時間：2023-03-21 17:03:31
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關鍵詞:智能科學基礎;系列課程;國家級教學團隊;改革;建設
在國家教育部質量工程的支持下,中南大學信息科學與工程學院對國家級精品課程人工智能[1-2]和智能控制[3]、全國雙語教學示范課程人工智能和國家級智能科學基礎系列課程教學團隊[4]等進行持之以恒的改革與建設,取得一些成果。
“智能科學基礎系列課程教學團隊”的教學隊伍是一支由國家級教學名師領銜[5],知識結構、梯隊結構和年齡結構比較合理,具有明顯的學科優勢、課程優勢、人才優勢和教學科研優勢的頗具特色與影響力的教學團隊。該團隊以中南大學智能科學研究中心為核心,主要承擔人工智能基礎、智能控制導論、機器人學、專家系統等本科基礎和專業基礎課程,碩士學位課程人工智能、智能控制和機器人控制技術以及留學生碩士學位課程Artificial Intelligence和博士生學位課程智能系統原理與應用的教學。
教學團隊在建設過程中,注重教學改革,加大課程建設和教材建設力度,不斷改進教學方法,在課程改革、教材建設、教學手段、隊伍建設以及交流合作等方面取得一些進展。本文擬就教學團隊的改革與建設的相關理念與實踐問題加以總結,談談我們的見解。
1創新教學方法
教學是教師的本職和核心工作。本教學團隊一直致力于教學方法與教學模式的改革與創新,虛心學習國內外先進教學經驗和方法,積極探索教學新路,形成了“以趣導課、以疑啟思、以法解惑、以律求知”的教學模式和教學方法[6-7]。充分激勵學生的學習積極性和主動性,發揮獨立思考和創新思維,多方位培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。我們在教學過程中應用了課堂演示、課堂互動、課堂辯論、課后網絡教學、網絡實驗等一系列現代化全方位的教學新模式。此外,為提高學生的動手能力和理論水平,讓學生直接參與部分教師課題,理論聯系實際,為畢業后的工作學習打下良好基礎。具體措施如下:
1) 舉行課堂討論會,營造自由探索氛圍。
為調動學生的積極性,我們在授課過程中多次開展課堂討論會和辯論會等活動,讓學生自己查閱資料,分析整理,提出自己的觀點,使學生全方位地接觸所學課程,培養學生的研究能力,真正實現師生互動,并鼓勵學生用英語討論。學生對有些問題展開了激烈的爭論,激發了學習潛能,明確了學習目標。課程中還經常請來在科研工作中擔任主要任務的教授和博士生來給學生介紹最前沿的科學動態,激發學生們對所學知識和科學研究的興趣。在研究生教學方面,我們更進一步通過舉辦課程課堂學術研討會,讓學生在一年級就開始接觸學科前沿,自己查閱資料和動手寫科技論文,并在研討會上宣讀討論,培養獨立工作能力和從事學科前沿研究的能力,為將來的高層次研究打下基礎。
2) 倡導啟發式教學,培養學生學習能力。
注意采用面向問題的啟發式方法進行教學,啟發學生求解問題能力,強化學生的參與意識,提高他們的學習積極性。教學中還注意采用了多種交互式策略,如課堂教師提問、鼓勵或指定學生用英語提問、學生就某個知識點進行主題發言后老師點評等。此外,師生通過互聯網進行交互,方式包括Email、BBS和QQ談和交換文件等。
根據學生的興趣和創新潛力,對有專業特長的本科生,在自愿情況下,挑選2～3名參與國家級項目研究工作,進行中長期培養試點,實現本科培養過程與碩士、博士研究生培養過程的銜接。
3) 增強課程實驗教學環節,籌建智能專業實驗室。
智能科學基礎課程的概念性較強,初學者感到比較抽象,而實驗教學又是薄弱環節。因此,結合學生實際情況,我們對實踐教學環節十分重視,設計了一些新的實驗項目,探索新穎的實驗方法。新開實驗項目包括人工智能實驗、智能控制實驗、專家系統實驗、機器人學實驗、人工智能課程設計等。對相關課程的原有實驗,我們也進行了一些改革,增設了個性化的實驗,使得學生的實驗數據和實驗結果分析既有格式要求,又給學生報告自己研究的過程和結果留有空間。這些做法能夠鼓勵學生進行獨立性研究,滿足他們學習的需求。通過實驗教學,學生能夠理論聯系實際,驗證所學理論知識和概念,加深理解,充分調動了學生的學習積極性,培養了他們的創造能力。
除課堂實驗外,我們還充分發揮虛擬實驗的優點,設計了網絡虛擬實驗,讓學生在課外上網練習。通過虛擬實驗,學生可以了解算法的具體運行過程,調整參數和過程,并進行驗證以加深對知識的理解,提高學習興趣,從而達到教學目的。
