新工科背景下民族高校人工智能專業建設及創新人才培養探索

向 偉，黃勤珍

（西南民族大學 電氣信息工程學院，四川 成都 610041）

1 背 景

當下，中國正進行著如火如荼的“新工科運動”。雖然對于新工科還沒有明確一致的定義，但關于新工科的基本范疇與內涵特征，經過緊鑼密鼓的一系列活動和全國范圍內的廣泛討論之后，社會及相關行業人員已經達成共識。新工科要以新經濟、新產業為背景，新工科的建設，一方面要設置和發展一批新興工科專業，如大數據、人工智能、智能制造、機器人等，另一方面要推動現有工科專業的改革創新。自2017 年下半年以來，612 個新工科研究與實踐項目組成的30 個項目群正在加速推進[1-2]。

面對新一代人工智能的重大發展機遇，教育部于2018 年4 月頒發了《高等學校人工智能創新行動計劃》，將完善人工智能領域的人才培養體系作為三大重點任務之一，強調“要完善學科布局、加強專業建設、加強教材建設、加強人才培養力度、開展普及教育、支持創新創業，全方位綜合性地提出指導高校人工智能領域人才培養的指導方針”[3]。因此，如何培養人工智能領域的創新人才成為現階段的研究熱點。

2 民族高校普遍特點和人才培養定位及培養思路

2.1 民族高校的普遍特點

民族高校秉承“為少數民族和民族地區服務、為國家發展戰略服務”的辦學宗旨，肩負著為少數民族地區培養人才和培養少數民族人才的重任。民族高校的學生主要來自民族地區，少數民族學生占比超過50%，畢業之后有相當比例的學生回到少數民族地區工作。以西南民族大學為例，在校本科生27 000 余人，少數民族學生占60%左右；入學分數差異大，從300 到600 多分不等，這種生源的不平衡性和文化的差異性，使我們所肩負的為少數民族地區培養具有創新精神的應用型人才的任務更為艱巨。

2.2 民族高校人才培養定位和培養思路

民族高校在多年的發展中，人才培養思路逐漸清晰，既要遵循高等教育普遍規律，又要尊重民族高等教育特殊性。考慮到學校的社會責任和學生的實際情況，民族高校人才培養定位為培養適應民族地區經濟社會發展需要的高素質人才。因此，在人才培養過程中，要以民族地區實際需求為辦學依據，緊跟時代發展前沿，確定專業人才的培養方向，在這個過程中遵循現代高等教育的客觀規律，與時俱進，制定符合時代發展的培養目標和培養方案，培養寬口徑、厚基礎、實踐能力的強高素質應用型、復合型人才[4]。

2.3 民族高校人工智能人才培養的思路

民族高校人工智能人才的培養既要遵循民族高校人才培養的定位和培養思路，又要緊跟人工智能技術潮流和現代教育方法和理念，逐漸形成具有民族高校特色的人工智能人才培養的思路。以西南民族大學為例，在人工智能創新人才培養的過程中，根據自身特點明確人才培養定位和培養方向，為了突出民族高校的辦學特色，我們提出了“以民族地區需求為背景”來確定專業方向，“以工程認證標準為導向”“以課程改革為基礎”“以創新活動為依托”“以專業建設為目標”“以校企合作為平臺”為人才培養和專業建設具體實施措施。探索并實踐以電氣信息類專業為支撐，“自頂而下設計”的人工智能創新人才培養模式，逐漸建立面向民族地區應用的“產校地多主體協同”的新型專業融合育人模式，培養能夠服務民族地區的應用型人工智能創新人才，形成“智能+民族”和“軟硬結合”的專業特色。在新工科建設的大潮下，西南民族大學按照這種培養思路從2018 年開始以電氣信息類學生為基礎開設人工智能專項班，開展人工智能創新人才的培養，同時積極申請人工智能本科專業。

3 人工智能專業建設方案

為了在新工科背景下去建設好人工智能專業，在設計人工智能專業建設方案的時候，需要考慮以下問題：人才培養目標和畢業要求、專業方向設置、課程體系設計、實踐能力培養等。民族高校在建設人工智能專業的時候要從自身的特點出發，去設計人工智能專業建設的方案，確定專業方向和特色。

