智能專業工程類人才培養實踐教學及其考核模式探究

許曉飛　陳雯柏　楊飛　劉玉威

摘 要：介紹智能專業工程類人才培養教育教學實踐探究，以法國工程師教育體系為啟發，結合智能科學與技術專業實踐教學平臺建設與教學實踐，研究和分析工程教育過程培養和能力達成度的評估考核模式，強調工程類人才培養目標能力達成度的考核模式實效性提高和創新機制建立推廣的緊迫性。

關鍵詞：工程類人才培養；實踐教學平臺；考核模式；智能科學與技術專業

0 引 言

提升解決實際智能工程問題的能力是智能專業工程類人才的培養目標。面向工程教育中目標能力達成度的實踐教學過程培養及其考核評估模式量化實效性的研究一直是很多學者關注的難點領域。筆者借鑒法國工程師人才培養教育模式，采用實際工程問題項目實踐教學法及其考核模式量化探究，包括實際工程問題項目理論解析、專業軟件建模和推演計算、搭建工程項目實驗系統驗證提升總結，從而為實現新型未來科技人才培養目標提供一種方案討論[1-6]。

1 法國工程類人才培養及其考核模式借鑒

目前，由于受到教學條件、教學環境和師資水平的限制，智能專業工程類人才培養教學以知識授受為取向，導致學生學習負擔過重，制約了學生創新能力的發展[6-7]。法國大學注重與企業合作，合作方覆蓋歐洲乃至全球的高科技企業，且法國的工程師教育積極地進行國際學校模式輸出。北京航空航天大學中法工程師學院的合作辦學模式值得借鑒和推廣，學院學習法國的工程能力化實驗考核體系，將北京市卓越工程師教育聯盟應用于國內高校工程類人才培養改革中來。

1.1 學生入學選拔考核簡介

筆者認真學習分析了法國教育體系，法國工程類人才入學選拔中不超過10%的高中畢業生有機會被選拔進入大學校（如Grand Ecole工程類學校）繼續接受教育。工程教育分兩個階段：預科階段（與高中合辦，相當于我國大學的基礎教育階段），預科（相當于我國大學的大一年級和大二年級階段）升工程師階段（類似于國內高校的碩士階段）。考試內容分為理論考試和實驗考試，經選拔每年只有約2 000人進入大學進行三年學制學習。

1.2 學生培養考核模式

法國預科教育注重深厚的基礎知識培養，采用小班教學，工科專業有數學、物理、化學、工業科學、法語、英語等課程，每學期30學分，每周30課時以上，包括數學（10課時）、物理（7.5課時）、工業科學（4課時）、化學（2課時）、計算機（1課時）、科研創新（2課時）、法語（2課時）、英語（2課時）以及體育（2課時），課堂上采取多次筆試和口試作為過程考核成績記錄。預科第一年的教學時間為35周，包括預科階段的工業課程實踐部分，完成實驗對象的建模、仿真分析和實驗驗證設計；第二年的教學時間為25周，包括假期海外交流，考核合格后成為工程師。

法國工程師教育的考核模式注重實踐能力量化考核。在一個月的考試周內，每場有5位評審教師（每人負責3位學生的考試），15個學生現場隨機抽取題目，題目有：①機械系統（葡萄分揀系統實驗平臺、電機加載及驅動綜合平臺、輔助機械手實驗平臺、助力自行車實驗平臺、四余度舵機實驗平臺）；②自動控制系統（停車場自動欄桿、血液采集系統、乒乓球包裝模擬生產線、太陽能電池板自動調姿系統）；③邏輯與時序（典型位移/速度伺服系統實驗平臺、機械伺服系統實驗平臺）；④工業系統機器人（Lego機器人、擬人機器人控制）；⑤工業系統中的計算機科學（飛行觀測控制實驗系統、信號處理系統綜合試驗平臺、汽車電動助力系統實驗平臺）；⑥工業系統中的數理技術（陀螺儀、球拍拉弦裝置、船舶導航操舵系統）等，見圖1。

1.3 教師培養考核模式

以法國工程師教育中教師資格證申請考試為例，該考試屬于對社會開放旁聽的國家級考試。教師通過物理、工業科學、語言能力等多種考試后，申請參加試驗考試，現場隨機從45個工業模擬系統工程題目中抽取1道考題。在4個小時內完成板書的書寫和驗證實驗系統的搭建；在45分鐘內面向3位評委講解實驗原理并演示實驗效果；20分鐘回答評委的提問；完畢后，3位評委合議給出這門實驗考試的綜合成績，見圖2。

2 智能專業的工程類人才培養及其考核模式探究

依據在學習和教學過程中對教學的系統評估、對學生結業考試考核模式的探究以及對學生就業職業能力成長的反饋數據分析評估，智能專業工程類人才培養需進一步面向人才市場需求，加強工程類問題的分析解決能力，尤其是復雜問題[1-4]。首先，直面智能專業工程師教育教師隊伍的建設和培養體系等規范化不足，開展校內培養和校外引進并舉；其次，學習借鑒法國工程人才培養體系，加強專業實驗室創新建設，設置卓越聯盟實驗室復雜問題，加強科學技術普及活動的深度廣度，實現智能專業工程類人才培養模式的探究。

2.1 專業實驗室創新建設與復雜問題案例教學實踐

北京信息科技大學智能專業工程思維培養要點有：①深入理解工程任務的邏輯步驟過程，放大工程任務所有細節，找準任務要素間的因果關系，排除存在bug，例如電子開關程序設計中，分別講解演示撥動式開關和點動式開關的機械結構，設置不同條件判斷；②積極動手搭建工程系統，組織專題交流會。智能專業實驗室建設的教學內容圍繞著參加學科競賽的創新能力培養，引導學生運用批判-分析性思維，見表1。

