依托具身智能技術(shù)提高學(xué)生創(chuàng)新能力的探索

摘 要：人工智能專業(yè)專升本人才培養(yǎng)面臨學(xué)生理論基礎(chǔ)薄弱、實(shí)踐能力參差不齊等挑戰(zhàn)，亟須構(gòu)建能夠系統(tǒng)性提升專業(yè)能力與創(chuàng)新素養(yǎng)的課程體系。具身智能技術(shù)通過融合人工智能與機(jī)器人技術(shù)，正在推動(dòng)多領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)變革，由此產(chǎn)生的復(fù)合型人才需求為教育改革提供了明確方向?；诰呱碇悄芗夹g(shù)特征，構(gòu)建了三維度培養(yǎng)體系：圍繞具身智能軟核心技術(shù)構(gòu)建專業(yè)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)、建立遞進(jìn)式課程實(shí)踐路徑、通過跨學(xué)科競(jìng)賽任務(wù)搭建創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)。通過探索和實(shí)踐，該培養(yǎng)方式顯著提升了學(xué)生的項(xiàng)目開發(fā)能力和創(chuàng)新思維，在學(xué)科競(jìng)賽和大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)中，學(xué)生展現(xiàn)了強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：具身智能；人工智能；實(shí)踐教學(xué)；創(chuàng)新能力

普通高校全日制培養(yǎng)專升本學(xué)生為?？茖W(xué)生提供了提升學(xué)歷、就業(yè)質(zhì)量的機(jī)會(huì)，能向社會(huì)輸送更多的專業(yè)人才，與現(xiàn)代社會(huì)科技發(fā)展和人才培養(yǎng)目標(biāo)理念契合［1］。通過專升本教育，?？茖W(xué)生能夠在原有實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，提升綜合素質(zhì)，從而更好地適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的需求。然而，專科教育與本科教育在培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置和教學(xué)方法等方面存在顯著差異。本科教育注重培養(yǎng)掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)和基本技能的高素質(zhì)人才，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的國(guó)際視野、創(chuàng)新意識(shí)、工匠精神和實(shí)踐能力的全面發(fā)展。而專科教育則更側(cè)重于學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才為主，目標(biāo)是使學(xué)生能夠勝任服務(wù)、生產(chǎn)、管理和技術(shù)一線工作，其知識(shí)體系以“基礎(chǔ)”和“夠用”為原則，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)［2］。這種差異使得專升本學(xué)生在進(jìn)入本科階段后，往往面臨理論知識(shí)薄弱、學(xué)術(shù)能力不足等問題，尤其是在人工智能等前沿技術(shù)領(lǐng)域，如何有效提升專升本學(xué)生的人工智能素養(yǎng)和專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐能力，成為高校教育中的一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近幾年，人工智能技術(shù)的快速發(fā)展和多模式的產(chǎn)業(yè)形態(tài)對(duì)人工智能人才培養(yǎng)提出了新的需求，特別是具身智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的崛起，展現(xiàn)了巨大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Γ?］。具身智能技術(shù)通過將人工智能與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，賦予機(jī)器人類似人類的感知、決策和執(zhí)行能力，使其能夠在復(fù)雜環(huán)境中自主完成任務(wù)，如醫(yī)療、護(hù)理、家庭服務(wù)、娛樂、教育、生物技術(shù)、救災(zāi)等領(lǐng)域。隨著這些技術(shù)的不斷成熟，各大人工智能頭部公司正加大研發(fā)和量產(chǎn)力度，推動(dòng)具身智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用。然而，行業(yè)的快速發(fā)展也帶來了對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的迫切需求，尤其是具備具身智能技術(shù)的高素質(zhì)應(yīng)用型工程人才。這類人才不僅需要掌握人工智能的基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)，還需要具備跨學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備和創(chuàng)新能力，能夠?qū)⑶把乩碚搼?yīng)用于實(shí)際工程問題中，開展交叉創(chuàng)新研究。

一、人工智能專業(yè)專升本人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀

應(yīng)用型本科高校的人工智能專業(yè)以區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求為導(dǎo)向，致力于培養(yǎng)具有高度社會(huì)責(zé)任感和科學(xué)素質(zhì)的復(fù)合型人才。這類人才不僅需要掌握人工智能的基礎(chǔ)理論、應(yīng)用工程與技術(shù)，還需要熟悉人工智能相關(guān)的交叉學(xué)科知識(shí)，如數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)等，同時(shí)具備自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、溝通能力等綜合素質(zhì)［4］。對(duì)于全日制本科生而言，通過四年的系統(tǒng)學(xué)習(xí)基本能夠達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。然而，專升本學(xué)生的培養(yǎng)路徑與普通本科生存在顯著差異，其生源背景復(fù)雜、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊，這為人工智能專業(yè)的教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)［5］。要培養(yǎng)智能技術(shù)創(chuàng)新人才，需要在專業(yè)課程中探索行之有效的實(shí)踐教學(xué)模式和方法。這種探索應(yīng)促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)、課內(nèi)實(shí)踐與課外實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，以達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量、調(diào)動(dòng)學(xué)生自主實(shí)踐興趣、幫助學(xué)生提高工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

