地方工科院?！爸悄芸茖W(xué)與技術(shù)專業(yè)”實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

趙 勇，王文慶

（西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710121）

智能科學(xué)的理論、技術(shù)及其應(yīng)用已發(fā)展成為信息技術(shù)創(chuàng)新的重要生長點(diǎn)。中國科協(xié)公布的“10項(xiàng)引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)”評選結(jié)果中，作為智能科學(xué)技術(shù)核心的“人工智能技術(shù)”排在第4位，作為智能科學(xué)技術(shù)重要應(yīng)用的“未來家庭服務(wù)機(jī)器人”排在第2位，它充分顯示了智能科學(xué)技術(shù)的巨大學(xué)科潛力和極其廣泛的社會影響［1］。

將智能信息處理技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)自動化全過程，實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)、智能生產(chǎn)是兩化融合的發(fā)展目標(biāo)。隨著國家對信息科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的規(guī)劃，兩化融合發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，加強(qiáng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)非常重要。

2004年北京大學(xué)開創(chuàng)了智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教育的先河，隨后國內(nèi)更多的院校陸續(xù)開設(shè)該專業(yè)，現(xiàn)在智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)在全國已初具規(guī)模［2］。

1 實(shí)踐教學(xué)體系改革

教育部關(guān)于《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中，明確指出要強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)和鍛煉高校學(xué)生動手能力和科技創(chuàng)新能力的主要途徑，西安郵電大學(xué)目前已探索建立了以實(shí)驗(yàn)室全面開放為形式，以課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，以課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)為核心，以科研訓(xùn)練為補(bǔ)充的課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系和以開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培訓(xùn)為基本內(nèi)容，以興趣小組為基礎(chǔ)支撐，以學(xué)生科技競賽為導(dǎo)引和動力支撐，以學(xué)生科技立項(xiàng)為補(bǔ)充的課外科技創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系。強(qiáng)調(diào)課外創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的重要地位和作用，人才培養(yǎng)有了質(zhì)的飛躍和升華，以創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)平臺為依托，對課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化組合，進(jìn)一步理順了各個實(shí)踐環(huán)節(jié)的關(guān)系，明確了課程設(shè)計(jì)等集中實(shí)踐環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容和考核方式，形成了主線清晰、層次分明的創(chuàng)新型課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系。

1.1 課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系

課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、科研訓(xùn)練以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等構(gòu)成了智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系，是整個實(shí)踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)。課程實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和簡單應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，隨理論課同步進(jìn)行。課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，綜合運(yùn)用一門或多門知識進(jìn)行動手學(xué)習(xí)、實(shí)踐和創(chuàng)新的過程，是課內(nèi)集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分。相對課程實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)對于學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高則顯得尤為重要。對課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容統(tǒng)一規(guī)劃，不同課程設(shè)計(jì)分散的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盡量體現(xiàn)在相同的對象上，進(jìn)而將不同課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)的統(tǒng)一起來。西安郵電大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)主要開設(shè)了3門課程設(shè)計(jì)，分別為邏輯控制課程設(shè)計(jì)、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和機(jī)器人競技課程設(shè)計(jì)。具體的課程設(shè)計(jì)開展方案如表1所示。

表1 課程設(shè)計(jì)開展方案

邏輯控制課程設(shè)計(jì)主要是在不使用微控制器的情況下，采用門電路等相關(guān)元器件設(shè)計(jì)邏輯控制及簡單驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)、舵機(jī)、繼電器等被控對象的控制作用。

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是以單片機(jī)等微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，利用相關(guān)傳感器為系統(tǒng)引入反饋回路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)信息的檢測和反饋，最終實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)、舵機(jī)、繼電器等被控對象的控制。

機(jī)器人競技課程設(shè)計(jì)以機(jī)器人大賽、智能車競賽等學(xué)科競賽為背景，以模塊化機(jī)器人套件、智能車模型為硬件平臺，以輪式移動為主要移動方式，并引入相關(guān)競賽規(guī)則，完成競技類機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作。

