面向應用創新型人才培養的智能科學與技術專業綜合實訓探索與實踐

張新強，李家琦，周國順，韓 媞

（大連東軟信息學院 電子工程系，遼寧 大連 116023）

0 引 言

智能科學與技術專業綜合實訓作為專業培養方案中的一級壓頂石項目[1]，是對本科前三年所學專業知識和實踐能力的全面綜合。其設計是否合理，教學過程是否實施有效，學生是否提升了專業核心能力，直接決定了專業方案對培養具有社會責任感、創新精神、國際視野和較強實踐能力的應用型高級專門人才實現的效果，直接影響學生的就業。

1 實訓教學中存在的問題

傳統的工科院校實踐教學體系，僅僅是向學生提供實驗室原有的、分立的各種教學儀器設備來進行模擬實踐訓練，這種訓練模式難以使學生掌握本專業的核心能力和創新能力，距“綜合的、系統化的工程實景的訓練”還有較大的差距，畢業生到企業后還需重新進行專業技能培訓，遠不能滿足企業對人才培養的需求。

智能科學與技術專業屬于交叉學科，涵蓋了電子信息技術、計算機硬件和軟件、人工智能、自動控制等多項技術領域的應用[2]。如何保持實訓內容與時俱進，同時又使內容相對穩定，以保障在教育有限投入下的可實現性，一直是比較難解決的問題。只有解決了這個難題，才能解決受訓學生專業技能與用人單位要求的差距問題，進而解決學生就業問題。

TOPCARES-CDIO一體化人才培養模式下，如何設計實施綜合實訓以體現對智能科學與技術專業人才培養的壓頂石作用，如何在實訓中提升學生的專業應用能力和專業創新能力，完成應用創新型人才的培養，使學生達到用人單位的要求，解決學生的就業問題，是智能科學與技術專業綜合實訓教學中亟待解決的問題。

2 智能科學與技術專業綜合實訓實施方法

2.1 確定智能科學與技術專業綜合實訓核心能力體系

要確定專業綜合實訓的核心能力體系，關鍵在于正確把握社會對該專業人才提出了什么樣的能力要求。主要通過以下步驟：首先，通過調查智能科學與技術專業人才招聘要求，校企合作單位用人需求，在崗畢業生反饋，確定智能科學與技術專業就業所需的相關能力；其次，通過進一步梳理，明確所設專業與社會需求對應的層次及能力結構，得出就業所需核心能力，作為實訓教學實施的能力層面設計的內容；最后，學生工作后，根據學生和用人單位的反饋，不斷對能力體系進行修正，迭代完善。圖1為多方合作制定能力體系及課程內容示意圖。

圖1 多方合作制定能力體系及課程內容

2.2 合理設計智能科學與技術綜合實訓內容

專業綜合實訓的設置，不是對培養方案中已有課程的重復，而是對教學內容的一種整合。充分吸收廣大師生和用人單位的意見，研究制訂實訓課程標準與教學內容，還要考慮到學生知識、能力的實際差異，以滿足不同層次學生的需要，同時內容上做到與時俱進（2015年至2017年為TurtleBot移動機器人走迷宮，2018年升級為TurtleBot移動機器人與Kuka工業機器人協同智能制造）。最后，做好對畢業生的跟蹤調查，及時獲取用人單位對學校畢業生的需求信息和使用情況的反饋信息，對專業綜合實訓做出相應的調整。

智能科學與技術專業綜合實訓的教學師資全部是有企業產品開發經驗的教師。實訓內容由課程組的老師根據真實項目研發流程，依據學生水平，結合學生知識基礎（先修課）定制。目前實訓基于智能制造場景如圖2所示，TurtleBot移動機器人從物料倉庫由Kuka工業機器人裝載物料（3D打印的多種幾何體），然后到達必經通道，識別手寫體數字，按照約定的號碼處進入4x4迷宮，從迷宮出口出來后，到達生產流水線處，Kuka工業機器人通過機器視覺完成物料識別，進而抓取物料放到相應的流水線。整個項目結合移動機器人與工業機器人，學生需要完成物料處Kuka工業機器人編程，完成移動機器人的定位導航及目標識別，以及生產流水線處基于機器視覺控制Kuka工業機器人完成物料的分揀。學生需要完成系統的需求分析、系統設計、軟件實現、系統集成與調試和系統測試，同時完成項目報告。實訓項目實施的中間環節，學生可以進行自主命題發揮。

這種真實開發環境的構建，提供了適當的問題情境、外部潛在刺激，由認知學習理論可知，學生的自定目標是學習的重要促動因素[3]。這種實施過程的自主命題發揮促進了學生學習效果以及應用創新能力的提升。

