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机器人方向学习_智能科学与技术专业机器人课程体系建设

学校新闻 | 2019-11-01 | 标签:机器人,方向,学习,智能,科学,技术,专业,课程,体系,建设
0 引 言

随着“智能+”概念的提出,我国在人工智能以及智能科学领域的研究必将迎来更加广阔的空间,致力于国家智能人才基础培养的智能科学与技术本科专业经过十余年的发展,已经逐渐形成了自己比较完善的课程体系。为了适应国家新时期的人工智能发展战略,在中南民族大学2019年本科培养方案中,为智能科学与技术专业围绕“智能机器人”制定了较为完善的课程体系,以期该专业在机器人方向学生培养上有进一步提升。

1 智能科学与技术专业现状

自2004年北京大学首次建立智能科学与技术本科专业以来,经过15年的发展,目前全国已经在各高校设立了151个智能科学与技术本科专业,同时,在2019年新建了35个人工智能本科专业,使得智能教育家族更加庞大。在中国人工智能学会教育工作委员会智能科学与技术本科专业专业规范建议的指导下,各高校智能科学与技术本科专业的知识体系已经逐步完善,主要为国家培养具有良好科学素养,系统掌握智能科学与技术基础理论和基本技能,能为国民经济发展做出贡献的智能技术相关人才[1]。近两年,国家先后提出《新一代人工智能发展规划》和“智能+”概念,极大地促进了智能相关产业的大力发展,同时使得相关专业的人才需求增大,对人才培养提出了新的更高要求。

2 智能机器人课程体系建设思路

智能机器人是一个智能化的载体,同时也是一门多学科综合交叉的学科,主要涉及机械、电子、运动学控制理论、传感检测、计算机技术、人工智能等学科。经过充分调研,综合考虑学科体系及专业教学、创新等多方面的发展需求,在2019版培养方案制定过程中认真分析和权衡智能科学与技术专业机器人相关课程的设置,对智能机器人相关课程的体系化建设以及实践环节进行改造,以满足新工科形势下课程教学的需求[2-3],为培养具有创新思维和能力的复合型人才提供更加有力的支持。
在课程体系建设中,以智能化与机器人应用为导向,围绕机器人的运动以及听、说、看等开设机器人控制技术、机器人传感技术、自动控制原理、数字信号处理等基础课程,围绕机器人思维设置自然语言处理、机器学习及深度学习、数据挖掘以及大数据分析、认知科学等专业课程。图1所示为以智能机器人为核心的相关课程,其中实线框为专业基础课程,虚线框为专业方向课程。

在此基础上,将课程按照性质以及相互关系进行合理安排,对学生在每个学习阶段提出具体的学习任务与要求。同时,采用项目驱动和以赛促学的模式,引导学生学习,激发学生的专业学习主动性与积极性[4]。各学期课程设置如图2所示。

在具体实施过程中,强化理论和实践的有机结合,通过丰富的实践训练培养学生综合能力,让学生从构建智能机器人开始逐渐认识复杂的智能系统,并进一步能设计与开发智能机器人相应的应用功能,从而掌握将智能科学理论与具体机器人工程实践有机结合的开发与集成技术。

3 课程体系的具体实施

3.1实施方案

以培养方案为指南,通过“以赛促学”模式驱动该方案的实施,围绕深入培养学生实际动手能力,加强理论与实践的紧密结合逐步展开[5]。分为三个阶段。

1)参考学习阶段,主要针对大一学生,他们通过参考高年级同学的设计案例快速提升自己。

在大一上学期课程结束时,学生已具备一定编程能力的前提下,通过自主学习的方式为学生提供寒假训练项目,为大一下学期的学习做好准备。这个过程最重要的目的是使学生尽快完成高中向大学的过渡,提高学生的自主学习能力,同时为下阶段的竞赛训练选拔人员。大一下学期设置了电子技术工艺实习环节,以分批开放的形式完成数字万用表的组装、单片机驱动流水灯、数字钟和蓝牙通信等5个小项目,学生自己动手完成电路板的焊接、模块电路的设计以及基本功能的测试,经过该环节的训练,学生基本具备了构建简单机器人(比如轮式机器人或者小车)的能力,为暑期的机器人相关竞赛进行了人员准备。

此外,每年暑假都是学科竞赛的黄金时期,基于平时赛前训练,结合暑期的集中参赛,学生能够迅速提升自己的专业能力。以世界机器人大赛中的格斗机器人赛为例,学生在一个月之内需要完成机器人组装、调试、对抗等各个环节,需要应对比赛过程中的各种突发事件,整个竞赛环节对学生综合素质的提升非常明显。

2)自主学习阶段,通过参与创新项目的研究,学生能够加深理论知识的感性认识,对学生综合能力的提升更具意义。

对于大二的学生来说,经过了大一的课程学习以及第一个暑期竞赛的历练,更加明确自己的学习目标,能够自主探究新知识和新技术,能够根据自己的所思所想提出更多创新,并在此基础上展开大学生创新训练计划项目的研究工作,这些项目不仅涉及机器人控制、传感器技术等相关理论,而且还会涉及自然语言处理、机器学习、情感识别、数据分析等智能化更高的专业领域。

3)全面提升阶段,学生对自己的专业发展有了较全面的认识,在专业导师的指导下确定个人规划并实施。

通过两年的专业课程学习以及竞赛和创新项目的训练,大三的学生在专业知识以及实践能力方面已经得到了全面提升。这个阶段,学生将明确自己的专业规划,对于学习和研究的内容及目标有了更高的要求,他们会根据将来希望从事的工作或者深造的研究方向选择更深入的学习内容和提升方式。比如有的学生把“机器视觉”作为研究方向,有的学生对“自然语言处理”投入更多精力,这样有着明确目标的学习对他们将来在智能领域的发展都具有非常积极的意义。

3.2实施成效

中南民族大学智能科学与技术专业于2012年获批招生以来,经过了7年的发展,已有4届毕业生,从第一批毕业生的无所适从,到现在的供不应求,体现了社会对“智能”的认可,同时也是对多年来学生培养模式不断探索成效的肯定。

通过由浅入深的课程设置,以及与之配合的实践环节,学生在开放的实验环境中充分发挥创新思维以及主观能动性,在不同阶段利用自身的知识体系制作出不同复杂度的机器人作品,如图3所示。

根据3个阶段的课程设置,大一下学期学生可以完成简单的寻迹小车的设计,比较熟练地制作小车,运用简单的传感器实现寻迹;大二制作的小车使用了语音模块,采用语音识别技术实现了语音控制及交互;大三阶段制作出多足仿生机器人,这个机器人除了运动控制更加复杂以外,还搭载了摄像头和雷达等模块,可以实现更加复杂的功能。
经过多年检验,“以赛促学”和项目驱动是非常有效的培养模式,学生在实验室主动学习,并且形成了以老带新的团队,团队成员无论是就业还是深造都有很好的发展。表1为近几年的部分成果。

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