實驗課程·專業(yè)實訓(xùn)·學(xué)科競賽金字塔式實踐教學(xué).doc

實驗課程專業(yè)實訓(xùn)學(xué)科競賽金字塔式實踐教學(xué) 李智勇，肖正，岳雄 （湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410082） 摘要：針對大學(xué)專業(yè)教育中普遍存在的高分低能狀況，以“用”為出發(fā)點，提出實驗課程專業(yè)實訓(xùn)學(xué)科競賽金字塔式實踐教學(xué)體系，闡述如何打通課程理論之間的聯(lián)系，自底向上從實踐動手、分析綜合再到發(fā)明創(chuàng)新分層逐步培養(yǎng)和提升學(xué)生的專業(yè)能力。 關(guān)鍵詞：實踐教學(xué)；實驗課程；專業(yè)實訓(xùn)；學(xué)科競賽 第一作者簡介：李智勇，男，教授，研究方向為智能計算、智能系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)，zhiyonglihnuedu。 0引言 大學(xué)作為直接為社會輸送人才的機構(gòu)，將人才“可塑性”和“可用性”作為大學(xué)教育的根本目的，因此培養(yǎng)學(xué)生的文化素養(yǎng)和專業(yè)能力成為大學(xué)教育最重要的任務(wù)，但由于中國傳統(tǒng)教育思想的影響，“高分低能”一直是中國教育面臨的一個嚴(yán)峻問題，而這一問題在高等院校更為突出。問題不解決，便達(dá)不到“可用性”的目的。 這一問題違背了大學(xué)教育尤其是工科類院校的初衷，越來越多的高校逐漸意識到該問題的嚴(yán)重性，開始進(jìn)一步關(guān)注實踐教學(xué)，壓縮理論教學(xué)的時間，輔以更多的實踐教學(xué)課時。“小學(xué)期”是這一趨勢的典型代表。這一變化將實踐教學(xué)的質(zhì)量問題提上日程，如何建立合理有效的實踐教學(xué)體系和安排實踐教學(xué)內(nèi)容是當(dāng)前高校不得不思考和亟待解決的問題。 1教學(xué)現(xiàn)狀及問題 我們以湖南大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例分析目前實踐教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題。 1.1課程教學(xué)體系 湖南大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)近3年的教學(xué)計劃中，要求學(xué)生畢業(yè)最低總學(xué)分為170分，圖1給出各類環(huán)節(jié)所占的學(xué)分比例，可以看出，專業(yè)實訓(xùn)（含畢業(yè)設(shè)計）只占總學(xué)分的16%，教學(xué)計劃側(cè)重理論教學(xué)，從學(xué)時分布來看，此偏重更為明顯。圖2分析了每個學(xué)期的課程教學(xué)學(xué)時情況，學(xué)生幾乎需要將所有時間放到課程理論學(xué)習(xí)上，被嚴(yán)重束縛，實踐教學(xué)形同虛設(shè)。 1.2現(xiàn)有實踐教學(xué)體系 在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)近3年的教學(xué)中，實驗課程有普通物理實驗和人工智能基礎(chǔ)實驗兩門。從學(xué)生完成該實驗課程的情況來看，大多數(shù)學(xué)生數(shù)據(jù)處理邏輯簡單，幾乎沒有運用模式識別、機器學(xué)習(xí)、智能控制等人工智能方法完成的作品。第6學(xué)期開設(shè)的實踐課程遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生熟練運用多門專業(yè)理論和方法的目的。 現(xiàn)在很多高校開始實施“小學(xué)期”教學(xué)日歷，設(shè)置為期1個月左右的集中實踐或者專業(yè)實訓(xùn)環(huán)節(jié)。