智能科學與技術專業機器人課程體系建設

汪 紅，唐 菀，劉 科

（中南民族大學 計算機科學學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著“智能+”概念的提出，我國在人工智能以及智能科學領域的研究必將迎來更加廣闊的空間，致力于國家智能人才基礎培養的智能科學與技術本科專業經過十余年的發展，已經逐漸形成了自己比較完善的課程體系。為了適應國家新時期的人工智能發展戰略，在中南民族大學2019 年本科培養方案中，為智能科學與技術專業圍繞“智能機器人”制定了較為完善的課程體系，以期該專業在機器人方向學生培養上有進一步提升。

1 智能科學與技術專業現狀

自2004 年北京大學首次建立智能科學與技術本科專業以來，經過15 年的發展，目前全國已經在各高校設立了151 個智能科學與技術本科專業，同時，在2019 年新建了35 個人工智能本科專業，使得智能教育家族更加龐大。在中國人工智能學會教育工作委員會智能科學與技術本科專業專業規范建議的指導下，各高校智能科學與技術本科專業的知識體系已經逐步完善，主要為國家培養具有良好科學素養，系統掌握智能科學與技術基礎理論和基本技能，能為國民經濟發展做出貢獻的智能技術相關人才[1]。近兩年，國家先后提出《新一代人工智能發展規劃》和“智能+”概念，極大地促進了智能相關產業的大力發展，同時使得相關專業的人才需求增大，對人才培養提出了新的更高要求。

2 智能機器人課程體系建設思路

智能機器人是一個智能化的載體，同時也是一門多學科綜合交叉的學科，主要涉及機械、電子、運動學控制理論、傳感檢測、計算機技術、人工智能等學科。經過充分調研，綜合考慮學科體系及專業教學、創新等多方面的發展需求，在2019 版培養方案制定過程中認真分析和權衡智能科學與技術專業機器人相關課程的設置，對智能機器人相關課程的體系化建設以及實踐環節進行改造，以滿足新工科形勢下課程教學的需求[2-3]，為培養具有創新思維和能力的復合型人才提供更加有力的支持。

在課程體系建設中，以智能化與機器人應用為導向，圍繞機器人的運動以及聽、說、看等開設機器人控制技術、機器人傳感技術、自動控制原理、數字信號處理等基礎課程，圍繞機器人思維設置自然語言處理、機器學習及深度學習、數據挖掘以及大數據分析、認知科學等專業課程。圖1所示為以智能機器人為核心的相關課程，其中實線框為專業基礎課程，虛線框為專業方向課程。

在此基礎上，將課程按照性質以及相互關系進行合理安排，對學生在每個學習階段提出具體的學習任務與要求。同時，采用項目驅動和以賽促學的模式，引導學生學習，激發學生的專業學習主動性與積極性[4]。各學期課程設置如圖2 所示。

圖1 以機器人為核心的課程體系

圖2 智能機器人課程體系

在具體實施過程中，強化理論和實踐的有機結合，通過豐富的實踐訓練培養學生綜合能力，讓學生從構建智能機器人開始逐漸認識復雜的智能系統，并進一步能設計與開發智能機器人相應的應用功能，從而掌握將智能科學理論與具體機器人工程實踐有機結合的開發與集成技術。

3 課程體系的具體實施

3.1 實施方案

以培養方案為指南，通過“以賽促學”模式驅動該方案的實施，圍繞深入培養學生實際動手能力，加強理論與實踐的緊密結合逐步展開[5]。分為三個階段。

1）參考學習階段，主要針對大一學生，他們通過參考高年級同學的設計案例快速提升自己。

在大一上學期課程結束時，學生已具備一定編程能力的前提下，通過自主學習的方式為學生提供寒假訓練項目，為大一下學期的學習做好準備。這個過程最重要的目的是使學生盡快完成高中向大學的過渡，提高學生的自主學習能力，同時為下階段的競賽訓練選拔人員。大一下學期設置了電子技術工藝實習環節，以分批開放的形式完成數字萬用表的組裝、單片機驅動流水燈、數字鐘和藍牙通信等5 個小項目，學生自己動手完成電路板的焊接、模塊電路的設計以及基本功能的測試，經過該環節的訓練，學生基本具備了構建簡單機器人（比如輪式機器人或者小車）的能力，為暑期的機器人相關競賽進行了人員準備。