項目示例：定點停車

任務a設定：白色地板，黑色停車線，車頭光電傳感器指向地面。

已知光電傳感器對地板讀數為80，對停車線讀數為20。

任務要求：機器人前進至黑色停車線停車。

A：光電傳感器實時讀數

問題：請大家比較圖3與圖4的不同點，判斷哪個正確，分析程序流程圖設計中是否存在bug。

講解摘要：不同點是變量A的比較值，光電傳感器對停車黑線讀數為20，變量A設置與50進行比較，主要考慮工程實際問題，如機器人慣性作用力和地面摩擦力的綜合情況，依據實際場地調試情況設定，而圖3的方法不具有適應性，存在bug。endprint

復雜問題智能算法設計示例：特殊路徑規劃

復雜任務1：S形彎的設計更有利于智能車縮短完成行駛路段的時間。未優化的智能車行駛軌跡如圖5所示，但這并不是最佳方法，因為過分按照S形行駛既加長了行駛距離，又使智能車不斷搖擺而穩定性變差。最理想的方法是讓其不隨S彎轉動，直線通過S彎，理想的智能車行駛軌跡見圖6和圖7。

問題：請大家思考比較圖5、圖6、圖7的不同點在哪？

講解摘要：不同點是紅色路徑規劃曲線的不同，從快速經過黑線循跡，采取不同的路徑規劃算法，計算不同路徑規劃結果，圖7采用模糊控制以及自適應算法實現最優路徑規劃，算法復雜性體現在結合機器人的慣性作用力和實際場地地面摩擦力的綜合情況調試設定。

2.2 科學技術普及的實踐教學探究

智能專業結合工程思維培養的實踐性，采用科學技術科普社會教學實踐很有效。例如，組建機器人表演團，學校智能專業學生廣泛參與科普實踐活動，活動內容有：“精忠報國”機器人舞蹈組合出場；明星機器人“書童”的書法表演，毛筆寫出“北信科大歡迎您”，表演“隔空寫字”的穿戴數據手套無線控制機械臂系統；打著太極拳的NAO機器人；魔獸爭霸中的“DOTA”機器人；機器人運動員表演高爾夫、單杠、點球等游戲互動；家庭服務機器人和足球機器人。

2.3 項目實踐教學中學生考核模式探究

項目實踐教學中學生考核分7個步驟：①認識系統，教師會提供文字資料及試題詳細評分規則，并演示其中重要細節；②分析系統，需要學生綜合分析其功能、需求、結構組成，并向教師講解學習結果；③動手做實驗；④建立仿真模型并與實際進行分析比對；⑤解決問題，思考如何消除誤差；⑥設計一個新系統并優化；⑦總結、分析、展示、溝通，現場完成實驗報告并制作PPT。教師跟蹤學生進度，進行詢問和聽取疑問，對學生的表現進行評分登記，能力考核量化如下：

1）能力A：平臺工作方式的掌握。

①描述操作平臺的功能和結構；②能夠使用該平臺；③驗證并描述平臺設計者所應用的技術要點。

2）能力B：分析能力測試。

①明確需求和要求；②正確使用功能分析和結構分析，理解需要解決問題的機理；③說明模型與實際裝置的區別并批判性地核對結果。

3）能力C：實驗。

①明確或者修正一種實驗方案；②實施此項實驗操作；③分析實驗結果。

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：解決問題。

①掌握數字模擬的條件；②實施數字模擬；③解釋數字模擬的結果。

6）能力F：設計、選擇與決定。

①設計方案；②完善既存方案；③給出結論。

3 結 語

智能專業工程類人才培養的實踐教學及其考核模式探究主要借鑒國際工程教育中法國工程師培養體系，提出人才培養目標能力達成度的考核模式，提高實效性，建立推廣創新機制。下一步，智能專業培養模式將從實驗室平臺建設、實際操作性、過程評估考核的多維性和實效性等方面入手，建立更加具體詳細的培養考核體系，注重在創新實踐的過程中激發學生的興趣，由正向思維到反向思維的轉變，促進學生思維水平，提高其掌握新知識的質量與速度。

參考文獻：

[1] 王萬森， 鐘義信， 韓力群， 等. 我國智能科學與技術本科教育的現狀與思考[J]. 計算機教育， 2009（11）： 10-14.

[2] 斯騰伯格. 思維教學[M]. 趙海燕， 譯. 北京： 中國輕工業出版社， 2001： 49-50.

[3] 陳小虎， 劉化君， 曲華昌. 應用型人才培養模式及其定位研究[J]. 中國大學教學， 2004（5）： 58-60.

[4] 李慶豐， 薛素鐸. 高校人才培養定位于產學研合作教育的模式選擇[J].中國高教研究， 2007（2）： 70-72.

[5] 付延玲. 對高校實施創新性實驗的認識和思考[J]. 實驗室研究與探索， 2008， 27（4）： 12-15.

[6] 徐洪民. 加強條件平臺建設， 促進資源開放共享[J]. 實驗技術與管理， 2008， 24（9）： 154-156.

[7] 許曉飛， 陳雯柏， 吳細寶. 結合互聯時代人才需求的智能專業創新教學研究[J]. 計算機教育， 2015（10）： 54-56.

（編輯：孫怡銘）endprint