3.1 專業建設以工程認證為導向，設定培養目標和畢業要求

“工程認證”是全球工科專業建設的標準，其嚴格的認證機制能夠保證工科人才培養的質量。華盛頓協議對工程類本科生的能力要求主要有以下幾方面[5]。①在系統、工藝和機器的設計、操作和改進過程中，能夠應用數學、自然科學和工程技術知識；②發現并解決復雜工程問題；③了解并解決環境、經濟和社會與工程相關的問題；④具有有效溝通能力；⑤能夠接受終身學習并促進職業發展；⑥遵守工程職業道德；⑦能夠在當今社會中發揮作用。人工智能專業建設過程中，應該緊跟國際潮流，嚴格制定規范，一切的內容都以“工程認證”的標準為導向，保證培養合格新工科人才的規范性和有效性。

培養目標體現培養什么類型的人才，在工程認證的思想中，它是畢業要求和課程體系的指路燈。人工智能專業培養愛國進取、創新思辨，具備扎實的數理基礎知識、良好的外語水平和優良的綜合素質，掌握電子、計算機、通信和控制等多學科交叉知識，具有人工智能系統應用開發、實施或管理的能力，能夠在人工智能相關科研院所、高新技術企業從事技術和管理工作，能夠服務民族地區的應用型人才。

西南民族大學人工智能專業培養目標的特點可以概括為“重工程、偏應用、軟硬結合、服務民族地區”。“重工程、偏應用”是根據本校工科學生綜合素質的實際情況，培養具有較高素養的工程應用型人工智能人才；“軟硬結合”是以電氣信息類學科為基礎，融合人工智能類課程，培養“軟硬兼具”的綜合型人工智能人才；“服務民族地區”則體現出民族高校的社會價值。按照工程認證要求，在培養目標的基礎上，制定滿足工程認證要求的12 條畢業要求，并進行分解，強調工程應用和服務民族地區。

3.2 以民族地區需求為基礎，設定專業方向，突出“智能+民族”和“軟硬結合”特色

民族高校在制定人工智能人才培養方向的時候應從“為少數民族和民族地區服務，為國家發展戰略服務”的辦學宗旨出發，以少數民族地區的需求和自身的辦學優勢為前提，制定符合民族高校特點的專業培養方向。以西南民族大學為例，目前我校工科學生少數民族學生占比超過57%，他們中大部分人最終將回到民族地區服務。在民族地區，少數民族語言翻譯、高原動物養殖、高原環境監測等方面是非常需要智能技術支持的。基于此，我們依托川西少數民族地區和我校青藏高原基地，在少數民族語言智能翻譯和高原動物智能管理這兩個方向找到切實的應用需求。此外，依托我校“民族網絡輿情”團隊和“非線性系統與控制”團隊，可以在大數據和智能機器人方向找到應用需求。在此基礎之上，我們從應用需求出發，制定人工智能的科研方向，進而輻射到研究生和本科生的培養，以“自頂而下”的方式設定人工智能人才培養方向。設定機器視覺、機器翻譯、輿情大數據、智能機器人為我校人工智能人才培養的重點方向，突出人才培養為民族地區服務的特點，打造“智能+民族”的專業特色。

另一方面，很多高校在設定人工智能專業方向的時候，以計算機學科為基礎，是“偏軟”的人工智能。西南民族大學擁有多年的電氣信息類專業的辦學經驗，特別是“電氣工程及其自動化”“電子信息工程”和“通信工程”3 個省級“卓越工程師培養計劃專業”具有較為豐富的實踐經驗，硬件人才培養是其強項。因此，在設定專業方向的時候，西南民族大學人工智能人才培養以電子信息類專業為基礎，融合計算機學科，從單一的“硬件”型人才培養轉化成“軟硬結合”型人才培養，突出“軟硬結合”的特色，區別于“純軟”人工智能培養模式。

