“人工智能+電子信息工程”復合型人才培養(yǎng)模式研究

關鍵詞：人工智能；電子信息；教學模式；協(xié)同育人機制

0 引言

人工智能領域的突破性進展，使得各個行業(yè)都能夠很好地將其融合，各行各業(yè)對人工智能人才的需求也越來越高。在教育部政策的指引下，各高校根據(jù)自身實際情況，形成了許多特色鮮明的“人工智能+X”復合型特色專業(yè)，如“人工智能+自動化”“人工智能+機械工程”等。結合本校的實際情況，從課程體系建設、培養(yǎng)方案與教學方法、人才培養(yǎng)平臺和協(xié)同育人機制4個方面，對“人工智能+電子信息工程”專業(yè)人才培養(yǎng)體系進行深入研究[1]。

1 課程體系建設

根據(jù)當前“人工智能+”發(fā)展的整體趨勢，引入“人工智能+教育”等先進教學模式，遵循復合型“人工智能+”人才應具備的特征，構建面向“人工智能”的電子信息工程專業(yè)課程體系。該體系由通識課程、基礎課程、專業(yè)課程和實踐課程四部分組成[2]，如圖1所示。

1.1 通識課程

包括高等數(shù)學、C語言等課程，通過此類課程教學，強化和提高學生的數(shù)學基礎和C語言編程能力，為人工智能相關課程的學習打好基礎。

1.2 基礎課程

包括模擬電子技術、Python程序設計等課程，提升學生對電路的理解和認識，使其在教師指導下能夠排查一些簡單的電路問題。同時，開設Python程序設計課程，讓學生了解這門人工智能編程語言[3]。目前，主流的人工智能框架均采用Python作為編程語言，如谷歌的TensorFlow、Facebook的PyTorch和百度的飛槳框架。在這種背景下，學好Python顯得非常重要，但也不能操之過急，須循序漸進，一步一個腳印。Python 的學習應注重對基礎語法和函數(shù)的理解與應用，并能夠熟練書寫簡單程序。

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的課程?？刂婆c圖像類課程包括單片機原理與應用、ARM嵌入式系統(tǒng)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等課程，主要提升學生硬件編程能力和掌握圖像處理的專業(yè)知識；人工智能算法相關的課程包括機器學習、計算機視覺、深度學習和強化學習等課程，通過逐步提升課程難度的方式，讓學生循序漸進地理解和掌握人工智能基礎算法。這里主要以單片機原理與應用和ARM嵌入式系統(tǒng)的課程設置為例進行說明。

目前，電子科技企業(yè)的控制器主要以STM32為主，但STM32對于學生來說，直接上手的難度太大，主要有以下幾個方面的難點：

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

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

3） STM32涉及太多寄存器，無法全部記住，但也不能太陌生，否則容易無所適從，導致學習興趣全無。

4） 雖然STM32提供了很多標準庫函數(shù)可以調(diào)用，但無法全部記住，并且很多相似庫函數(shù)的使用方法也不一樣。

因此，在教學安排上把單片機課程設置在前，ARM嵌入式系統(tǒng)課程設置在后。讓學生從零開始學習單片機：

1） 首先教學生使用PROTEUS仿真軟件繪制出單片機最小系統(tǒng)的原理圖，這是最基礎也是最重要的，認識單片機電路的必經(jīng)之路。

2） 接著講述單片機的4個主要片內(nèi)功能組件：并行IO端口、定時器、中斷系統(tǒng)、串行通信接口，并配以仿真程序進行現(xiàn)場演示，生動形象，易于理解。

3） 在掌握單一基本模塊程序的基礎上，學會將多個模塊程序融合到一個大工程中，編譯調(diào)試，并通過實物驗證。一旦學生學完單片機課程，再去學習STM32就會變得容易很多。當然，這對上單片機課程的老師水平要求也是很高的。

1.4 實踐課程

實踐課程分為兩個方向，一是控制類課程設計，另一個是人工智能課程設計[4]?？刂祁愓n程設計主要是圍繞單片機和ARM展開，重點提升學生綜合應用能力[5]；人工智能課程設計包括機器學習課程設計、深度學習課程設計和強化學習課程設計，鞏固并提升學生對人工智能算法的理解和認識，進一步明白人工智能算法的重要性。

2 教學模式

針對當前傳統(tǒng)的線下教學模式存在課程內(nèi)容個性化不足和學習進度受限制等問題，引入混合式教學模式，做到線上教學與線下教學體驗相結合[6]。對于結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效果。

混合式教學模式的過程一般包含4個階段[7]：課前準備階段、線上學習階段、線下授課和課后評價四個階段。4個階段環(huán)環(huán)相扣、彼此依存、逐次遞進，形成一個高效的閉合教學回路，具體如圖2所示。

