能否扬长避短,制订出结构合理且便于实施的教学计划,是决定该专业建设成败的至关重要的环节。


  2.1教学计划安排


  南开大学信息学院设有计算机科学与技术、自动化等多个本科专业,学科交叉优势非常明显,这正是建设“智能科学与技术”专业所必需的学科基础。此外,南开大学机器人研究所在智能系统设计等方面具有多年的研究经验,可以将研究成果转化为教学内容,以进一步提高人才培养的水平。但是,从另一个方面来看,南开大学在脑科学与认知科学等方面开展的研究不多,要在认知理论等领域培养高水平的人才具有一定的难度。基于这种情形,在设计“智能科学与技术”专业的教学计划时,必须充分发挥我们在机器人研究方面的优势,重点培养学生在智能系统设计与分析方面的能力,使其针对各种具体要求,能够选择合适的传感与执行器件,集成多种智能技术与策略,完成工程系统的设计。


  不可忽视的是,作为一所综合性大学,南开大学的工科基础相对薄弱,缺乏与智能学科有关的其他学科,如机械工程等。在这种大环境下,必须根据“智能科学与技术”本身的专业特点以及南开大学自身的具体情况来设置相应的课程以及教学计划,探索出一种能够充分发挥南开大学本身的理科优势和在机器人等智能系统上的研究经验,并且带有显著工程科学特色的学科建设方法和本科培养模式。为此,该专业所开设的课程和教学计划应该充分体现面向前沿高技术的特点,强调应用型、开发型的专门工程技术人才的需要,从培养目标、课程设置、实验及实习安排等方面都必须具有科学而合理的实施方案,使将来的毕业生可以成为在相关领域的研发中迫切需要的智能科学与技术方面的专业人才;这些人才应该也可以面向产业需求,在信息技术、智能家居、控制工程等领域从事智能信息采集与处理、智能系统设计与集成等方面的教育、开发与研究工作;还可以在与智能科学与技术相关的诸多方向继续深造。


  需要强调的是,“智能科学与技术”专业并不是自动化、计算机等现有专业的简单组合,而是面向前沿高技术,具有自己独特定位和完备教学计划的新兴交叉专业。在设计“智能科学与技术”专业的教学计划时,我们根据南开大学综合性大学的具体情况,充分考虑到智能专业的多学科交叉特点,重点培养学生在智能系统设计与分析方面的能力,在课程体系中偏重工程技术素养方面的锻炼,最终将为该专业的毕业生授予工学学位。因此,在选择教学内容时,我们主要针对智能系统中常见的传感与执行器件,以及与之相关的各种智能技术进行介绍与分析。通过开设传感器、运动控制等课程,使学生熟悉各种光、机、电器件特性,使他们能够针对不同场合下的各种具体应用对象合理选择各种传感与执行器件,如压电陶瓷、激光、声纳、液压等元件,将其进行集成后完成预定的单元任务,并进而分析、设计和实现机器人等各种综合性的智能系统。


  实现上述目标的重点在于使学生理解与掌握各种常见的智能技术,并且能够将其用于解决工程实际问题。因此,除了让学生学习认知科学基础、电子技术、计算机、自动控制原理等课程之外,本专业还特别开设了“智能技术”与“智能工程”等数门核心专业课程。此外,由于本专业侧重点在于工程实际应用,而各种智能技术必须具备一个起码的工程载体,因此,在课程计划中,除了讲授各种智能技术之外,还必须包含机械工程基础、工程光学基础等课程,使学生通过这些课程的学习,了解常见的光学和机械传感与执行元件。其中,“工程光学基础”将主要介绍智能系统中主要的光学传感与执行器件,该课程配有相应的实验。通过该课程的学习,学生可以掌握工程光学的基本概念和计算方法,了解常用的光学检测和执行技术,在此基础上,能够根据实际智能系统的需要,选择合适的光学器件和计算主要的光学参数。


  根据上述设计思路,我们为“智能科学与技术”专业制订了合理的教学计划。该专业学生共需取得150个学分,方可获得工学本科学位。这些学分的具体分配如下:校公共必修课49学分(926个学时),主要学习数学、物理、英语等公共基础课程;院系公共必修课30.5个学分(659个学时),主要包括电子技术、电路基础、计算机程序语言等课程;专业必修课29个学分(498个学时),主要包括自动控制原理、智能技术、智能工程等专业核心课程;专业选修课为26.5个学分,学生可以从机器人学导论、数据结构、运动控制等课程中选择适合自己实际情况的课程来学习,为自己将来从事智能系统方面的研究打下基础;任选课为15个学分,这部分课程可以拓宽学生的知识面。大部分专业必修课程都安排了实验或者上机,以通过实际应用增进学生对基本理论的理解。


  2.2核心专业课程


  对于南开“智能科学与技术”专业而言,“智能技术”和“智能工程”等课程是体现专业特色的核心课程,它们在一定程度上决定了是否能实现预期的专业人才培养目标。以下将对这些专业课程进行具体介绍。


