面向應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)探索與實(shí)踐

張新強(qiáng)，李家琦，周國(guó)順，韓 媞

（大連東軟信息學(xué)院 電子工程系，遼寧 大連 116023）

0 引 言

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)作為專業(yè)培養(yǎng)方案中的一級(jí)壓頂石項(xiàng)目[1]，是對(duì)本科前三年所學(xué)專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力的全面綜合。其設(shè)計(jì)是否合理，教學(xué)過程是否實(shí)施有效，學(xué)生是否提升了專業(yè)核心能力，直接決定了專業(yè)方案對(duì)培養(yǎng)具有社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、國(guó)際視野和較強(qiáng)實(shí)踐能力的應(yīng)用型高級(jí)專門人才實(shí)現(xiàn)的效果，直接影響學(xué)生的就業(yè)。

1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的工科院校實(shí)踐教學(xué)體系，僅僅是向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)室原有的、分立的各種教學(xué)儀器設(shè)備來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)踐訓(xùn)練，這種訓(xùn)練模式難以使學(xué)生掌握本專業(yè)的核心能力和創(chuàng)新能力，距“綜合的、系統(tǒng)化的工程實(shí)景的訓(xùn)練”還有較大的差距，畢業(yè)生到企業(yè)后還需重新進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)，遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的需求。

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)屬于交叉學(xué)科，涵蓋了電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件、人工智能、自動(dòng)控制等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。如何保持實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)又使內(nèi)容相對(duì)穩(wěn)定，以保障在教育有限投入下的可實(shí)現(xiàn)性，一直是比較難解決的問題。只有解決了這個(gè)難題，才能解決受訓(xùn)學(xué)生專業(yè)技能與用人單位要求的差距問題，進(jìn)而解決學(xué)生就業(yè)問題。

TOPCARES-CDIO一體化人才培養(yǎng)模式下，如何設(shè)計(jì)實(shí)施綜合實(shí)訓(xùn)以體現(xiàn)對(duì)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的壓頂石作用，如何在實(shí)訓(xùn)中提升學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，完成應(yīng)用創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，使學(xué)生達(dá)到用人單位的要求，解決學(xué)生的就業(yè)問題，是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)中亟待解決的問題。

2 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)施方法

2.1 確定智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)核心能力體系

要確定專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)的核心能力體系，關(guān)鍵在于正確把握社會(huì)對(duì)該專業(yè)人才提出了什么樣的能力要求。主要通過以下步驟：首先，通過調(diào)查智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才招聘要求，校企合作單位用人需求，在崗畢業(yè)生反饋，確定智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)就業(yè)所需的相關(guān)能力；其次，通過進(jìn)一步梳理，明確所設(shè)專業(yè)與社會(huì)需求對(duì)應(yīng)的層次及能力結(jié)構(gòu)，得出就業(yè)所需核心能力，作為實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施的能力層面設(shè)計(jì)的內(nèi)容；最后，學(xué)生工作后，根據(jù)學(xué)生和用人單位的反饋，不斷對(duì)能力體系進(jìn)行修正，迭代完善。圖1為多方合作制定能力體系及課程內(nèi)容示意圖。

圖1 多方合作制定能力體系及課程內(nèi)容

2.2 合理設(shè)計(jì)智能科學(xué)與技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)的設(shè)置，不是對(duì)培養(yǎng)方案中已有課程的重復(fù)，而是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的一種整合。充分吸收廣大師生和用人單位的意見，研究制訂實(shí)訓(xùn)課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)內(nèi)容，還要考慮到學(xué)生知識(shí)、能力的實(shí)際差異，以滿足不同層次學(xué)生的需要，同時(shí)內(nèi)容上做到與時(shí)俱進(jìn)（2015年至2017年為TurtleBot移動(dòng)機(jī)器人走迷宮，2018年升級(jí)為TurtleBot移動(dòng)機(jī)器人與Kuka工業(yè)機(jī)器人協(xié)同智能制造）。最后，做好對(duì)畢業(yè)生的跟蹤調(diào)查，及時(shí)獲取用人單位對(duì)學(xué)校畢業(yè)生的需求信息和使用情況的反饋信息，對(duì)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)做出相應(yīng)的調(diào)整。

