智能科學與技術專業本科實踐課程的建設

　　摘要：介紹南開大學智能科學與技術專業本科實踐課程的創新和建設，探討以課內實踐教學體系為基本、以課外學生自主科技創新和綜合競賽為補充，豐富教學內容，激發學生學習興趣。探索在課內專業實踐課程中采用固高教學實驗設備，結合自動控制課程設計實驗內容；在課外學生活動中組織本科生創新科研“百項工程”和“飛思卡爾”杯智能汽車競賽。實踐表明，課內和課外實踐教學的有機結合，培養了學生的創新能力和實踐能力，取得了良好的教學成果。
　　關鍵詞：智能科學與技術；實踐課程；教學創新；固高實驗設備；飛思卡爾智能汽車競賽
　　
　　
　　智能科學與技術專業是教育部于2004 年新增的目錄外試點專業，北京大學2004年首先建立此專業[1]，隨后全國很多高校開始籌備和設立此專業。南開大學2005 年獲得批準成立該專業，2006年開始招收學生。經過數年的努力，南開大學根據智能專業的特點和南開大學文理綜合為主的特色，設計了一種能夠充分發揮南開大學的理科優勢、并且帶有工程科學特色的學科建設方法和本科培養模式[2-3]。該專業開設的課程和教學計劃充分體現面向前沿高技術的特點，強調應用型、研究型、開發型的專門工程技術人才的需要，豐富實踐教學手段，把教學與實際應用、科研方向相結合，使本科生不僅能夠學習掌握基本理論知識，而且能夠得到較好的工程教育，具備較強的創新動手能力和社會適應能力。
　　實踐環節對工程應用型人才的培養至關重要。實踐教學由淺入深，包括演示性實驗、基礎技能實驗、原理驗證實驗、綜合設計實驗。演示性實驗以參觀和認識實習為主；基礎技能實驗訓練學生的基本工程技能，如C++上機；原理驗證實驗主要為專業課的實驗部分；綜合設計實驗讓學生進行多門課程知識的集成設計和靈活應用。
　　本文主要論述綜合設計實驗的創新和建設。南開大學智能專業的實踐教學內容分兩部分：課內的專業實踐課程和課外學生創新科技活動。專業實踐課程在形式上遵循傳統的“理論教學——實驗”模式，它主要作為自動控制等理論課程的后續實驗環節，幫助學生深入學習和掌握專業理論知識；同時，其課時和內容設置有較大改革，內容擴充、獨立成課。課外科047ee76ddb25885724a4ba83d6db3c96技活動以本科生創新科研“百項工程”和“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽為契機，鼓勵學生根據能力和興趣自愿參加，靈活利用課程理論知識自主設計和自己制作，完成多種創意作品。
　　1實踐教學的作用
　　實踐課程是本科教學中的重要環節，我們很難用量化的標準評價它的重要程度及它能對提升教學效果所作出的貢獻，而只能從本科畢業生就業和深造情況作感性的判斷。南開大學2010屆智能專業本科畢業生31人，有15人攻讀研究生、2人重新考研、14人進入各類科研院所、大型合資企業和國有企業[3]。2011屆本科畢業生35人，有17人攻讀研究生，5人出國、13人就業。從這些數據，絕大部分學生畢業后繼續進行科研方面的深造和工作。實踐課程能夠大力提升學生的動手能力、創新能力、應變能力和表達能力等基本素質，對學生今后的深造和工作有重要的影響。
　　我們對實踐課程的教學內容進行不斷調整和優化，在教學計劃中合理安排課內專業課程與課外科研活動，如圖1所示，我們力圖做到理論課程與實際科研活動緊密結合，在加強專業實踐課程的同時，積極擴展課外科技活動，引導學生參加創新科研“百項工程”。從2010年起，我們將“飛思卡爾”智能車競賽引入到學生的課外科技活動中，充分調動學生的學習積極性和主動性并不斷摸索和總結更好的實踐教學方法和手段。
　　2專業實踐課程
　　專業實踐課程是教學大綱內的一門重要實踐課。在第二學年和第三學年學習掌握自動控制理論知識之后，第三學年第二學期開始進行專業實踐課程。它的內容是在MATLAB/Simulink軟件環境中，利用自動控制原理、現代控制論等課程上學習到的理論知識，搭建控制模型，對固高公司的磁懸浮、三自由度直升機兩種教學實驗裝置分別進行控制，驗證PID(比例-積分-微分)控制、模糊控制等控制理論和算法。它與自動控制原理、智能技術、計算機技術等基礎理論課程有很密切的聯系，同時具有一定的獨立性，學生在實驗設計上有一定的自主性。課程實驗內容較多，總課時為36學時。由于理論指導課程自動控制原理已經在前一學年結束，本課程在課時上首先安排4課時對控制理論進行回顧與復習，然后安排16課時進行磁懸浮實驗、14課時進行直升機實驗，最后2課時采用展示和答辯的方式進行課程結果的檢查。
　　2.1實驗內容
　　專業實踐課程的內容是在MATLAB/Simulink軟件環境中搭建控制模型，對固高公司磁懸浮設備和三自由度直升機設備進行控制。通常的實驗順序是先對實驗設備進行分析、建模、仿真，在仿真環境中得到較好的效果后，再把控制模型應用到實際設備上進行驗證。
　　從課堂上的實際現象來看，由于仿真結果與實際設備之間有較大的偏差，加之學生對硬件設備有著強烈的好奇心，因此，他們沒有耐心先做仿真，或者是匆忙做一下仿真就開始在硬件設備進行試驗。PID控制器的優點是簡單易懂，不需要了解被控對象的精確系統模型也能得到很好的控制效果。因此，在專業實踐課上，不強求學生按照“先仿真再實際設備”的順序來進行實驗，而是允許他們先在實際設備上進行實驗，從實驗效果上來直接感受P、I、D三個參數對控制效果的影響。硬件設備控制成功后，再引導學生補做仿真，加深對控制算法的理解。“先實驗、再仿真”的實驗順序也使學生較深刻地理解了PID不需要精確了解被控對象物理模型這一優點，同時也有助于他們以后在實際工程中應用PID控制器。