3.3 貫通工程教育鏈條，建立四級創新教學體系，強調實踐動手能力培養

按照培養目標、畢業要求和專業方向，構建課程體系，規劃課程內容。遵循“以問題為驅動、以項目為載體、以創新為目標”，貫通“課程實踐—前孵化器—后加速器—創新創業”的工程教育鏈條。按照工程認證標準開設“基礎型、設計型、綜合型、創新型”的四級教學體系。以理論課為基礎，強調實踐動手能力的培養。

（1）對于理論課程，為了培養學生的實踐動手能力，建立“3D”課程教學體制，開設多種多層次的課程設計，強調實際應用。其中，“1D”設計指的是以單門課程的知識點為基礎，實現單門課程的設計；“2D”設計則以多門課程綜合應用為基礎，以實現一個小型應用項目為目標，同時以創新競賽為載體；“3D”設計是基于項目的創新能力培養，以學科競賽、大創項目和參與教師科研項目為載體，完成一個相對完整的應用項目。實踐環節4 年不斷線，使學生由簡到繁，單一到綜合，競賽到項目，融會貫通掌握專業知識，逐步培養解決復雜工程問題的能力。具體教學模式實施方案如圖1 所示。

圖1 3D 教學模式

（2）以創新活動和創新團隊為載體，課內課外結合，加強實踐環節培養。西南民族大學歷來重視學生創新創業活動，跟電子信息類相關的有電子設計、智能機器人、智能小車和航模4 個創新團隊。其中智能機器人和智能小車與人工智能專業方向完全一致。在人才培養過程中，以課內實踐為基礎，把學生的課內實踐和創新活動相結合，在“3D”教學模式的基礎上，鼓勵學有余力的學生參加創新活動和競賽，給學生提供豐富的實踐平臺，通過參與創新競賽、大創項目，真正讓學生學以致用，理論和實踐緊密結合，提高學生對于知識的理解和實際應用能力。同時設置創新活動兌換實踐學分機制，課程實踐和創新活動相輔相成，真正提高學生解決復雜工程問題的能力。

3.4 深化校企合作，構建產學協同育人實踐應用的教學平臺

新工科一個重要的特征就是產學協同育人。西南民族大學電氣信息工程學院一直重視校企合作，多年以來開展的校企協作在“卓越工程師培養計劃”實施和學生實踐能力增強等方面發揮了重要作用，也為新工科建設提供了寶貴經驗。學院實施“走出去、請進來”的策略，中青年教師和學生“走出去”感受社會對人才的新需求，掌握最新的工程技術和管理經驗；同時把企業一線資深技術人員“請進來”到校授課和講座，特別是參與實踐類課程教學。這一優良傳統在人工智能人才培養的過程中將繼續保持，并將進一步加強和AI 企業的合作。目前已經與百度、科大訊飛開展了一系列的人才培養合作。百度公司“民族高校人工智能人才培養的協同育人項目”已開始實施，提供了AI 師資培訓，PaddlePaddle 框架已經在本科生教學中開始推廣使用。學校與科大訊飛簽署了人工智能專業合作框架協議，下一步將和更多的AI 企業合作，建立校外人工智能實訓基地，構建產學協同育人實踐應用的教學平臺，請企業導師全程參與課程設計和綜合課程設計，增強學生的實際工程應用能力。

4 課程體系設計

4.1 課程體系設置的原則和特點

課程體系設置以畢業要求為基礎，并切實體現畢業要求指標點。我們在設計課程體系的時候，旨在“夯實基礎，重視實踐”，強調解決復雜工程問題，突出“智能+民族”和“軟硬結合”的特色。專業畢業要求總學分170 學分，為體現培養應用型人工智能人才的目標，實驗和實踐學分占到總學分的30%左右。具體的課程體系平臺構成及學分列于表1 中。

西南民族大學人工智能專業課程體系體現出“四平臺四遞進”的特點。四平臺指的是通識平臺、文理基礎平臺、專業平臺和實踐平臺。四遞進是指以理論課程為基礎，輔以課程實驗，進階到課程設計，最后遞進到綜合課程設計[6]。

