智能科學與技術專業特色方向的確立與課程體系構建

陳義明，劉桂波，張林峰，朱幸輝

（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙 410128）

1 確立專業特色方向問題的提出

2017 年7 月8 日，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》，將發展人工智能上升到國家戰略的高度。各高等學校以實際行動響應國家號召：2018 和2019 兩年共成功申報智能科學與技術專業（后簡稱智能專業）115 個，是之前智能專業總數的3 倍多。大量增加的智能專業有利于緩解人工智能人才供不應求的局面，但也給專業建設和人才培養質量的保證帶來了挑戰。

國務院通知要求高等學校既要培養能夠突破人工智能基礎理論瓶頸和關鍵共性技術，開發基礎支撐平臺的人工智能高端人才，也要培養能在制造、農業、物流、金融、商務、家居等重點行業和領域開展人工智能融合創新和應用試點示范，推動人工智能規模化應用，全面提升產業發展智能化水平的應用型人才。這要求智能專業既要教會學生智能科學的核心思想和理論，讓部分學生具有繼續深造和重大創新的潛力，也要結合地域和行業特色，讓智能科學與技術充分落地，為國民經濟建設服務。

智能專業是計算機大類下的特設專業，計算機類教學質量國家標準明確指出：國家建設需要不同類型的計算機類專業人才，每個專業點都有自身的特點；鼓勵各專業點在滿足基本要求的基礎上，準確定位，辦出特色[1]。

國務院通知和國家標準都明確要求智能專業既要滿足基本要求，又要辦出特色。中國人工智能學會教育工作委員會2014 年發布的智能專業知識體系與課程體現了這一要求，將智能專業知識分為專業核心層、專業平臺層、特色模塊層和認知與能力綜合層。核心層和平臺層是必須滿足的專業基礎，但特色模塊層沒有也不可能對所有的特色方向做出描述，只是給出了5 類[2]。雖然智能專業已經有將近20 年的辦學歷史，一些高校也做了一些探索，但是對于來自不同地域、不同行業和不同層次的大批新辦智能專業的高校來說，如何確定專業的特色方向是一個值得探索和研究的課題。

2 智能專業的性質與定位

《智能科學與技術專業知識體系與課程》（征求意見稿）定義人工智能為用人工的方法在機器上實現的智能，研究如何構造智能機器或智能系統，以模擬、延伸和擴展人類智能。智能科學與技術專業的知識結構如圖1 所示。

圖1 智能科學與技術專業的知識結構

智能科學與技術探索腦的結構和感知、認知機理，在機器上模擬實現人類智能。智能專業既有腦科學、心理學與認知科學等基礎學科的內容，也涉及計算機、傳感通信和控制等工程學科內容。北京大學的智能專業突出“以人為本”的腦認知，與心理生理結合，開展機器感知和機器智能等方面的研究，畢業生授予理學學位[3]。如果堅持“造飛機不一定要研究鳥”的思想，則智能專業的教學內容側重于以計算機為核心的相關工程學科，故計算機類專業教學質量國家標準規定授予畢業生工學學位。絕大多數高校都遵循這一標準，培養方案的主要內容為人工智能技術，按典型工程學科的思路培養人才。湖南農業大學沒有腦科學方面的研究，也沒有數理學科方面的優勢，結合農業信息化、生物信息學和農業機器人方面多年的積累，智能專業更適合培養工程型應用人才。

3 確定智能專業特色方向的目的與依據

確立和發展智能專業特色方向，一是要目的明確，二是要依據清晰。

1）確立專業特色方向的目的。

確立智能專業特色方向的目的有3 個方面：①為國家經濟建設培養各種各樣的所需人才；② 有利于發揮高校學科優勢，辦出特色，進而成為優勢專業；③有利于學生就業。

2）確立專業特色方向的依據。

（1）國家發展規劃和教育部指導委員會、專業學會的指導文件或質量標準是基本依據。國家發展規劃把建設人工智能學科作為當前的重點任務之一，要求：①設立人工智能專業；② 拓寬人工智能教育內容，建立人工智能專業類；③形成“人工智能+X”復合專業，建立人工智能專業群；④人工智能專業和現有專業交叉融合，建立IT 新工科專業體系。人工智能的學科體系如圖2 所示，4 個要求分別對應人工智能學科體系的核心層、衍生層、復合層和交叉層。