  “智能技术”是智能科学与技术专业最重要的核心专业课程之一,包括6个学分。教学中既有理论讲授,还包括大量仿真训练与实验操作。该课程包括以下三部分:人工智能、计算智能与机器视觉。其中,人工智能以符号主义为主线讲授人工智能的基本概念、原理与方法;计算智能以联接主义为主线讲授计算智能的基本思想、方法;而机器视觉是基于模式识别的智能方法,重点讲授机器视觉的基本流程与方法。通过智能技术的学习,力争使学生能够掌握智能技术的基本原理和方法。通过课堂讲解,并配合一定的作业练习、上机实验等环节,使学生初步具备运用智能技术和方法分析问题和解决问题的能力。


  “智能工程”是一门解剖实际智能系统设计与分析过程的核心专业课程,它与“智能技术”之间是前后承接的关系。该课程将通过分析典型的智能系统讲授各种智能技术在工程实际系统中的应用。总体而言,该课程面向智能系统的实际应用,着眼于使学生理解如何解决工程应用中的技术问题。为此,将通过具体分析移动机器人、无线传感网络等实际智能系统,使学生了解智能系统的基本结构和各个组成单元,并更好地理解之前所学的信息检测与传感、信号处理、运动控制等技术以及各种智能信息处理方法,使学生初步具备综合运用多种智能技术分析、设计和实现智能系统的能力。


  2.3教学计划实施


  作为一个多学科交叉的本科专业,“智能科学与技术”的教学内容相对较多。该专业的很多课程都是现有研究生课程的下移,但不能完全沿用研究生的教学内容和授课方式,否则,在知识储备和学习能力方面的差距将使本科生很难理解、消化、吸收授课内容。因此,在组织教学时,强调授课内容突出重点,以点代面,着重讲授基本方法及其实际应用,尽量避免讲授枯燥的理论或过于抽象的内容。此外,为了适应学时方面的要求,智能技术和智能工程等课程重点讲授清楚一至两种智能信息处理技术,透彻剖析一至两个智能系统,并通过随后的专业实践等课程,进一步加深学生对各种智能技术和智能系统的理解。


  在我国现行的教育体制中,中学阶段和大学阶段的学习差异性非常大,很多大学生在入学之初表现出非常明显的新生综合症。此外,很多大学生在专业课程选择、职业规划等方面疑虑很多,迫切需要经验丰富的教师进行引导。基于上述原因,并考虑到“智能科学与技术”专业课程难度较大,我们在该专业中引入了教授学业导师制度。即为该专业的各个班级分配一名学业导师,他们都是本专业年富力强、教学经验丰富、研究成果突出的中青年知名教授。其中,前两届学生的班导师曾分别留学美国康奈尔大学和加州大学伯克利分校。这些班导师可以为学生在专业课程选择、职业规划等方面提供非常具体的意见,也可以引导高年级学生积极参加专业实践,加速学生成才。


  迄今为止,南开大学“智能科学与技术”专业的教学体系已经基本建设完成。现在,该专业已经有三届学生,教学情况良好,教授学业导师制度也得到了学生的广泛认可。初步的实践经验表明:我们所制订的教学计划合理性好,实现了预期的教学效果,可以达到“智能科学与技术”专业人才培养的要求。


  3实验和实践环境建设


  3.1整体建设思路


  作为一个面向应用的学科,“智能科学与技术”专业必须非常重视工程训练。因此,我们除了精心设置有关课程讲授基本理论,组织教学实习之外,还必须着眼于实验室的建设。通过创建高水平的实验环境,为学生提供一个实践、测试、研究基本理论的场所,切实增强学生的动手能力和工程创新意识。能否获得一个高水平的实验环境,是“智能科学与技术”这个新专业人才培养成功与否的关键因素之一。


  南开大学信息学院具备良好的实验条件,机器人研究所现有的科研设备也可以为“智能技术科学”的本科生提供较好的实践平台。尽管如此,原有的实验室只能满足“智能科学与技术”专业起步期的教学工作需要,而对于体现专业特色的课程,如智能技术、智能工程等,需要有相关配套实验,因此必须创建一个高水平的实验环境,以满足专业课程教学的需要。考虑到经费和实验面积两方面的限制,要想在短期内获得一个完全满意的实验环境,难度很大,因此需要采用分批次、循序渐进的方式建设智能专业的整体实验环境。一方面,通过一年半左右的时间规划并建设好“智能科学与技术”实验室,以满足“智能技术”、“智能工程”等主要专业课程的教学要求;另一方面,可以借助于机器人研究所等单位的实验条件,暂时缓解部分课程的实验压力。