前兩年的“小學(xué)期”是面向全院所有專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，而第3學(xué)年后的“小學(xué)期”安排專業(yè)綜合設(shè)計實訓(xùn)，訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)能力，如五子棋人機對弈項目可以大大提高學(xué)生對專業(yè)的興趣，但項目過于單一，僅涉及人工智能、模式識別、機器學(xué)習(xí)等課程，與人工智能實驗課程有重合的傾向，而諸如機器人學(xué)、智能控制等智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特色課程就沒有訓(xùn)練的機會，此外對比上一個硬件技術(shù)實訓(xùn)缺少能力培養(yǎng)的延續(xù)性。具備創(chuàng)新發(fā)明的能力是目前實踐教學(xué)甚少考慮的培養(yǎng)目標(biāo)。 1.3存在的問題 這種培養(yǎng)方案主要存在以下問題：實踐教學(xué)學(xué)時過少，學(xué)生實踐能力培養(yǎng)機會太少；理論學(xué)習(xí)任務(wù)過重，學(xué)生的雙手無法得到解放；實驗課程內(nèi)容設(shè)置不合理，課程理論與實際沒有有效結(jié)合；面向?qū)I(yè)的實訓(xùn)內(nèi)容單一，專業(yè)理論覆蓋面不夠；能力培養(yǎng)斷層，發(fā)明創(chuàng)新能力未涉及。 2金字塔式實踐教學(xué)體系 針對以上存在的問題，我們制定了新的培養(yǎng)計劃，圖3所示是xx年湖南大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)計劃課程時序圖?？梢钥闯?，不計實驗課程，每學(xué)期的理論教學(xué)課程減少到平均5門課程；實驗課程大大增加，從原來的2門增加到7門。新的教學(xué)計劃中實踐教學(xué)得到重視和加強。 另外，教學(xué)計劃的另一個特色是高年級的教學(xué)學(xué)術(shù)方向分組，根據(jù)信息科學(xué)與工程學(xué)院的科研優(yōu)勢設(shè)置了4個方向，將教學(xué)與科研有機結(jié)合。課程按組選修，增加了選修課之間的關(guān)聯(lián)性，使培養(yǎng)目標(biāo)更突出，令學(xué)生有的放矢。教學(xué)計劃也反映了實踐教學(xué)的體系結(jié)構(gòu)：針對重要的學(xué)門、學(xué)類和專業(yè)課程，通過專門開設(shè)實驗課程鞏固這些重要課程；接下來，通過專業(yè)實訓(xùn)將多門課程理論串聯(lián)起來；最后，擬提供豐富的學(xué)科競賽機會，對于學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)一步培養(yǎng)發(fā)明創(chuàng)新的能力。這3個層面形成了一個金字塔式的實踐教學(xué)體系，如圖4所示。越往上，能力水平越高；往下是必須具有的基礎(chǔ)能力。金字塔式的實踐體系體現(xiàn)了遞進(jìn)式的能力培養(yǎng)過程。通過該培養(yǎng)模式將能直接給社會輸送“可用”人才。 圖4給出了整個實踐能力培養(yǎng)的空間結(jié)構(gòu)。筆者將分別從時間角度詳細(xì)介紹3個層面的培養(yǎng)目標(biāo)和實踐內(nèi)容安排。 2.1實驗課程 實驗課程處于金字塔的最底層，目的是培養(yǎng)學(xué)生運用專門知識進(jìn)行動手實踐的能力，熟悉和鞏固專業(yè)基礎(chǔ)課程理論，為上層的能力培養(yǎng)打好基礎(chǔ)。這一能力是所有智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)合格大學(xué)生必須具有的根本能力。 程序設(shè)計和計算機系統(tǒng)設(shè)計是實現(xiàn)智能的手段和載體，因而第1學(xué)年和第2學(xué)年圍繞這兩個能力開展理論和實踐教學(xué)活動，開設(shè)了高等程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)字邏輯、計算機系統(tǒng)等課程，其中程序設(shè)計、數(shù)字邏輯和計算機系統(tǒng)3門課程實踐性較強，因此還配套設(shè)置了對應(yīng)的實驗課程。實驗課程與理論課程盡量同步開設(shè)，利用實驗箱對理論進(jìn)行驗證，加深學(xué)生對課程的理解。第3學(xué)年和第4學(xué)年面向計算機上層系統(tǒng)和應(yīng)用，操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)是典型代表，因而針對這兩門課程開設(shè)對應(yīng)實驗課程，這幾門實驗課程是學(xué)類核心課程。