　　2.2實驗分組
　　學生分組進行實驗。最初，由于實驗設備數量的限制，每組人數為4～5人，經過一段時間的教學，我們認為小組人數較多導致學生接觸設備的時間短，學習興趣降低。因此，我們確定2～3人為一組，分兩批次進行實驗。這樣小組內的學生有更多機會進行親自動手實驗，同時，小組的形式有利于學生間的討論和互相學習，在實驗設備數量有限的情況，這種合理分組形式能保障教學質量。
　　2.3實驗成果檢查
　　專業實踐課程的考查通過綜合評估實驗結果和實驗報告來評分。實驗結果可以直接觀察，磁懸浮設備使鐵球穩定地懸浮，直升機設備懸浮在固定的高度，并按預定速度水平旋轉。圖2是磁懸浮系統示意圖和實驗成果展示。
　　3課外科技活動
　　3.1創新科研“百項工程”
　　南開大學歷來重視學生課外科技活動，對此，我們實施本科生創新科研“百項工程”，為學生創新科技活動提供資金、人力和師資支持。其中重點項目的執行周期為兩年，一般項目的執行周期為一年。通常有超過50%左右的學生能夠通過“百項工程”跨專業地參加到各種創意小組里進行課外科技活動。智能專業的本科生通常在第二學年就開始進行“百項工程”項目的創意和申報，第三學年正式開始課題研究。項目的來源是學生自由創意和教師指定，其中自由創意主要由學生自己提出具有創新性的科研內容，教師指定是由教師抽取自己在研究項目中的一部分來形成適合本科生水平的科研題目。這兩類項目都是在學生自愿選擇的基礎上進行，學生的學習興趣普遍較高。
　　3.1 “飛思卡爾”杯智能汽車競賽
　　本科三年級學生的另一項重要的課外科技活動是全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽。它要求在規定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的微控制器作為核心控制模塊，自主控制模型汽車完成比賽任務。該競賽得到了教育部的大力支持，現已發展成全國26個省(自治區)、直轄市的300余所高校廣泛參與的全國大學生競賽[4]。每年舉行一次，第三、四、五屆連續被教育部批準列入國家教學質量與教學改革工程資助項目之一，今年是第六屆。該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科知識。南開大學開展此項競賽較晚，信息技術科學學院近一兩年已經開始重視，并從新專業建設費和本科生教學經費中撥款對“飛思卡爾”杯智能汽車競賽進行資金支持。
　　
　　智能車競賽課外科技活動安排在第三學年第二學期，此時，學生已經學習了計算機組成原理、自動控制原理、電路基礎、機械工程基礎、C++編程等專業課程，能夠獨立地進行智能車傳感器的設計和制作、單片機編程、路線識別和運動控制。同時可以結合課內的專業實踐課程，使用MATLAB/Simulink的工具進行數據采集和控制算法設計。
　　智能車競賽分為自由創意和競速比賽兩種。今年的創意賽模擬道路的行車、超車、倒車入庫等功能；競速賽要求通過增加道路傳感器、電機驅動電路以及編寫相應軟件，使模型汽車能夠自主識別道路，按照規定路線行進，以最短時間內走完規定路線的為優勝。由于競速比賽目標明確，學生們都偏向于選擇競速比賽，根據競賽要求分別采用光電、攝像頭、電磁三種傳感器實現對路徑的跟蹤。圖3所示為南開大學信息學院大三學生為今年比賽布置的模擬賽道和采用攝像頭、光電、電磁傳感器的賽車。
　　3.3課外科技活動的教學效果
　　課外科技活動在自愿的指導思想下進行，因此，學生的積極性、創新性很高。參加“百項工程”的學生每周約花費2小時、參加“飛思卡爾”杯智能汽車競賽的學生平均每周約花費3小時在相關的軟、硬件學習和動手制作方面。課外科技活動時間和學習量與一般的專業課程相當。
　　課外科技活動是有任務指向性的，有明確的目標，學生能夠主動地發現自己知識體系的欠缺并積極學習，靈活、綜合地運用各科專業課程知識來解決問題。例如，“飛思卡爾”杯智能汽車競賽的目標性更強，是全國性的競賽，因此更能激發學生的斗志。此外，“百項工程”和“飛思卡爾”智能車競賽每一個小組的資金需求通常不超過3000元。它們能夠以相對較低的資金投入在光、機、電等方面對學生進行較全面的實戰鍛煉，獲得較好的學習實踐效果。
　　4結語
　　多年來，我們在南開大學智能科學與技術專業在本科實踐課程中，持續采用課內實踐課程與課外科技活動結合的方式，積極探索和努力創新，如上所述，我們以機器人技術為核心，把課程實驗、開放實驗、課外科技活動等教學環節的內容有機結合起來，培養優秀的畢業生，而充分利用固高實驗教學設備、創新科技“百項工程”、“飛思卡爾”智能汽車等硬件資源，充分調動了學生的積極性和主動性，強化了學生的工程實踐意識和創新意識，培養了其綜合運用專業知識分析問題、解決問題的能力，取得了一定的成績。在今后的工作中，我們將不斷總結專業建設過程中的經驗和教訓，逐步完善教學計劃，積極推動智能專業軟、硬件教學環境的建設和教學創新。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 謝昆青. 第一個智能科學技術專業:回顧在北京大學六年來的創建歷程[J]. 計算