在對課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃的同時，對學(xué)生課程設(shè)計(jì)成績的考核方式也進(jìn)行了改革。引入課程設(shè)計(jì)答辯制度，在每次課程設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入答辯環(huán)節(jié)，答辯成績占學(xué)生總成績的30%，答辯小組由三名學(xué)生和一名教師組成，三名學(xué)生是從課程設(shè)計(jì)中挑選出的完成任務(wù)最好的同學(xué)，教師和三名學(xué)生給出的成績各占答辯成績的一半。教師可以根據(jù)答辯情況，明確學(xué)生參與課程設(shè)計(jì)的效果和程度。同時鼓勵學(xué)生成為評委，以調(diào)動學(xué)生參與課程設(shè)計(jì)的主動性。通過對課程設(shè)計(jì)等學(xué)生集中實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容和考核方式的改革，使得學(xué)生以前輕實(shí)踐、重理論的思想有所好轉(zhuǎn)，學(xué)生從事集中實(shí)踐環(huán)節(jié)的熱情得到了提高。

1.2 課外科技創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系

作為課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系的延伸和拓展，課外科技創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有非常重要的作用。結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室具體情況，成立學(xué)生興趣小組，設(shè)計(jì)針對不同年級學(xué)生的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案，制定學(xué)生課外科技創(chuàng)新立項(xiàng)的申報指南，重點(diǎn)研究如何 將開放實(shí)驗(yàn)、學(xué)生課外科技創(chuàng)新立項(xiàng)和科技競賽有機(jī)結(jié)合，使之成為由淺入深、成系統(tǒng)多層次的課外科技創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系。

根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特點(diǎn)，西安郵電大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成立了機(jī)器人制作、PCB硬件制作、ZigBee、ARM＋Linux以及JAVA開發(fā)等興趣小組。以興趣小組為基礎(chǔ)支撐，已初步形成高年級學(xué)生指導(dǎo)低年級學(xué)生的滾動機(jī)制。在每個興趣小組中，均以三年級或四年級的同學(xué)擔(dān)任組長，組長主要負(fù)責(zé)制定該小組的短期工作計(jì)劃并監(jiān)督計(jì)劃的執(zhí)行情況，組員大多為三年級和二年級的同學(xué)。新進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，經(jīng)過一段時間的培訓(xùn)和自學(xué)，經(jīng)考核合格后，根據(jù)個人專業(yè)愛好，分別進(jìn)入各個興趣小組。

開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵是指實(shí)驗(yàn)的空間、時間、管理和部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放，是指各類實(shí)驗(yàn)室在完成常規(guī)正常教學(xué)任務(wù)的前提下，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管理技術(shù)、指導(dǎo)師資、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等資源，面向廣大在校學(xué)生開放使用的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［3］。開放實(shí)驗(yàn)主要是以學(xué)生自學(xué)為主，教師指導(dǎo)為輔的形式進(jìn)行組織和開展的。

結(jié)合西安郵電大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際和近幾年開展開放實(shí)驗(yàn)的情況，具體的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多圍繞“機(jī)器人”而展開。機(jī)器人是一種可以自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，涵蓋了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動控制、傳感器、通信、人工智能等學(xué)科的最新成就，它對培養(yǎng)學(xué)生的跨專業(yè)綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神等方面具有重要意義［4］。以機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺所開設(shè)的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具有很強(qiáng)的趣味性和挑戰(zhàn)性，能有效地激發(fā)學(xué)生的興趣和對科學(xué)技術(shù)知識的向往，使得學(xué)生能夠在“做中學(xué)”的思想指引下，培養(yǎng)和鍛煉自身的實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新意識。具體開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)方案如表2所示。

表2 開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展方案

學(xué)科競賽的意義不僅在于營造和豐富校園科技文化氛圍，拓展大學(xué)生的綜合知識和加強(qiáng)第二課堂活動，更是大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新平臺，有利于培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、實(shí)踐動手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神［5］。西安郵電大學(xué)近幾年相繼舉辦了“機(jī)器人大賽”、“智能車競賽”、“智能設(shè)計(jì)大賽”以及“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)大賽”等一系列校級學(xué)科競賽，能為大部分的學(xué)生提供參加科技活動的機(jī)會，培養(yǎng)學(xué)生對科技知識和專業(yè)知識的興趣。同時，通過舉辦校級學(xué)科競賽，可選拔出較為優(yōu)秀的學(xué)生去參加更高級別的競賽，進(jìn)一步培養(yǎng)和檢驗(yàn)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

