智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)及其考核模式探究

許曉飛　陳雯柏　楊飛　劉玉威

摘 要：介紹智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)教育教學(xué)實(shí)踐探究，以法國(guó)工程師教育體系為啟發(fā)，結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐，研究和分析工程教育過(guò)程培養(yǎng)和能力達(dá)成度的評(píng)估考核模式，強(qiáng)調(diào)工程類(lèi)人才培養(yǎng)目標(biāo)能力達(dá)成度的考核模式實(shí)效性提高和創(chuàng)新機(jī)制建立推廣的緊迫性。

關(guān)鍵詞：工程類(lèi)人才培養(yǎng)；實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；考核模式；智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)

0 引 言

提升解決實(shí)際智能工程問(wèn)題的能力是智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。面向工程教育中目標(biāo)能力達(dá)成度的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程培養(yǎng)及其考核評(píng)估模式量化實(shí)效性的研究一直是很多學(xué)者關(guān)注的難點(diǎn)領(lǐng)域。筆者借鑒法國(guó)工程師人才培養(yǎng)教育模式，采用實(shí)際工程問(wèn)題項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)法及其考核模式量化探究，包括實(shí)際工程問(wèn)題項(xiàng)目理論解析、專(zhuān)業(yè)軟件建模和推演計(jì)算、搭建工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證提升總結(jié)，從而為實(shí)現(xiàn)新型未來(lái)科技人才培養(yǎng)目標(biāo)提供一種方案討論[1-6]。

1 法國(guó)工程類(lèi)人才培養(yǎng)及其考核模式借鑒

目前，由于受到教學(xué)條件、教學(xué)環(huán)境和師資水平的限制，智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)教學(xué)以知識(shí)授受為取向，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)過(guò)重，制約了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展[6-7]。法國(guó)大學(xué)注重與企業(yè)合作，合作方覆蓋歐洲乃至全球的高科技企業(yè)，且法國(guó)的工程師教育積極地進(jìn)行國(guó)際學(xué)校模式輸出。北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院的合作辦學(xué)模式值得借鑒和推廣，學(xué)院學(xué)習(xí)法國(guó)的工程能力化實(shí)驗(yàn)考核體系，將北京市卓越工程師教育聯(lián)盟應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高校工程類(lèi)人才培養(yǎng)改革中來(lái)。

1.1 學(xué)生入學(xué)選拔考核簡(jiǎn)介

筆者認(rèn)真學(xué)習(xí)分析了法國(guó)教育體系，法國(guó)工程類(lèi)人才入學(xué)選拔中不超過(guò)10%的高中畢業(yè)生有機(jī)會(huì)被選拔進(jìn)入大學(xué)校（如Grand Ecole工程類(lèi)學(xué)校）繼續(xù)接受教育。工程教育分兩個(gè)階段：預(yù)科階段（與高中合辦，相當(dāng)于我國(guó)大學(xué)的基礎(chǔ)教育階段），預(yù)科（相當(dāng)于我國(guó)大學(xué)的大一年級(jí)和大二年級(jí)階段）升工程師階段（類(lèi)似于國(guó)內(nèi)高校的碩士階段）?？荚噧?nèi)容分為理論考試和實(shí)驗(yàn)考試，經(jīng)選拔每年只有約2 000人進(jìn)入大學(xué)進(jìn)行三年學(xué)制學(xué)習(xí)。

1.2 學(xué)生培養(yǎng)考核模式

法國(guó)預(yù)科教育注重深厚的基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng)，采用小班教學(xué)，工科專(zhuān)業(yè)有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工業(yè)科學(xué)、法語(yǔ)、英語(yǔ)等課程，每學(xué)期30學(xué)分，每周30課時(shí)以上，包括數(shù)學(xué)（10課時(shí)）、物理（7.5課時(shí)）、工業(yè)科學(xué)（4課時(shí)）、化學(xué)（2課時(shí)）、計(jì)算機(jī)（1課時(shí)）、科研創(chuàng)新（2課時(shí)）、法語(yǔ)（2課時(shí)）、英語(yǔ)（2課時(shí)）以及體育（2課時(shí)），課堂上采取多次筆試和口試作為過(guò)程考核成績(jī)記錄。預(yù)科第一年的教學(xué)時(shí)間為35周，包括預(yù)科階段的工業(yè)課程實(shí)踐部分，完成實(shí)驗(yàn)對(duì)象的建模、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)；第二年的教學(xué)時(shí)間為25周，包括假期海外交流，考核合格后成為工程師。

