“人工智能+電子信息工程”復(fù)合型人才培養(yǎng)模式研究

關(guān)鍵詞：人工智能；電子信息；教學(xué)模式；協(xié)同育人機(jī)制

0 引言

人工智能領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，使得各個(gè)行業(yè)都能夠很好地將其融合，各行各業(yè)對(duì)人工智能人才的需求也越來(lái)越高。在教育部政策的指引下，各高校根據(jù)自身實(shí)際情況，形成了許多特色鮮明的“人工智能+X”復(fù)合型特色專業(yè)，如“人工智能+自動(dòng)化”“人工智能+機(jī)械工程”等。結(jié)合本校的實(shí)際情況，從課程體系建設(shè)、培養(yǎng)方案與教學(xué)方法、人才培養(yǎng)平臺(tái)和協(xié)同育人機(jī)制4個(gè)方面，對(duì)“人工智能+電子信息工程”專業(yè)人才培養(yǎng)體系進(jìn)行深入研究[1]。

1 課程體系建設(shè)

根據(jù)當(dāng)前“人工智能+”發(fā)展的整體趨勢(shì)，引入“人工智能+教育”等先進(jìn)教學(xué)模式，遵循復(fù)合型“人工智能+”人才應(yīng)具備的特征，構(gòu)建面向“人工智能”的電子信息工程專業(yè)課程體系。該體系由通識(shí)課程、基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程和實(shí)踐課程四部分組成[2]，如圖1所示。

1.1 通識(shí)課程

包括高等數(shù)學(xué)、C語(yǔ)言等課程，通過(guò)此類課程教學(xué)，強(qiáng)化和提高學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和C語(yǔ)言編程能力，為人工智能相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

1.2 基礎(chǔ)課程

包括模擬電子技術(shù)、Python程序設(shè)計(jì)等課程，提升學(xué)生對(duì)電路的理解和認(rèn)識(shí)，使其在教師指導(dǎo)下能夠排查一些簡(jiǎn)單的電路問題。同時(shí)，開設(shè)Python程序設(shè)計(jì)課程，讓學(xué)生了解這門人工智能編程語(yǔ)言[3]。目前，主流的人工智能框架均采用Python作為編程語(yǔ)言，如谷歌的TensorFlow、Facebook的PyTorch和百度的飛槳框架。在這種背景下，學(xué)好Python顯得非常重要，但也不能操之過(guò)急，須循序漸進(jìn)，一步一個(gè)腳印。Python 的學(xué)習(xí)應(yīng)注重對(duì)基礎(chǔ)語(yǔ)法和函數(shù)的理解與應(yīng)用，并能夠熟練書寫簡(jiǎn)單程序。

1.3 專業(yè)課程

包括控制與圖像類課程和人工智能算法相關(guān)的課程?？刂婆c圖像類課程包括單片機(jī)原理與應(yīng)用、ARM嵌入式系統(tǒng)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等課程，主要提升學(xué)生硬件編程能力和掌握?qǐng)D像處理的專業(yè)知識(shí)；人工智能算法相關(guān)的課程包括機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等課程，通過(guò)逐步提升課程難度的方式，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地理解和掌握人工智能基礎(chǔ)算法。這里主要以單片機(jī)原理與應(yīng)用和ARM嵌入式系統(tǒng)的課程設(shè)置為例進(jìn)行說(shuō)明。

目前，電子科技企業(yè)的控制器主要以STM32為主，但STM32對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，直接上手的難度太大，主要有以下幾個(gè)方面的難點(diǎn)：

1） 要能看懂STM32的電路原理圖，并且會(huì)用專業(yè)的繪圖軟件準(zhǔn)確繪制出控制器的最小系統(tǒng)原理圖。

2） 對(duì)單片機(jī)C語(yǔ)言的編程能力要求較高，不滿足于只有一個(gè)main.c程序，而是很多個(gè)C模塊程序同時(shí)存在于一個(gè)工程中，并且要能靈活調(diào)用。

3） STM32涉及太多寄存器，無(wú)法全部記住，但也不能太陌生，否則容易無(wú)所適從，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣全無(wú)。

4） 雖然STM32提供了很多標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)可以調(diào)用，但無(wú)法全部記住，并且很多相似庫(kù)函數(shù)的使用方法也不一樣。

因此，在教學(xué)安排上把單片機(jī)課程設(shè)置在前，ARM嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)置在后。讓學(xué)生從零開始學(xué)習(xí)單片機(jī)：

1） 首先教學(xué)生使用PROTEUS仿真軟件繪制出單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖，這是最基礎(chǔ)也是最重要的，認(rèn)識(shí)單片機(jī)電路的必經(jīng)之路。