2.3 注重專業綜合實訓的教學方法和組織形式

教師在充分研究授課內容在專業培養目標中的作用和與學生日后工作結合度的基礎上，采用以真實的工作任務為依托的項目教學方式，創造使學生充分發揮潛能的寬松環境，創設盡可能真實的職業情景，使學生置身其中，積極主動地去探索、嘗試、創新。同時積極采用“仿真實驗與實體實驗相結合”[4]的實踐模式，進行課上課下一體化教學。項目過程環節進行開放性命題，引導學生被動學習轉向主動學習，激發學生組內合作，組間競爭，進行個性化命題發揮，充分激發個人的創造力。

圖2 TurtleBot移動機器人與Kuka工業機器人協同智能制造示意圖

2.4 檢驗學生能力的綜合實訓考核

考核方式包括形成性考核和終結性考核，在成績的權重上更注重過程性。整個實訓項目在教學過程中被分解為一系列小的單元項目，每個單元項目有一個過級目標，只有考核通過才能進入下一個單元，各單元考核為形成性考核。終結性考核方式包括報告撰寫、系統演示、項目答辯、題庫抽題口試等，不進行傳統的閉卷考試。在考核主體的確定上，突出多元性，如教師評價、自我評價、小組評價等。

3 智能科學與技術專業綜合實訓特色

3.1 采用能力培養與教學內容分層設計的方法進行實訓教學設計

智能行業技術發展日新月異，不斷有新技術產生，為了使學生更好地就業，要求實訓的內容必須不斷更新。從教育角度看，課程內容只有經過相對穩定的沉淀積累才能有好的教學效果，所以這兩方面是矛盾的。這個問題在專業人才培養角度看也是個難題，實訓作為壓頂石項目，處在人才培養出口，問題更加急迫。采用實訓能力與內容分層設計方法，在保障培養工作需要的相對穩定能力的前提下，有選擇地改變實訓內容。而內容的選擇可以根據能力與內容的對應關系，選擇一段時間內相對穩定的技術作為教學內容，這樣也符合教育的自身特點，同時也能控制教育的投入。這項方法實現了智能科學與技術專業綜合實訓教學平臺的軟切換（2015年至2017年為TurtleBot移動機器人平臺，2018年升級為TurtleBot移動機器人與Kuka工業機器人聯合平臺）。

3.2 課內課外一體化實踐模式突破了傳統教學學時的限制

使用ROS系統和Gazebo軟件進行項目預研仿真，寫一次代碼，不需要修改即可在仿真平臺和實體平臺上分別運行，學生可以清楚地看到運行的現象或結果，從而迅速理解和掌握機器人的工作原理以及機器人的一般開發流程、方法。這樣對于學生來說相當于有了隨身的移動實驗室，學生可以隨時進行實驗，而到了實驗室，可以使用實體機器人進行驗證，引導學生進行課上課下一體化學習實踐[4]。學生可以根據自主命題的項目設計，進行個性化實驗完成開發，學生在實踐中不但能鞏固已學到的知識，更重要的是能根據所學的知識發揮創新和創造力來完成自主命題項目，從而使自身專業應用能力和專業創新能力得到提高。

3.3 建立了專業綜合實訓與社會需求的良性聯動機制

專業綜合實訓核心能力體系的確定建立在對社會需求的充分調研基礎之上，同時根據畢業學生用人單位的反饋信息進行不斷修正，使學生通過實訓能在畢業前就達到用人單位的專業技能要求，真正實現零距離對接。此外，通過發達的社交手段（網站問卷，微信，QQ，微博等），實訓課程組定期與畢業學生、校企合作單位、兄弟院校進行交流，相比傳統走訪大大提高了效率。

4 結 語

我校于2012年經教育部批準設立智能科學技術專業，同年開始報收第一批學生。學校將應用型人才作為人才培養目標，應用創新型人才培養是我校智能科學技術專業課程體系中的重要指標與特色。學校構建實施的TOPCARES-CDIO一體化人才培養模式強調培養高素質應用型人才的實踐能力。TOPCARES-CDIO項目劃分為5級，其中一級項目(綜合項目)是指包含本專業主要核心課程和能力要求的綜合項目，重點培養學生的專業核心能力[1]。在大學前三年的實踐學習基礎上，實施壓頂石項目（10教學周共200學時），全面強化學生的專業實踐技能，這等于讓學生在畢業前就擁有了“工作經驗”。

我校智能科學與技術專業綜合實訓，從2015年開始，已經實行4輪。經過幾年的實踐改進，探索出一套面向應用創新型人才培養的切實可行的實訓方案。基于智能制造工業應用背景，學生在實訓過程中結合先修課程所學相關知識，在真實機器人開發過程中，提升了專業應用能力。采用開放性命題方式，學生發揮創新意識，使用多種方案完成移動機器人的導航，如使用單目視覺、雙目視覺、RGBD傳感器以及二維激光傳感器等。特別是在今年移動機器人與工業機器人協調場景中，增加了基于機器學習完成分類的環節，學生可以使用不同的算法完成識別分類。學生通過實訓掌握了機器人系統的開發方法、流程，提升了學生的應用能力、專業創新能力，促進了學生就業。這些作品還作為實踐作品成果展示給大家，極大地鼓舞了學弟學妹們的學習熱情。