此外，每年暑假都是學科競賽的黃金時期，基于平時賽前訓練，結合暑期的集中參賽，學生能夠迅速提升自己的專業能力。以世界機器人大賽中的格斗機器人賽為例，學生在一個月之內需要完成機器人組裝、調試、對抗等各個環節，需要應對比賽過程中的各種突發事件，整個競賽環節對學生綜合素質的提升非常明顯。

2）自主學習階段，通過參與創新項目的研究，學生能夠加深理論知識的感性認識，對學生綜合能力的提升更具意義。

對于大二的學生來說，經過了大一的課程學習以及第一個暑期競賽的歷練，更加明確自己的學習目標，能夠自主探究新知識和新技術，能夠根據自己的所思所想提出更多創新，并在此基礎上展開大學生創新訓練計劃項目的研究工作，這些項目不僅涉及機器人控制、傳感器技術等相關理論，而且還會涉及自然語言處理、機器學習、情感識別、數據分析等智能化更高的專業領域。

3）全面提升階段，學生對自己的專業發展有了較全面的認識，在專業導師的指導下確定個人規劃并實施。

通過兩年的專業課程學習以及競賽和創新項目的訓練，大三的學生在專業知識以及實踐能力方面已經得到了全面提升。這個階段，學生將明確自己的專業規劃，對于學習和研究的內容及目標有了更高的要求，他們會根據將來希望從事的工作或者深造的研究方向選擇更深入的學習內容和提升方式。比如有的學生把“機器視覺”作為研究方向，有的學生對“自然語言處理”投入更多精力，這樣有著明確目標的學習對他們將來在智能領域的發展都具有非常積極的意義。

3.2 實施成效

中南民族大學智能科學與技術專業于2012年獲批招生以來，經過了7 年的發展，已有4屆畢業生，從第一批畢業生的無所適從，到現在的供不應求，體現了社會對“智能”的認可，同時也是對多年來學生培養模式不斷探索成效的肯定。

通過由淺入深的課程設置，以及與之配合的實踐環節，學生在開放的實驗環境中充分發揮創新思維以及主觀能動性，在不同階段利用自身的知識體系制作出不同復雜度的機器人作品，如圖3 所示。

圖3 學生作品

根據3 個階段的課程設置，大一下學期學生可以完成簡單的尋跡小車的設計，比較熟練地制作小車，運用簡單的傳感器實現尋跡；大二制作的小車使用了語音模塊，采用語音識別技術實現了語音控制及交互；大三階段制作出多足仿生機器人，這個機器人除了運動控制更加復雜以外，還搭載了攝像頭和雷達等模塊，可以實現更加復雜的功能。

經過多年檢驗，“以賽促學”和項目驅動是非常有效的培養模式，學生在實驗室主動學習，并且形成了以老帶新的團隊，團隊成員無論是就業還是深造都有很好的發展。表1 為近幾年的部分成果。

4 結 語

中南民族大學于2012 年設立了“智能科學與技術”本科專業，目前已經有了4 屆畢業生，經歷了兩次培養方案的修訂，逐漸明確了自己的專業建設路線和人才培養目標。本專業以“智能機器人”為載體，通過開發機器人運動以及聽、說、看等功能為基礎，進一步實現機器人思維智能的設計與開發。經過多年探索，中南民族大學智能科學與技術專業在圍繞智能機器人的人才培養方面已經摸索出一套行之有效的模式，這種“以賽促學”和創新項目驅動的培養極大地激發學生的潛力，無論在就業還是在深造方面都有很好的積極效果。

表1 本專業創新項目以及競賽情況列表