2） 接著講述單片機(jī)的4個(gè)主要片內(nèi)功能組件：并行IO端口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、串行通信接口，并配以仿真程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，生動(dòng)形象，易于理解。

3） 在掌握單一基本模塊程序的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)將多個(gè)模塊程序融合到一個(gè)大工程中，編譯調(diào)試，并通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證。一旦學(xué)生學(xué)完單片機(jī)課程，再去學(xué)習(xí)STM32就會(huì)變得容易很多。當(dāng)然，這對(duì)上單片機(jī)課程的老師水平要求也是很高的。

1.4 實(shí)踐課程

實(shí)踐課程分為兩個(gè)方向，一是控制類課程設(shè)計(jì)，另一個(gè)是人工智能課程設(shè)計(jì)[4]?？刂祁愓n程設(shè)計(jì)主要是圍繞單片機(jī)和ARM展開，重點(diǎn)提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力[5]；人工智能課程設(shè)計(jì)包括機(jī)器學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)、深度學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)，鞏固并提升學(xué)生對(duì)人工智能算法的理解和認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步明白人工智能算法的重要性。

2 教學(xué)模式

針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式存在課程內(nèi)容個(gè)性化不足和學(xué)習(xí)進(jìn)度受限制等問題，引入混合式教學(xué)模式，做到線上教學(xué)與線下教學(xué)體驗(yàn)相結(jié)合[6]。對(duì)于結(jié)合人工智能的電子信息工程專業(yè)而言，課程資源豐富和類型的多元化，也有利于提升課堂的教學(xué)效果。

混合式教學(xué)模式的過(guò)程一般包含4個(gè)階段[7]：課前準(zhǔn)備階段、線上學(xué)習(xí)階段、線下授課和課后評(píng)價(jià)四個(gè)階段。4個(gè)階段環(huán)環(huán)相扣、彼此依存、逐次遞進(jìn)，形成一個(gè)高效的閉合教學(xué)回路，具體如圖2所示。

以單片機(jī)中的串口通信模塊教學(xué)為例進(jìn)行說(shuō)明：

2.1 課前準(zhǔn)備

串口通信模塊的主要知識(shí)點(diǎn)有：

1） 串行通信采用異步收發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，異步通信的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為：起始位 + 數(shù)據(jù)位 + 奇偶校驗(yàn)位 + 停止位。

2） 串行通信遵循RS232協(xié)議，該協(xié)議包含5個(gè)要素：波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位和硬件流控制。其中，波特率是衡量數(shù)據(jù)傳輸速度的指標(biāo)，波特率越大，數(shù)據(jù)傳輸速度越快。

3） 單片機(jī)中串口通信模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，其中最重要的是發(fā)送緩存寄存器SBUF和接收緩存寄存器SBUF，即發(fā)送和接收都使用相同的寄存器。那么，如何判別處于解說(shuō)數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)？

4） 串口通信模塊的相關(guān)寄存器，如串口工作方式寄存器SCON和功率控制寄存器PCON。

5） 發(fā)送中斷標(biāo)志TI和接收中斷標(biāo)志RI的特點(diǎn)。

2.2 線上學(xué)習(xí)

學(xué)生在線上學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問題通過(guò)平臺(tái)發(fā)送給老師。老師對(duì)問題進(jìn)行分類和總結(jié)，串口通信模塊中遇到的問題主要有以下幾類：

1） 奇偶校驗(yàn)本是用來(lái)保證通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，為什么串口通信程序中將奇偶校驗(yàn)位設(shè)置為無(wú)？

2） 在串口通信中，為了更快地傳輸數(shù)據(jù)，通常將波特率值設(shè)置得較大，為什么在實(shí)際中波特率不是越大越好？

3） 在串口通信中，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)都存放于專用寄存器SBUF，如何區(qū)分SBUF中的數(shù)據(jù)是將要發(fā)送的還是已接收到的？

4） 發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)和接收到一幀數(shù)據(jù)后，為什么要將發(fā)送中斷標(biāo)志和接收中斷標(biāo)志清零？

5） 串口通信中，發(fā)送中斷和接收中斷共用一個(gè)中斷源，程序中如何進(jìn)行區(qū)分？

2.3 線下授課

根據(jù)學(xué)生提出的問題進(jìn)行引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，并展開討論。以線上學(xué)習(xí)中的問題5） 為例進(jìn)行說(shuō)明：首先明確發(fā)送中斷和接收中斷共用一個(gè)中斷源，即同一時(shí)間只能處理一個(gè)中斷；接著解釋發(fā)送中斷和接收中斷是兩個(gè)不同的事件，這兩個(gè)事件的發(fā)生必定會(huì)有相應(yīng)的變化；最后引出發(fā)送中斷標(biāo)志位和接收中斷標(biāo)志位。因此，只要在程序中判別是哪個(gè)中斷標(biāo)志位，就可知道是哪個(gè)中斷對(duì)應(yīng)的事件。