此外，教師還可圍繞智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的重點核心課程“人工智能”開設(shè)機器人實驗課程，讓學(xué)生基于NAO人形機器人、智能小車、RoboCode等設(shè)備軟件理解、熟悉和練習(xí)各種智能的算法和模型。從程序設(shè)計、計算機系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)和人工智能5個方面依次開展基礎(chǔ)實踐到專業(yè)實踐的培訓(xùn)，為上層專業(yè)實訓(xùn)作好準(zhǔn)備。 2.2專業(yè)實訓(xùn) 專業(yè)實訓(xùn)是隨著小學(xué)期的推廣而逐漸引入的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，未有成功的經(jīng)驗可以借鑒。5年中我們不斷地探索，在剛開始的2年采用“集中實踐+生產(chǎn)實習(xí)”的方式。集中實踐指在學(xué)校里進(jìn)行一些簡單的綜合設(shè)計，如軟件實訓(xùn)開發(fā)類似圖書管理系統(tǒng)的軟件。由于題目較為簡單和老套，學(xué)生興趣不高。生產(chǎn)實習(xí)是指和企業(yè)合作，將學(xué)生派往生產(chǎn)一線，這一想法初衷好但操作性低。因此，頭兩年的“小學(xué)期”成效不佳，于是取消生產(chǎn)實習(xí)，將集中實踐從2周延長為4周，增加項目難度，如xx年在第2學(xué)年實行的“STC單片機開發(fā)”和第3學(xué)年實施的“五子棋智能對弈設(shè)計”，難度適中，學(xué)生普遍反映較好。 這兩年取得的進(jìn)步給我們很大的啟發(fā)。第2學(xué)年的軟件實訓(xùn)結(jié)合最新的APP應(yīng)用引入Android開發(fā)，讓學(xué)生可以在自己的手機上展示作品，實現(xiàn)即所得，極大地激發(fā)學(xué)生的積極性；在已有的單片機開發(fā)上，提升設(shè)計的高度和難度，引入FPGA設(shè)計，讓學(xué)生全面學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)；最后，在智能專業(yè)綜合設(shè)計方面，將五子棋智能下棋程序打造成全院的一個競賽，結(jié)合專業(yè)最前沿的發(fā)展方向，進(jìn)而增加機器人開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，涵蓋智能終端、智能軟件、智能系統(tǒng)，提供較寬的選擇，充分發(fā)揮學(xué)生的一技之長。 2.3學(xué)科競賽 前兩個層次基本上完成了工程能力的培養(yǎng)，但創(chuàng)新才是核心競爭力。如何激發(fā)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的潛能也是實踐教學(xué)的任務(wù)之一。這一能力在以前的教學(xué)中甚少專門涉及，發(fā)明創(chuàng)新的能力是一道坎。 學(xué)科競賽是培養(yǎng)發(fā)明創(chuàng)新能力比較好的一個突破口，因此我們在實驗室建設(shè)過程中適當(dāng)考慮了對學(xué)科競賽的支撐，基于RoboCup足球機器人在協(xié)同對抗上創(chuàng)新，基于模塊化機器人在創(chuàng)意上立新，基于NAO機器人在自然語言處理上求新。目前，學(xué)生長期參加的學(xué)科競賽有RoboCup足球機器人中型組比賽、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計大賽以及全國電子設(shè)計大賽。教師應(yīng)為有志向和能力的學(xué)生提供創(chuàng)新平臺和條件，鼓勵學(xué)生參加高水平的學(xué)科競賽。 學(xué)科競賽組成了實踐教學(xué)的最后一環(huán)，面向科研，與研究生教育接軌；面向創(chuàng)業(yè)，為IT產(chǎn)業(yè)增添生命力。 3建設(shè)措施及成果 3.1實驗室配套建設(shè) 根據(jù)實踐教學(xué)的分層體系，目前已有的支撐該體系的儀器設(shè)備見表1，可滿足不同層次的用途需求。