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)師資全部是有企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的教師。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容由課程組的老師根據(jù)真實(shí)項(xiàng)目研發(fā)流程，依據(jù)學(xué)生水平，結(jié)合學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)（先修課）定制。目前實(shí)訓(xùn)基于智能制造場(chǎng)景如圖2所示，TurtleBot移動(dòng)機(jī)器人從物料倉(cāng)庫(kù)由Kuka工業(yè)機(jī)器人裝載物料（3D打印的多種幾何體），然后到達(dá)必經(jīng)通道，識(shí)別手寫體數(shù)字，按照約定的號(hào)碼處進(jìn)入4x4迷宮，從迷宮出口出來(lái)后，到達(dá)生產(chǎn)流水線處，Kuka工業(yè)機(jī)器人通過機(jī)器視覺完成物料識(shí)別，進(jìn)而抓取物料放到相應(yīng)的流水線。整個(gè)項(xiàng)目結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人，學(xué)生需要完成物料處Kuka工業(yè)機(jī)器人編程，完成移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航及目標(biāo)識(shí)別，以及生產(chǎn)流水線處基于機(jī)器視覺控制Kuka工業(yè)機(jī)器人完成物料的分揀。學(xué)生需要完成系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)集成與調(diào)試和系統(tǒng)測(cè)試，同時(shí)完成項(xiàng)目報(bào)告。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施的中間環(huán)節(jié)，學(xué)生可以進(jìn)行自主命題發(fā)揮。

這種真實(shí)開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建，提供了適當(dāng)?shù)膯栴}情境、外部潛在刺激，由認(rèn)知學(xué)習(xí)理論可知，學(xué)生的自定目標(biāo)是學(xué)習(xí)的重要促動(dòng)因素[3]。這種實(shí)施過程的自主命題發(fā)揮促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)效果以及應(yīng)用創(chuàng)新能力的提升。

2.3 注重專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方法和組織形式

教師在充分研究授課內(nèi)容在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中的作用和與學(xué)生日后工作結(jié)合度的基礎(chǔ)上，采用以真實(shí)的工作任務(wù)為依托的項(xiàng)目教學(xué)方式，創(chuàng)造使學(xué)生充分發(fā)揮潛能的寬松環(huán)境，創(chuàng)設(shè)盡可能真實(shí)的職業(yè)情景，使學(xué)生置身其中，積極主動(dòng)地去探索、嘗試、創(chuàng)新。同時(shí)積極采用“仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”[4]的實(shí)踐模式，進(jìn)行課上課下一體化教學(xué)。項(xiàng)目過程環(huán)節(jié)進(jìn)行開放性命題，引導(dǎo)學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生組內(nèi)合作，組間競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)行個(gè)性化命題發(fā)揮，充分激發(fā)個(gè)人的創(chuàng)造力。

圖2 TurtleBot移動(dòng)機(jī)器人與Kuka工業(yè)機(jī)器人協(xié)同智能制造示意圖

2.4 檢驗(yàn)學(xué)生能力的綜合實(shí)訓(xùn)考核

考核方式包括形成性考核和終結(jié)性考核，在成績(jī)的權(quán)重上更注重過程性。整個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在教學(xué)過程中被分解為一系列小的單元項(xiàng)目，每個(gè)單元項(xiàng)目有一個(gè)過級(jí)目標(biāo)，只有考核通過才能進(jìn)入下一個(gè)單元，各單元考核為形成性考核。終結(jié)性考核方式包括報(bào)告撰寫、系統(tǒng)演示、項(xiàng)目答辯、題庫(kù)抽題口試等，不進(jìn)行傳統(tǒng)的閉卷考試。在考核主體的確定上，突出多元性，如教師評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)等。

3 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)特色

3.1 采用能力培養(yǎng)與教學(xué)內(nèi)容分層設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)

智能行業(yè)技術(shù)發(fā)展日新月異，不斷有新技術(shù)產(chǎn)生，為了使學(xué)生更好地就業(yè)，要求實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容必須不斷更新。從教育角度看，課程內(nèi)容只有經(jīng)過相對(duì)穩(wěn)定的沉淀積累才能有好的教學(xué)效果，所以這兩方面是矛盾的。這個(gè)問題在專業(yè)人才培養(yǎng)角度看也是個(gè)難題，實(shí)訓(xùn)作為壓頂石項(xiàng)目，處在人才培養(yǎng)出口，問題更加急迫。采用實(shí)訓(xùn)能力與內(nèi)容分層設(shè)計(jì)方法，在保障培養(yǎng)工作需要的相對(duì)穩(wěn)定能力的前提下，有選擇地改變實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。而內(nèi)容的選擇可以根據(jù)能力與內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容，這樣也符合教育的自身特點(diǎn)，同時(shí)也能控制教育的投入。這項(xiàng)方法實(shí)現(xiàn)了智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的軟切換（2015年至2017年為TurtleBot移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，2018年升級(jí)為TurtleBot移動(dòng)機(jī)器人與Kuka工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合平臺(tái)）。