圖1 和圖2 為智能專業特色方向的確定提供了思路。在圖1 中，從感知、認知到推理和決策，智能生成的每個環節恰好可以作為一個專業方向，對應圖2 的衍生層。在圖2 中，人工智能與某個領域復合便會產生出一個應用方向，如智能制造、智能金融、智能教育和智能農業等。從智能科學與技術核心出發，選擇2～3 條合適的向外層擴張的路徑，涉及所有課程構成特色方向課程體系。

（2）學科先進原則。各校在選擇智能專業特色方向時，首先應考慮本校相關的優勢學科方向，使智能專業在優勢學科基礎上延伸發展，體現出特色，同時，智能技術的引進也將促進優勢學科的進一步提升。表1 列出了8 個較早開設智能專業的高校根據自己的優勢學科確定專業特色的實例。

圖2 人工智能的學科體系

表1 體現學科先進原則的部分高校智能專業特色方向

（3）地域優勢原則。地域優勢是指行業或者產業的優勢。智能專業特色方向的選擇緊密結合地域優勢，不僅是高等教育服務地方經濟發展的需要，更關系到學生的就業前景。

（4）寬口徑原則。擴大學生的知識面，將“小而窄”的專業口徑拓寬是解決畢業生就業問題的一個成功經驗。寬口徑知識面不僅包括通識知識，也包括體現特色方向的專業知識。一個好的特色方向應避免“口徑太窄”，適度“寬口徑”是必須考慮的原則。

（5）邊界適度原則。智能專業所選擇的特色方向可能與其他專業緊密相關，體現在圖1 的衍生層或者復合層，如智能機器人特色方向與機器人工程緊密相關，智能信息處理方向則與數據科學與大數據技術關系密切。處理好特色方向與相關專業課程的邊界、保持專業的區分度也是必須遵循的一個原則。

4 湖南農業大學智能專業特色方向與課程體系

湖南農業大學智能專業依托國家農村農業信息化示范省綜合服務平臺和湖南省農村農業信息化工程技術研究中心，圍繞作物精細化種植所采集的各種類型數據，包括遙感、無人機拍攝圖像視頻、高光譜和生物基因組實驗數據等，應用統計學和機器學習等技術開展模式識別和知識發現的研究工作，積累了豐富的經驗。湖南農業大學在油菜種植專家系統、農業植保無人機和農業智能機械等智能系統領域也具有不錯的優勢。結合這些學科和地域優勢，湖南農業大學的智能專業選擇智能信息處理和智能機器人兩個特色方向。

智能機器人特色方向主要以“智能”為中心，與機器人工程專業課程沒有太多的交集。以目前在機器人比賽中廣泛應用的NAO 機器人為例，除了通常管理計算機軟硬件的操作系統外，還有一個專為機器人設計的管理傳感器和運動控制的軟件層，稱為機器人操作系統（Robot Operation System，ROS）。該方向的學生只需理解“感知->思考->行為”的機器人工作原理，能夠在ROS平臺上生成和應用智能模型即可。智能信息處理方向與數據科學與大數據專業關系密切，但該特色方向僅要求了解大數據平臺，掌握相關的編程范型，回避大數據平臺的大量細節技術。

為了體現寬口徑的原則，筆者在選修課程中開設了Java 技術。有3 個方面的理由：①在整個智能專業課程使用Python 編程語言的情況下，通過Java 語言使學生掌握好面向對象思想；②在大部分企業應用系統和移動設備使用Java 技術的情況下，部署智能模型一般需要Java 編程；③Java 軟件開發仍然能夠吸納大量畢業生就業。

湖南農業大學智能專業兩個特色方向所對應的課程體系見表2。

表2 湖南農業大學智能專業特色方向與課程體系

5 結 語

基于人工智能技術的強大滲透性和國家人工智能戰略各種各樣的人才需求，目前大批建設的智能專業需要確立好專業特色方向，建立科學的課程體系。筆者提出了智能專業特色方向確立的途徑、依據和原則，給出了湖南農業大學的具體實施方案，為智能科學與技術專業的建設提供參考。