四平臺具體包括：

（1）通識平臺。主要包括各專業都開設的通識必修和選修課程，如政治理論、英語、體育、心理、職業生涯規劃等。

（2）文理基礎平臺。主要包括工科專業需要開設的基礎課程，如高等數學、線性代數、工程導論、三電課程、物理等。

（3）專業平臺。主要包括人工智能專業的必修課和選修課，如人工智能導論、機器學習、算法與數據結構、計算機原理等。

（4）實踐平臺。主要包括綜合課程設計、畢業設計以及各種實習。單門課程實驗和課程設計主要包括在對應的文理基礎平臺和專業平臺。

四遞進設計的初衷是為了提高學生解決復雜工程問題的能力，針對每門重要的專業基礎課和專業課，以課程理論知識為基礎，先開設課程實驗，在此基礎上開設課程設計，目的是提高單一課程的知識應用的能力；學習了多門專業課程之后，再開設相應的綜合課程設計，目的是能夠設計功能比較完整的智能系統，培養解決復雜工程問題的能力。

4.2 專業課程設置

在專業建設中，根據民族高校人工智能人才培養的定位，以民族地區需求為背景，設置符合“智能+民族”的專業方向，根據西南民族大學的實際情況，設置機器視覺、機器翻譯、大數據和智能機器人為4 個重點專業方向。為了突出“軟硬結合”的特色，除了通識平臺的課程外，其他3 個平臺的課程都包括了硬件類課程和軟件類課程，屬于本專業的基礎課和專業課。

文理基礎平臺主要包括數學和物理的基礎課以及三電課程，目的是讓學生打好數理基礎和硬件知識的基礎。專業平臺包括專業基礎課和專業課，主要包括計算機類、工程類和人工智能必備基礎課。其中，專業基礎的必修課包括人工智能基礎、機器學習、C 程序設計、算法與數據結構、計算機原理、信息論、信號與系統等。專業基礎的選修課則包括工程制圖與AutoCAD、電路工藝實踐、金工實習、電路計算機輔助設計、算法與數據結構課程設計、單片機原理與接口技術、單片機原理與接口技術課程設計、Java 語言開發、Java 語言開發課程設計、Unix/linux 環境編程、Python 語言及其應用。專業課則以4 個專業方向為基礎，按照專業方向來設置。根據應用人才培養的目標，重要的專業基礎課和專業課都開設了實驗及課程設計，強調以理論為基礎，強調技術的應用與實施。專業方向對應的專業課程見表2。

表1 課程體系平臺構成及學分

表2 專業方向和對應的專業課程

4.3 實驗與實踐教學體系設置

為培養應用型人工智能本科人才，提高學生的動手實踐能力，我們設置了不同類型的實踐教學科目，包括課程實驗、專業課程設計、綜合課程設計以及畢業實習和畢業設計，循序漸進，層層遞進，合理安排各種實驗和實踐活動。

（1）課程實驗。每門專業課程都設置一定比例的實驗課時，實驗課時與講課課時之比按不同課程的要求動態調整，一般在1∶4 和1∶2 之間。比如，大學物理、三電課基本上按照1∶3 的比例開設課程實驗課。C 語言程序設計按照1∶2開設實驗課。

（2）課程設計。針對重要的專業基礎課和專業課，都開設了課程設計。在理論課程開展的同一學期的后半期或者第二學期的前半期開設課程設計。比如，機器學習、算法與數據結構、嵌入式系統、Java 語言開發等都開設了課程設計。通過課程設計，使學生在實戰中加深對課程的理解，并創造性地完成課程設計任務。

（3）綜合課程設計。設置3 個綜合智能系統課程設計，難度逐漸遞增，從單一的偏軟的算法實現，到軟硬結合實現。讓學生切實動手和動腦去研究和應用人工智能算法，操縱智能硬件完成任務。

（4）畢業實習和畢業設計。實驗室承擔智能專業本科生的畢業實習和畢業設計任務，為學生順利完成畢業設計和畢業論文提供堅實保障。

5 結 語

今后還將通過民族地區需求調研完善專業方向，通過課程改革、教學方法改革提供教學質量，通過和行業優秀企業共建專業，提升學生實踐動手能力。積極探索新工科背景下民族高校人工智能人才培養的新模式和長效機制。