3.2 課內(nèi)課外一體化實(shí)踐模式突破了傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)時(shí)的限制

使用ROS系統(tǒng)和Gazebo軟件進(jìn)行項(xiàng)目預(yù)研仿真，寫一次代碼，不需要修改即可在仿真平臺(tái)和實(shí)體平臺(tái)上分別運(yùn)行，學(xué)生可以清楚地看到運(yùn)行的現(xiàn)象或結(jié)果，從而迅速理解和掌握機(jī)器人的工作原理以及機(jī)器人的一般開發(fā)流程、方法。這樣對(duì)于學(xué)生來(lái)說相當(dāng)于有了隨身的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而到了實(shí)驗(yàn)室，可以使用實(shí)體機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課上課下一體化學(xué)習(xí)實(shí)踐[4]。學(xué)生可以根據(jù)自主命題的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，進(jìn)行個(gè)性化實(shí)驗(yàn)完成開發(fā)，學(xué)生在實(shí)踐中不但能鞏固已學(xué)到的知識(shí)，更重要的是能根據(jù)所學(xué)的知識(shí)發(fā)揮創(chuàng)新和創(chuàng)造力來(lái)完成自主命題項(xiàng)目，從而使自身專業(yè)應(yīng)用能力和專業(yè)創(chuàng)新能力得到提高。

3.3 建立了專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)與社會(huì)需求的良性聯(lián)動(dòng)機(jī)制

專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)核心能力體系的確定建立在對(duì)社會(huì)需求的充分調(diào)研基礎(chǔ)之上，同時(shí)根據(jù)畢業(yè)學(xué)生用人單位的反饋信息進(jìn)行不斷修正，使學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)能在畢業(yè)前就達(dá)到用人單位的專業(yè)技能要求，真正實(shí)現(xiàn)零距離對(duì)接。此外，通過發(fā)達(dá)的社交手段（網(wǎng)站問卷，微信，QQ，微博等），實(shí)訓(xùn)課程組定期與畢業(yè)學(xué)生、校企合作單位、兄弟院校進(jìn)行交流，相比傳統(tǒng)走訪大大提高了效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

我校于2012年經(jīng)教育部批準(zhǔn)設(shè)立智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)，同年開始報(bào)收第一批學(xué)生。學(xué)校將應(yīng)用型人才作為人才培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是我校智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)課程體系中的重要指標(biāo)與特色。學(xué)校構(gòu)建實(shí)施的TOPCARES-CDIO一體化人才培養(yǎng)模式強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的實(shí)踐能力。TOPCARES-CDIO項(xiàng)目劃分為5級(jí)，其中一級(jí)項(xiàng)目(綜合項(xiàng)目)是指包含本專業(yè)主要核心課程和能力要求的綜合項(xiàng)目，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)核心能力[1]。在大學(xué)前三年的實(shí)踐學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，實(shí)施壓頂石項(xiàng)目（10教學(xué)周共200學(xué)時(shí)），全面強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能，這等于讓學(xué)生在畢業(yè)前就擁有了“工作經(jīng)驗(yàn)”。

我校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)，從2015年開始，已經(jīng)實(shí)行4輪。經(jīng)過幾年的實(shí)踐改進(jìn)，探索出一套面向應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的切實(shí)可行的實(shí)訓(xùn)方案。基于智能制造工業(yè)應(yīng)用背景，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中結(jié)合先修課程所學(xué)相關(guān)知識(shí)，在真實(shí)機(jī)器人開發(fā)過程中，提升了專業(yè)應(yīng)用能力。采用開放性命題方式，學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新意識(shí)，使用多種方案完成移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航，如使用單目視覺、雙目視覺、RGBD傳感器以及二維激光傳感器等。特別是在今年移動(dòng)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)場(chǎng)景中，增加了基于機(jī)器學(xué)習(xí)完成分類的環(huán)節(jié)，學(xué)生可以使用不同的算法完成識(shí)別分類。學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)掌握了機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)方法、流程，提升了學(xué)生的應(yīng)用能力、專業(yè)創(chuàng)新能力，促進(jìn)了學(xué)生就業(yè)。這些作品還作為實(shí)踐作品成果展示給大家，極大地鼓舞了學(xué)弟學(xué)妹們的學(xué)習(xí)熱情。