具身智能技術(shù)涉及人工智能、控制科學(xué)、信息與通信等現(xiàn)代工程專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，能夠與環(huán)境交互感知，具備自主規(guī)劃、決策、行動(dòng)、執(zhí)行能力的機(jī)器人或虛擬環(huán)境中的仿真人［6］。具身智能的實(shí)現(xiàn)依賴于人工智能領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、多模態(tài)感知融合技術(shù)、自然語(yǔ)言處理技術(shù)、因果推斷技術(shù)、移動(dòng)導(dǎo)航與規(guī)劃技術(shù)等［6］，這些內(nèi)容與人工智能專業(yè)專升本人才培養(yǎng)的課程體系具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。探索專升本學(xué)生學(xué)科知識(shí)多樣性的背景下，依托具身智能技術(shù)、結(jié)合行業(yè)的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)行之有效的提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)實(shí)踐能力的培養(yǎng)路徑和依托手段。

圖1 圍繞具身智能軟核心技術(shù)的人工智能專業(yè)課程

二、依托具身智能技術(shù)設(shè)計(jì)人工智能專升本人才培養(yǎng)路徑

以具身智能技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用為導(dǎo)向，將相關(guān)技術(shù)貫穿于專業(yè)基礎(chǔ)教育和專業(yè)創(chuàng)新教育的全過程，整體提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，具體包括課程知識(shí)路徑規(guī)劃、課程實(shí)踐路徑規(guī)劃和綜合競(jìng)賽任務(wù)規(guī)劃。

（1）圍繞具身智能軟核心技術(shù)設(shè)計(jì)人工智能專升本課程知識(shí)路徑。圍繞具身智能的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、多模態(tài)感知融合技術(shù)、自然語(yǔ)言處理技術(shù)、因果推斷技術(shù)和移動(dòng)導(dǎo)航與規(guī)劃技術(shù)，將技術(shù)細(xì)節(jié)融入專升本課程中，詳細(xì)設(shè)計(jì)每門課程與核心技術(shù)的銜接點(diǎn)、課程與課程之間的知識(shí)承接性。以多模態(tài)感知技術(shù)為例，通過多次的知識(shí)梳理和專家論證，專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程中均融入了多模態(tài)感知技術(shù)的內(nèi)容，如圖2所示。

圖2 圍繞多模態(tài)感知技術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)課程的目標(biāo)

通過“信息技術(shù)導(dǎo)論”讓學(xué)生建立對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)類型的基本認(rèn)知，在“人工智能導(dǎo)論”中，學(xué)生了解多模態(tài)感知在AI領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。通過“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握處理多模態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)算法框架，“計(jì)算機(jī)組成原理和操作系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)為多模態(tài)數(shù)據(jù)的高效處理提供硬件和系統(tǒng)層面的支持，“數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠有效管理和存儲(chǔ)多模態(tài)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，從“數(shù)據(jù)分析程序設(shè)計(jì)”課程開始，學(xué)生需要接觸多模態(tài)數(shù)據(jù)處理的具體編程實(shí)現(xiàn)?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”課程作為多模態(tài)感知技術(shù)的核心課程，為學(xué)生提供了處理多模態(tài)數(shù)據(jù)的各種智能學(xué)習(xí)算法。“數(shù)據(jù)可視化”課程幫助學(xué)生理解如何展現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，“智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”課程則需要學(xué)生將多模態(tài)感知技術(shù)整合到完整的智能系統(tǒng)中。

（2）在明確課程知識(shí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，圍繞具身智能軟關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)課程實(shí)踐路徑。對(duì)于人工智能專升本學(xué)生，要充分發(fā)揮多數(shù)學(xué)生動(dòng)手能力強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生在高職階段的知識(shí)和技能積累，循序漸進(jìn)地開展人工智能專業(yè)實(shí)踐，將五種技術(shù)有機(jī)融合，構(gòu)建一個(gè)完整的實(shí)踐體系。

以“計(jì)算機(jī)視覺”課程為例，課程實(shí)踐框架如圖3所示。第一階段的實(shí)踐主要聚焦于圖像處理和基本視覺任務(wù)，為后續(xù)融合其他技術(shù)奠定基礎(chǔ)。第二階段是計(jì)算機(jī)視覺的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，包括基于傳統(tǒng)視覺算法和深度學(xué)習(xí)的圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、圖像分割實(shí)驗(yàn)、視覺三維重建實(shí)驗(yàn)等，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)核心視覺技術(shù)的理解。第三階段結(jié)合自然語(yǔ)言技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像描述生成系統(tǒng)、基于視覺的問答系統(tǒng)等，使學(xué)生掌握視覺和語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化和融合技術(shù)；結(jié)合因果推斷技術(shù)，設(shè)計(jì)視覺事件序列分析實(shí)驗(yàn)、場(chǎng)景交互關(guān)系分析實(shí)驗(yàn)等，培養(yǎng)學(xué)生的視覺推理能力。