  3.2“智能科学与技术”实验室建设


  “智能科学与技术”实验室的主要作用是开设与智能系统有关的实验,以体现本专业的特色。所以,建设该实验室将重点考虑如何为本专业的核心课程提供必不可少的实验条件,使学生通过大量实验操作掌握智能系统中测量、感知与执行的基本技术手段与方法,并能对整个系统进行综合分析与评价,增强学生对所学习基本理论的感性认识,深化其对专业知识的理解。在此基础上,可以引导学生在实际操作中发现问题,综合运用所学知识解决问题,训练学生逐步养成系统整体设计的技能,以培养“智能科学与技术”领域的工程创新性人才。


  自南开大学建立“智能科学与技术”专业以来,我们对于该专业实验室的建设进行了长期调研,在此基础上,根据南开大学的学科特点及现有的实验室基础,我们规划了“智能科学与技术”专业实验室的建设方案,对各个实验计划进行了详细论证。在南开大学新专业建设经费的资助下,南开大学信息学院和教务处、设备处密切合作,筹集资金购置了相应的实验设备,初步建设完成了“智能科学与技术”专业实验室。实验室的主要设备如表1所示,包括机器视觉、移动机器人、磁悬浮系统、三自由度直升机、电梯群控系统等多套实验系统,这些设备可以基本满足智能技术、智能系统、专业实践等课程的教学需要。特别需要指出的是,一些实验环节,如电梯群智能控制调度及远程维护系列实验,是首次引入本科教学体系的实验课程。


  表1专业实验室主要设备列表下载原表


  表1专业实验室主要设备列表


  3.3以科研环境促进实验教学


  不可否认的是,“智能科学与技术”实验环境建设是一项任重而道远的工作,要想在短期内完善实验环境,使之能够完全满足“智能科学与技术”教学的需要,难度很大。在这种情况下,必须开阔思路,采用多种方式进一步拓展实验渠道,如借助外单位设备组织实验教学等。


  我校“智能科学与技术”专业的主要依托单位为信息学院机器人与信息自动化研究所。该所在机器人及相关技术的研究方面处于国内领先行列,配置有移动机器人、医疗机器人、无线传感网络等多套实验设备,承担了大量国家与省部级的研究项目,具备了良好的实验条件。因此,我们充分利用该所良好的科研环境来促进实验教学。一方面,我们经常性地组织“智能科学与技术”专业的低年级本科生前来机器人所参观实习,通过教师的详细讲解,使学生初步认识机器人等智能系统的基本结构和主要组成单元,为将来学习智能技术和智能工程等课程建立感性认识,同时也使他们更好地理解本专业特色,激发学习兴趣。另一方面,在专业课程的教授过程中,教师根据具体的教学内容组织学生到机器人所进行各类演示性实验,使学生更好地理解各类智能技术。除此之外,为了切实提高“智能科学与技术”专业高年级学生的工程创新能力,学生进入大三,初步完成电子技术、计算机、智能技术等专业课程的学习后,我们逐步引导学有余力的学生提前进入实验室,参与各类研究项目,鼓励他们应用掌握的知识设计实际工程系统,激励他们的创新意识。


  3.4专业实践环节设计


  为了实现“智能科学与技术”交叉工科专业的人才培养目标,必须为学生安排充分合理的教学实践环节,使学生通过解决实际问题掌握有关理论知识,提高设计与分析智能系统的能力,提高他们对于本专业的信心。在教学计划中,我们对学生的实习环节进行了精心规划,在教学的后期,积极引导学生参加各个层次的实践教学活动。


  在教学计划中,“智能科学与技术”专业开设“专业实践”课程,主要目的是让智能专业的本科生进一步熟悉各类智能系统,针对磁悬浮、直升机等实验系统设计出合适的智能控制方法,并最终完成算法实现、系统性能测试、研究报告撰写、期末答辩等工作,力争使学生能够应用模糊控制、专家规则等智能控制方法解决工程实际问题。


  除了鼓励学生积极参加“百项创新”、“挑战杯”等项目之外,从三年级开始,我们将有针对性地选择高年级学生进入南开大学机器人所实习,参加国家与省部级科研项目,挖掘他们的创造性潜力,激励他们今后投身于智能科学与技术学科方向的研究与开发工作。


  另外,为了使学生能够感受到各种先进技术的具体应用,我们积极寻求适合本专业的教学实践基地,并就学生的实习环节和部分企业达成了合作意向。


  4结束语


  经过不断努力,南开大学在“智能科学与技术”新专业教学计划和实验环境建设方面取得了不错的成绩。但是,建设好“智能科学与技术”专业是一个长期的过程,必须通过不断努力,反复论证,逐步完善,才能实现该专业在人才培养方面的宏伟目标。


  在今后的工作中,我们将积极和开设有“智能科学与技术”专业的兄弟学校多进行交流与沟通,不断总结专业建设过程中的经验和教训,逐步完善教学计划,最终总结出一套行之有效的人才培养方案。在实验室建设方面,考虑到“智能科学与技术”的工科特色,其实验和实践环境建设是一个相对长期的过程,因此必须有充分的思想准备,循序渐进、分批次地建设好“智能科学与技术”专业实验环境。

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