西安郵電大學(xué)在新修訂的本科培養(yǎng)方案中，明確要強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將創(chuàng)新實(shí)踐與課外活動納入實(shí)踐教學(xué)體系，設(shè)立創(chuàng)新實(shí)踐與課外活動學(xué)分，學(xué)生參加各類科技創(chuàng)新競賽、發(fā)表學(xué)術(shù)論文、參加課外實(shí)驗(yàn)等可按規(guī)定獲得相應(yīng)學(xué)分，必須取得創(chuàng)新實(shí)踐與課外活動學(xué)分后方能畢業(yè)。

2 創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)平臺搭建

現(xiàn)代理工科課程教學(xué)，必須理論密切聯(lián)系實(shí)際。為智能科學(xué)技術(shù)課程建立實(shí)驗(yàn)平臺的主要目的是使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，研究探討課程講授的基本原理和實(shí)現(xiàn)過程，提出思路并加以積極驗(yàn)證，從而更好地掌握知識，加深理解，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)新能力。因此各課程都要創(chuàng)造條件，爭取必要的財政支持，開發(fā)能夠適應(yīng)教學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)平臺［6］。

平臺的建設(shè)主要圍繞“三個層次，兩個方向”進(jìn)行。三個層次包含了配合課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、提高學(xué)生能力的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以及強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新的開放實(shí)驗(yàn)；兩個方向包含了智能機(jī)器人及智能信息處理，智能信息處理以圖形、圖像為主要處理對象，進(jìn)行圖像處理、模式識別等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，以軟件設(shè)計(jì)為主、部分結(jié)合硬件。機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)是機(jī)器人基本行為控制、多感覺系統(tǒng)及智能決策等。

經(jīng)過幾年的改革和探索，西安郵電大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)初步形成了現(xiàn)在的實(shí)踐教學(xué)體系。據(jù)此實(shí)踐教學(xué)體系，建立以教育機(jī)器人為主要設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺。教育機(jī)器人是指應(yīng)用于教育領(lǐng)域的機(jī)器人，它具有良好的開放性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要方便地增、減功能模塊，進(jìn)行自主創(chuàng)新，有友好的人機(jī)交互界面，便于教學(xué)實(shí)踐［7］。

基于教育機(jī)器人的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺由模塊化機(jī)器人套件和智能機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成。模塊化機(jī)器人套件主要由一套散件構(gòu)成，包括32位微控制器、數(shù)字量及模擬量傳感器、總線式舵機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)件等，可采用流程圖和C代碼兩種方式進(jìn)行軟件開發(fā)。智能機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺是在中型移動機(jī)器人平臺上搭載激光雷達(dá)、超聲測距、姿態(tài)方位系統(tǒng)、GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)、雙目立體視覺系統(tǒng)、四自由度機(jī)械臂等傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可進(jìn)行圖像處理、多傳感器信息融合和智能決策等方面的實(shí)驗(yàn)。建成的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，可面向低年級和高年級同學(xué)同時開放。對于低年級同學(xué)，我們主要基于模塊化機(jī)器人套件開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如開放實(shí)驗(yàn)等），旨在幫助其對于機(jī)械機(jī)構(gòu)、電子電路、信號檢測、軟件控制等基本工程概念的理解和學(xué)習(xí)。另外，對于工科類學(xué)生，鼓勵學(xué)生使用套件中的機(jī)械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組裝，而微控制器則要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)和焊接51單片機(jī)最小硬件系統(tǒng)，并將其同套件中的傳感器和舵機(jī)相結(jié)合，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求。

3 結(jié)語

針對智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容比較分散以及綜合性和創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)相對薄弱的問題，對各個實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化組合，找出各個實(shí)踐環(huán)節(jié)的關(guān)系，將不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盡量體現(xiàn)在相同的對象上，提出了以教育機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺，課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系和課外實(shí)踐教學(xué)體系緊密結(jié)合的創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系。在今后的工作中，將不斷總結(jié)實(shí)踐教學(xué)運(yùn)行過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，積極推動智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革和發(fā)展。

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