法國(guó)工程師教育的考核模式注重實(shí)踐能力量化考核。在一個(gè)月的考試周內(nèi)，每場(chǎng)有5位評(píng)審教師（每人負(fù)責(zé)3位學(xué)生的考試），15個(gè)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取題目，題目有：①機(jī)械系統(tǒng)（葡萄分揀系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電機(jī)加載及驅(qū)動(dòng)綜合平臺(tái)、輔助機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、助力自行車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、四余度舵機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）；②自動(dòng)控制系統(tǒng)（停車(chē)場(chǎng)自動(dòng)欄桿、血液采集系統(tǒng)、乒乓球包裝模擬生產(chǎn)線、太陽(yáng)能電池板自動(dòng)調(diào)姿系統(tǒng)）；③邏輯與時(shí)序（典型位移/速度伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、機(jī)械伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）；④工業(yè)系統(tǒng)機(jī)器人（Lego機(jī)器人、擬人機(jī)器人控制）；⑤工業(yè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)科學(xué)（飛行觀測(cè)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)綜合試驗(yàn)平臺(tái)、汽車(chē)電動(dòng)助力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）；⑥工業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)理技術(shù)（陀螺儀、球拍拉弦裝置、船舶導(dǎo)航操舵系統(tǒng)）等，見(jiàn)圖1。

1.3 教師培養(yǎng)考核模式

以法國(guó)工程師教育中教師資格證申請(qǐng)考試為例，該考試屬于對(duì)社會(huì)開(kāi)放旁聽(tīng)的國(guó)家級(jí)考試。教師通過(guò)物理、工業(yè)科學(xué)、語(yǔ)言能力等多種考試后，申請(qǐng)參加試驗(yàn)考試，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)從45個(gè)工業(yè)模擬系統(tǒng)工程題目中抽取1道考題。在4個(gè)小時(shí)內(nèi)完成板書(shū)的書(shū)寫(xiě)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建；在45分鐘內(nèi)面向3位評(píng)委講解實(shí)驗(yàn)原理并演示實(shí)驗(yàn)效果；20分鐘回答評(píng)委的提問(wèn)；完畢后，3位評(píng)委合議給出這門(mén)實(shí)驗(yàn)考試的綜合成績(jī)，見(jiàn)圖2。

2 智能專(zhuān)業(yè)的工程類(lèi)人才培養(yǎng)及其考核模式探究

依據(jù)在學(xué)習(xí)和教學(xué)過(guò)程中對(duì)教學(xué)的系統(tǒng)評(píng)估、對(duì)學(xué)生結(jié)業(yè)考試考核模式的探究以及對(duì)學(xué)生就業(yè)職業(yè)能力成長(zhǎng)的反饋數(shù)據(jù)分析評(píng)估，智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)需進(jìn)一步面向人才市場(chǎng)需求，加強(qiáng)工程類(lèi)問(wèn)題的分析解決能力，尤其是復(fù)雜問(wèn)題[1-4]。首先，直面智能專(zhuān)業(yè)工程師教育教師隊(duì)伍的建設(shè)和培養(yǎng)體系等規(guī)范化不足，開(kāi)展校內(nèi)培養(yǎng)和校外引進(jìn)并舉；其次，學(xué)習(xí)借鑒法國(guó)工程人才培養(yǎng)體系，加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新建設(shè)，設(shè)置卓越聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜問(wèn)題，加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)普及活動(dòng)的深度廣度，實(shí)現(xiàn)智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)模式的探究。

2.1 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新建設(shè)與復(fù)雜問(wèn)題案例教學(xué)實(shí)踐

北京信息科技大學(xué)智能專(zhuān)業(yè)工程思維培養(yǎng)要點(diǎn)有：①深入理解工程任務(wù)的邏輯步驟過(guò)程，放大工程任務(wù)所有細(xì)節(jié)，找準(zhǔn)任務(wù)要素間的因果關(guān)系，排除存在bug，例如電子開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì)中，分別講解演示撥動(dòng)式開(kāi)關(guān)和點(diǎn)動(dòng)式開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)置不同條件判斷；②積極動(dòng)手搭建工程系統(tǒng)，組織專(zhuān)題交流會(huì)。智能專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的教學(xué)內(nèi)容圍繞著參加學(xué)科競(jìng)賽的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用批判-分析性思維，見(jiàn)表1。

項(xiàng)目示例：定點(diǎn)停車(chē)

任務(wù)a設(shè)定：白色地板，黑色停車(chē)線，車(chē)頭光電傳感器指向地面。

已知光電傳感器對(duì)地板讀數(shù)為80，對(duì)停車(chē)線讀數(shù)為20。

任務(wù)要求：機(jī)器人前進(jìn)至黑色停車(chē)線停車(chē)。

A：光電傳感器實(shí)時(shí)讀數(shù)

問(wèn)題：請(qǐng)大家比較圖3與圖4的不同點(diǎn)，判斷哪個(gè)正確，分析程序流程圖設(shè)計(jì)中是否存在bug。

講解摘要：不同點(diǎn)是變量A的比較值，光電傳感器對(duì)停車(chē)黑線讀數(shù)為20，變量A設(shè)置與50進(jìn)行比較，主要考慮工程實(shí)際問(wèn)題，如機(jī)器人慣性作用力和地面摩擦力的綜合情況，依據(jù)實(shí)際場(chǎng)地調(diào)試情況設(shè)定，而圖3的方法不具有適應(yīng)性，存在bug。endprint