圖3 “計(jì)算機(jī)視覺”課程的實(shí)踐框架

（3）結(jié)合專升本學(xué)生專業(yè)能力分層明顯的特點(diǎn)和具身智能學(xué)科交叉的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)綜合競(jìng)賽任務(wù)，要求各專題組學(xué)生在軟件實(shí)現(xiàn)方面展現(xiàn)各自的學(xué)習(xí)效果。綜合競(jìng)賽任務(wù)，一方面，對(duì)學(xué)生圍繞具身智能所習(xí)得的知識(shí)、方法進(jìn)行綜合考查；另一方面，綜合任務(wù)對(duì)接國(guó)內(nèi)外相關(guān)競(jìng)賽和科技創(chuàng)新成果展示等活動(dòng)，作為課堂教學(xué)的延伸和拓展。以賽促教、以賽促學(xué)，能夠讓學(xué)生更好地了解技術(shù)革新的方向、動(dòng)態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)以及科學(xué)前沿技術(shù)等，開拓視野，進(jìn)而確立職業(yè)方向。

三、實(shí)施情況和成效

依托具身智能的人工智能專業(yè)專升本課程實(shí)踐教學(xué)改革從最初的探索到逐步完善，取得了顯著成效。

（1）創(chuàng)新能力的提升。通過近一年半的實(shí)踐，學(xué)生在創(chuàng)新能力方面取得了顯著進(jìn)步。最初，學(xué)生在面對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目時(shí)往往缺乏創(chuàng)新意識(shí)，習(xí)慣于沿用傳統(tǒng)方法或他人的解決方案。隨著具身智能教學(xué)的推進(jìn)和技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生逐漸學(xué)會(huì)了從不同角度思考問題，提出新穎獨(dú)特的想法和方案。依據(jù)問卷調(diào)查和跟蹤訪談的數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生在項(xiàng)目開發(fā)中提出的創(chuàng)新點(diǎn)從每人平均1.2個(gè)提升到每人平均3.5個(gè)，學(xué)生的創(chuàng)新思維得到了有效激發(fā)和培養(yǎng)。

（2）實(shí)踐能力的增強(qiáng)。在實(shí)踐能力方面，學(xué)生從最初的對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目信心不足，逐漸成長(zhǎng)為能夠完成智能系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，在實(shí)踐中靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決遇到的各種技術(shù)難題。根據(jù)系列課程的考核效果顯示，87%的學(xué)生能夠獨(dú)立完成項(xiàng)目中的模塊任務(wù)，這一比例的提高反映了學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、調(diào)試優(yōu)化等實(shí)踐環(huán)節(jié)上的顯著提升，具備了較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，為今后從事人工智能相關(guān)工作提供了有力保障。

（3）學(xué)科競(jìng)賽中的卓越表現(xiàn)。在學(xué)科競(jìng)賽方面，由本課程系列培養(yǎng)的專升本學(xué)生團(tuán)隊(duì)在近兩年人工智能類全國(guó)大賽中多次獲得國(guó)賽一等獎(jiǎng)。學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“居家臥床老人陪伴系統(tǒng)”，綜合運(yùn)用了人臉表情識(shí)別、人體姿態(tài)識(shí)別、多模態(tài)傳感器融合等技術(shù)，不僅在競(jìng)賽中脫穎而出，還獲得了某科技公司的投資意向。通過課程項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生團(tuán)隊(duì)已成功孵化多個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品。同學(xué)研發(fā)的“明智助手”虛擬人，融合視覺感知、語(yǔ)音識(shí)別和自主導(dǎo)航等技術(shù)，為視障人士提供出行幫助并已申請(qǐng)發(fā)明專利。這些成果充分證明了依托具身智能技術(shù)的課程實(shí)踐教學(xué)改革在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能、提升實(shí)踐能力方面的顯著優(yōu)勢(shì)，為人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了示范。

結(jié)語(yǔ)

基于具身智能技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，既服務(wù)于教育和社會(huì)需求，又促進(jìn)了學(xué)生自身專業(yè)能力的發(fā)展。下一步將隨著畢業(yè)生的職業(yè)發(fā)展情況、具身智能技術(shù)發(fā)展情況，不斷探索新的實(shí)踐活動(dòng)，并加強(qiáng)量化進(jìn)一步完善創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)體系。

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基金項(xiàng)目：寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院專升本人才培養(yǎng)校本研究教研專項(xiàng)課題“以具身智能技術(shù)為抓手的人工智能專升本人才創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)方法研究”（xyjy202435）

作者簡(jiǎn)介：何巖（1979— ），女，漢族，吉林梅河口人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)。