課程實驗的設(shè)備主要以驗證為主；實驗課程的設(shè)備需要學(xué)生動手實現(xiàn)算法和設(shè)計；專業(yè)實訓(xùn)的設(shè)備主要以提供平臺為主，讓學(xué)生自主搭建系統(tǒng)；學(xué)科競賽的設(shè)備一方面要滿足競賽需求，一方面可以應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究，具有一定的開放性。 針對學(xué)科競賽，我們已經(jīng)建立400m2的場地專門用作智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的創(chuàng)新和學(xué)科競賽實驗室。圖5所示為學(xué)生正在專心調(diào)試足球機器人。 3.2實踐教學(xué)代表性項目 1)電子產(chǎn)品的制作、測試及使用(STC-A實驗學(xué)習(xí)板)。 通過完成一個電子產(chǎn)品（STC-A實驗學(xué)習(xí)板）的制作、測試及使用，學(xué)生能夠全面了解電子產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)全過程以及質(zhì)量管理；實踐簡單的焊接技術(shù)，認(rèn)識基于處理器的電子系統(tǒng)的組成；學(xué)習(xí)電路調(diào)試及檢測能力，了解“STC-A學(xué)習(xí)板”的功能以及嵌入式系統(tǒng)的入門知識；擁有一個便攜式學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的實驗平臺，為今后的學(xué)習(xí)提供方向與幫助。 2)“智能杯”五子棋程序設(shè)計邀請賽。 該競賽在已給出五子棋平臺的基礎(chǔ)上（已有界面，無需自己編程界面），要求參賽者寫出五子棋算法。換句話說，就是設(shè)計五子棋的智商。五子棋看似簡單，實則包含各種變化，計算種種變化同樣需要強大的知識儲備。程序設(shè)計與五子棋結(jié)合既樸素簡單，又包羅萬象，同時通過對弈方式可以綜合多種人工智能理論和方法，反映出技能的高低。 3)足球機器人。 中國機器人大賽暨RoBoCup公開賽是中國最具影響力、最權(quán)威的機器人技術(shù)大賽。信息科學(xué)與工程學(xué)院從xx年開始連續(xù)參加了兩屆比賽，積累了一定的經(jīng)驗，已基本形成老帶新的格局。通過展現(xiàn)一個真實的機器人產(chǎn)品，可以讓學(xué)生感受本專業(yè)的特色和前景，提高專業(yè)的認(rèn)同感；通過動手改進(jìn)一個實際產(chǎn)品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識；通過這個比賽，期望學(xué)生能夠逐步達(dá)到自主研制復(fù)雜精密機器人的水平。 4結(jié)語 能力培養(yǎng)是大學(xué)教育的重中之重，而實踐教學(xué)是達(dá)成這一目標(biāo)的重要手段。實驗課程專業(yè)實訓(xùn)學(xué)科競賽金字塔式實踐教學(xué)體系符合能力培養(yǎng)的階梯性，涵蓋了動手實踐、綜合分析和發(fā)明創(chuàng)新3種能力。部分實踐教學(xué)項目得到較好的反響，為這一體系進(jìn)一步成熟化和規(guī)范化提供了動力。 下一步，我們擬主要從兩個方面進(jìn)一步推進(jìn)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實踐教學(xué)建設(shè)。一方面不斷提升從事實踐教學(xué)的教師水平，注重與行業(yè)接軌，跟進(jìn)行業(yè)的最新發(fā)展動態(tài)和專業(yè)技術(shù)并將其反映到實踐項目中，形成一個持續(xù)發(fā)展的良性生態(tài)；另一方面積極融人工程認(rèn)證的理念，為工程類學(xué)生今后走向世界提供具有國際互認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的“通行證”。實踐教學(xué)作為能力培養(yǎng)的重要手段，為了使其更加科學(xué)和規(guī)范，我們將參照工程認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，對各項能力的培養(yǎng)在實踐教學(xué)過程中有更明確的對應(yīng)，對能力的考核能更細(xì)致化。 參考文獻(xiàn)： 1別敦榮，張征世界一流大學(xué)教育理念