復(fù)雜問(wèn)題智能算法設(shè)計(jì)示例：特殊路徑規(guī)劃

復(fù)雜任務(wù)1：S形彎的設(shè)計(jì)更有利于智能車(chē)縮短完成行駛路段的時(shí)間。未優(yōu)化的智能車(chē)行駛軌跡如圖5所示，但這并不是最佳方法，因?yàn)檫^(guò)分按照S形行駛既加長(zhǎng)了行駛距離，又使智能車(chē)不斷搖擺而穩(wěn)定性變差。最理想的方法是讓其不隨S彎轉(zhuǎn)動(dòng)，直線通過(guò)S彎，理想的智能車(chē)行駛軌跡見(jiàn)圖6和圖7。

問(wèn)題：請(qǐng)大家思考比較圖5、圖6、圖7的不同點(diǎn)在哪？

講解摘要：不同點(diǎn)是紅色路徑規(guī)劃曲線的不同，從快速經(jīng)過(guò)黑線循跡，采取不同的路徑規(guī)劃算法，計(jì)算不同路徑規(guī)劃結(jié)果，圖7采用模糊控制以及自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃，算法復(fù)雜性體現(xiàn)在結(jié)合機(jī)器人的慣性作用力和實(shí)際場(chǎng)地地面摩擦力的綜合情況調(diào)試設(shè)定。

2.2 科學(xué)技術(shù)普及的實(shí)踐教學(xué)探究

智能專(zhuān)業(yè)結(jié)合工程思維培養(yǎng)的實(shí)踐性，采用科學(xué)技術(shù)科普社會(huì)教學(xué)實(shí)踐很有效。例如，組建機(jī)器人表演團(tuán)，學(xué)校智能專(zhuān)業(yè)學(xué)生廣泛參與科普實(shí)踐活動(dòng)，活動(dòng)內(nèi)容有：“精忠報(bào)國(guó)”機(jī)器人舞蹈組合出場(chǎng)；明星機(jī)器人“書(shū)童”的書(shū)法表演，毛筆寫(xiě)出“北信科大歡迎您”，表演“隔空寫(xiě)字”的穿戴數(shù)據(jù)手套無(wú)線控制機(jī)械臂系統(tǒng)；打著太極拳的NAO機(jī)器人；魔獸爭(zhēng)霸中的“DOTA”機(jī)器人；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)員表演高爾夫、單杠、點(diǎn)球等游戲互動(dòng)；家庭服務(wù)機(jī)器人和足球機(jī)器人。

2.3 項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生考核模式探究

項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生考核分7個(gè)步驟：①認(rèn)識(shí)系統(tǒng)，教師會(huì)提供文字資料及試題詳細(xì)評(píng)分規(guī)則，并演示其中重要細(xì)節(jié)；②分析系統(tǒng)，需要學(xué)生綜合分析其功能、需求、結(jié)構(gòu)組成，并向教師講解學(xué)習(xí)結(jié)果；③動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)；④建立仿真模型并與實(shí)際進(jìn)行分析比對(duì)；⑤解決問(wèn)題，思考如何消除誤差；⑥設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)并優(yōu)化；⑦總結(jié)、分析、展示、溝通，現(xiàn)場(chǎng)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并制作PPT。教師跟蹤學(xué)生進(jìn)度，進(jìn)行詢(xún)問(wèn)和聽(tīng)取疑問(wèn)，對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分登記，能力考核量化如下：

1）能力A：平臺(tái)工作方式的掌握。

①描述操作平臺(tái)的功能和結(jié)構(gòu)；②能夠使用該平臺(tái)；③驗(yàn)證并描述平臺(tái)設(shè)計(jì)者所應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)。

2）能力B：分析能力測(cè)試。

①明確需求和要求；②正確使用功能分析和結(jié)構(gòu)分析，理解需要解決問(wèn)題的機(jī)理；③說(shuō)明模型與實(shí)際裝置的區(qū)別并批判性地核對(duì)結(jié)果。

3）能力C：實(shí)驗(yàn)。

①明確或者修正一種實(shí)驗(yàn)方案；②實(shí)施此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作；③分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4）能力D：建立模型。

①明確或者修正一種模型；②確定或者使用該模型；③修正此模型。

5）能力E：解決問(wèn)題。

①掌握數(shù)字模擬的條件；②實(shí)施數(shù)字模擬；③解釋數(shù)字模擬的結(jié)果。

6）能力F：設(shè)計(jì)、選擇與決定。

①設(shè)計(jì)方案；②完善既存方案；③給出結(jié)論。

3 結(jié) 語(yǔ)

智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)及其考核模式探究主要借鑒國(guó)際工程教育中法國(guó)工程師培養(yǎng)體系，提出人才培養(yǎng)目標(biāo)能力達(dá)成度的考核模式，提高實(shí)效性，建立推廣創(chuàng)新機(jī)制。下一步，智能專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)模式將從實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)、實(shí)際操作性、過(guò)程評(píng)估考核的多維性和實(shí)效性等方面入手，建立更加具體詳細(xì)的培養(yǎng)考核體系，注重在創(chuàng)新實(shí)踐的過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的興趣，由正向思維到反向思維的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生思維水平，提高其掌握新知識(shí)的質(zhì)量與速度。

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（編輯：孫怡銘）endprint