以單片機中的串口通信模塊教學為例進行說明：

2.1 課前準備

串口通信模塊的主要知識點有：

1） 串行通信采用異步收發(fā)的方式進行數(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 + 奇偶校驗位 + 停止位。

2） 串行通信遵循RS232協(xié)議，該協(xié)議包含5個要素：波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、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，波特率越大，數(shù)據(jù)傳輸速度越快。

3） 單片機中串口通信模塊的內(nèi)部結構框圖，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)送中斷標志TI和接收中斷標志RI的特點。

2.2 線上學習

學生在線上學習過程中遇到的問題通過平臺發(fā)送給老師。老師對問題進行分類和總結，串口通信模塊中遇到的問題主要有以下幾類：

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

2） 在串口通信中，為了更快地傳輸數(shù)據(jù)，通常將波特率值設置得較大，為什么在實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)送中斷標志和接收中斷標志清零？

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

2.3 線下授課

根據(jù)學生提出的問題進行引導式學習，并展開討論。以線上學習中的問題5） 為例進行說明：首先明確發(fā)送中斷和接收中斷共用一個中斷源，即同一時間只能處理一個中斷；接著解釋發(fā)送中斷和接收中斷是兩個不同的事件，這兩個事件的發(fā)生必定會有相應的變化；最后引出發(fā)送中斷標志位和接收中斷標志位。因此，只要在程序中判別是哪個中斷標志位，就可知道是哪個中斷對應的事件。

2.4 課后評價

對在線下授課中學生的表現(xiàn)進行評分和正面反饋，主要有以下幾種情況：

1） 對知識點理解較為透徹，緊跟教師思路，回答正確且觸及要點，并能進行擴展延伸的學生，屬于優(yōu)秀學生。對于此類學生，除了鼓勵外，還需引導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，但不能做到擴展延伸的學生，應鼓勵他們在學習前查找相關內(nèi)容進行預習，并且不能放松對自身的要求。

3） 對問題理解不深，甚至難以理解的學生，應積極鼓勵他們。強調(diào)“一遍就學會的人是不存在的”，學習是一個漫長過程，只要堅持反復觀看視頻學習，終會有所領悟。

3 協(xié)同育人機制

當前大學的理論教學和實踐教學環(huán)節(jié)與行業(yè)發(fā)展前沿存在脫節(jié)現(xiàn)象。教師的實踐經(jīng)驗停留在幾年前，沒有跟上行業(yè)發(fā)展進度。教學方式與專業(yè)實踐技能也無法滿足行業(yè)發(fā)展要求，高校實踐環(huán)節(jié)有限，學生在校內(nèi)接觸不到真實工作場景。

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

1） 學校定期組織專業(yè)骨干教師深入企業(yè)進行實習實訓，提升實際操作能力，并將企業(yè)中所學的知識和技能融入理論教學和實踐教學中，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)有更強意愿將一些產(chǎn)品研發(fā)項目分配給學校，由學校負責組建專業(yè)科研團隊來解決企業(yè)難題。更多教師將深度參與，并積極鼓勵教師帶領學生一起做科研。

3） 企業(yè)派遣有經(jīng)驗的員工將生產(chǎn)實際情況引入實踐教學，學校聘請具有豐富實踐經(jīng)驗的企業(yè)一線工程師，形成學校和企業(yè)之間的良性動態(tài)交流機制，使學生學習到專業(yè)發(fā)展的前沿知識。

4） 學校與企業(yè)聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案，企業(yè)積極參與實驗室建設、提供實習實訓基地、課程設置與教學資源建設、考核方式及相關制度建設等方面，培養(yǎng)企業(yè)認同的“人工智能+電子信息工程”人才，實現(xiàn)校企共贏的良性發(fā)展[10]。

4 結束語

本文從課程體系建設、教學模式和協(xié)同育人機制3個方面對“人工智能+電子信息工程”專業(yè)的人才培養(yǎng)體系進行了較為深入的研究。在課程體系建設方面，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；在教學模式方面，探索并實施多樣化的教學方法，以培養(yǎng)學生的學習習慣、思維方式、實踐操作能力和綜合應用素養(yǎng)；在協(xié)同育人機制方面，強調(diào)學校和企業(yè)的密切合作，通過聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案、共同建設實驗室和實習基地，以及企業(yè)導師的參與等舉措，共同培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的高質(zhì)量人才，從而實現(xiàn)校企共贏的發(fā)展目標。通過這些努力，畢業(yè)生將具備扎實的專業(yè)知識和技能，能夠迅速適應行業(yè)的發(fā)展需求，為企業(yè)提供強有力的人才支持。