2.4 課后評(píng)價(jià)

對(duì)在線下授課中學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分和正面反饋，主要有以下幾種情況：

1） 對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解較為透徹，緊跟教師思路，回答正確且觸及要點(diǎn)，并能進(jìn)行擴(kuò)展延伸的學(xué)生，屬于優(yōu)秀學(xué)生。對(duì)于此類學(xué)生，除了鼓勵(lì)外，還需引導(dǎo)他們思考更難的問題，始終保持謙虛的態(tài)度。

2） 僅能回答教師問題，但不能做到擴(kuò)展延伸的學(xué)生，應(yīng)鼓勵(lì)他們?cè)趯W(xué)習(xí)前查找相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并且不能放松對(duì)自身的要求。

3） 對(duì)問題理解不深，甚至難以理解的學(xué)生，應(yīng)積極鼓勵(lì)他們。強(qiáng)調(diào)“一遍就學(xué)會(huì)的人是不存在的”，學(xué)習(xí)是一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程，只要堅(jiān)持反復(fù)觀看視頻學(xué)習(xí)，終會(huì)有所領(lǐng)悟。

3 協(xié)同育人機(jī)制

當(dāng)前大學(xué)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與行業(yè)發(fā)展前沿存在脫節(jié)現(xiàn)象。教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)停留在幾年前，沒有跟上行業(yè)發(fā)展進(jìn)度。教學(xué)方式與專業(yè)實(shí)踐技能也無(wú)法滿足行業(yè)發(fā)展要求，高校實(shí)踐環(huán)節(jié)有限，學(xué)生在校內(nèi)接觸不到真實(shí)工作場(chǎng)景。

究其原因，在于學(xué)校和企業(yè)之間沒有形成良好的互動(dòng)，彼此相互獨(dú)立，缺乏有效溝通機(jī)制。校企協(xié)同育人機(jī)制恰是解決這一問題的關(guān)鍵所在[8]。校企協(xié)同育人機(jī)制包含以下4個(gè)方面，如圖3所示[9]。

1） 學(xué)校定期組織專業(yè)骨干教師深入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，提升實(shí)際操作能力，并將企業(yè)中所學(xué)的知識(shí)和技能融入理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，提升講課的深度和廣度。

2） 積極尋求政府支持，在初期給予企業(yè)一些政策上的扶持，使企業(yè)有更強(qiáng)意愿將一些產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目分配給學(xué)校，由學(xué)校負(fù)責(zé)組建專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)來(lái)解決企業(yè)難題。更多教師將深度參與，并積極鼓勵(lì)教師帶領(lǐng)學(xué)生一起做科研。

3） 企業(yè)派遣有經(jīng)驗(yàn)的員工將生產(chǎn)實(shí)際情況引入實(shí)踐教學(xué)，學(xué)校聘請(qǐng)具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)一線工程師，形成學(xué)校和企業(yè)之間的良性動(dòng)態(tài)交流機(jī)制，使學(xué)生學(xué)習(xí)到專業(yè)發(fā)展的前沿知識(shí)。

4） 學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案，企業(yè)積極參與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、提供實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、課程設(shè)置與教學(xué)資源建設(shè)、考核方式及相關(guān)制度建設(shè)等方面，培養(yǎng)企業(yè)認(rèn)同的“人工智能+電子信息工程”人才，實(shí)現(xiàn)校企共贏的良性發(fā)展[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從課程體系建設(shè)、教學(xué)模式和協(xié)同育人機(jī)制3個(gè)方面對(duì)“人工智能+電子信息工程”專業(yè)的人才培養(yǎng)體系進(jìn)行了較為深入的研究。在課程體系建設(shè)方面，著重優(yōu)化課程內(nèi)容，確保其與行業(yè)最新發(fā)展保持同步；在教學(xué)模式方面，探索并實(shí)施多樣化的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣、思維方式、實(shí)踐操作能力和綜合應(yīng)用素養(yǎng)；在協(xié)同育人機(jī)制方面，強(qiáng)調(diào)學(xué)校和企業(yè)的密切合作，通過(guò)聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案、共同建設(shè)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)習(xí)基地，以及企業(yè)導(dǎo)師的參與等舉措，共同培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的高質(zhì)量人才，從而實(shí)現(xiàn)校企共贏的發(fā)展目標(biāo)。通過(guò)這些努力，畢業(yè)生將具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和技能，能夠迅速適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求，為企業(yè)提供強(qiáng)有力的人才支持。