結合科研,購進和自制部分新設備、新系統,計劃建設智能專業實驗室,為教學提供更多的優良實驗設備。例如,已研制“中南移動一號”和“中南移動二號”自主移動機器人共7臺,已購進RCB-1型教學機器人20套等。
教學團隊教師還指導學生參加全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽活動、大學生創新性實驗計劃及創新教育計劃項目等,取得優秀成果。
2推進課程改革
教學改革是課程建設和學科發展的生命線。我們把國家級精品課程和全國雙語教學示范課程放在優先建設的位置,并以它們帶動其他課程建設,完善系列課程建設,同時新辦了智能科學與技術專業。
2.1搞好精品課程建設,改進雙語示范課程教學,穩步推進系列課程建設
本團隊著力搞好已有的2門國家級精品課程、1門全國雙語教學示范課程,更新精品課程網站,豐富課程內容。為了及時反映上述課程中相關科學技術的最新進展,我們調整了教學體系和教學內容,修訂了教學大綱,并對教學內容進一步優化和更新,極大充實了各課程教學內容。同時,通過校際教學活動和網上資源共享對精品課程、雙語教學示范課程進行交流和推廣,起到較好的輻射作用[8-9]。
為加強精品課程建設,完善和拓展課程體系,在總結現有精品課程的建設經驗的基礎上,又建成省級精品課程1門,校級精品課程1門。
為提高學生的專業英語水平和學習興趣,使得學生能夠開拓眼界,追蹤國際前沿科學研究,本團隊長期對雙語教學進行研究和實踐。除改進人工智能雙語教學示范課程外,團隊承擔的其他課程,如智能控制、機器人學、專家系統、數據結構等也實行了雙語教學,并為該課程引進英文輔助教材。例如,對人工智能課程,我們先后采用Nilsson和Russell等編著的國外影響較大的英文原版教材作為主要教學參考書[10-11],供學生學習參考。在雙語教學中,一般以漢語講授為主,英語為輔,并對一些關鍵詞同時用漢語和英語表示。對部分章節或某個專題,采用純英語教學或以英語為主漢語為輔的教學。對PPT課件的編寫分為純漢語、純英語和英漢混合幾種方式。英語教學比例要根據教學內容和學生英語水平而定,其檢驗標準是學生的接受程度與學習效果,根據這一點來適時調整雙語教學中英語對漢語的比例。
通過教改實踐,我們承擔的智能科學基礎課程逐步形成為具有明顯特色的課程體系。我們講授的課程從智能科學的基礎課程到專業基礎課程,再到專業實踐課程,形成了配置合理、特色鮮明、循序漸進、優勢互補、協調發展的智能科學與技術學科從基礎到應用的系列課程體系。
2.2新辦智能科學與技術專業
智能科學與技術是當代科技發展的前沿學科和重要組成部分,其人才需求日益增加,超出了目前高校的培養能力[12]。我校的智能科學與技術學科方向經過近20年的發展,已形成了具有自身優勢和特點的學科,在國內具有一定的知名度和優勢。為了促進智能科學與技術學科的發展,經過多年積極準備,我們于2009年申報了智能科學與技術專業并獲得教育部批準。通過向兄弟學校學習調研,了解該專業人才需求、專業建設規劃,設定適應培養目標的教學計劃與課程設置方案。雖然我們開辦“智能科學與技術”專業較晚,但我們從2002年開始,就一直關注和積極參與國內智能科學的學科的討論與新專業籌備工作[13]。
我校于2009年申報獲準,在自動化專業增設了智能科學與技術專業方向,目前已招收2屆學生共84人。我們為選讀智能科學與技術本科專業方向的每個學生選定指導老師。每個學生都可以參加指導老師的課題,指導老師也可以利用自己的學識、經驗和責任心來更好地管理呵護學生。這一做法取得明顯效果,不僅受到同學們的普遍歡迎,也得到了學校的肯定。我們還多次召開師生見面會并通過指導老師走訪宿舍,了解每個人的情況。為了消除代溝,努力融入同學當中,學習熟悉他們的語境和思維想法。我們的目標就是不讓一個學生掉隊。
創建與建設智能科學與技術新專業,將為智能科學基礎系列課程教學建設提供一個更加寬廣的平臺,并對計算機、自動化和電子信息等學科的專業建設和課程建設提供一個新的增長點。我們將以智能科學與技術專業建設為契機,虛心學習兄弟學校的專業建設的做法和經驗,進一步規范智能科學與技術的基礎課程教學,讓智能科學基礎課程教學建設登上一個新的臺階。
3加強教材建設
教材是教學的重要工具和資源,其水平直接影響教學效果和教學質量。在教學過程中,我們與時俱進,對教學內容不斷優化與更新,精益求精地編寫反映學科發展的教材[14]。
我們對原有編寫出版的教材進行修訂,反映新世紀學科發展水平和發展趨向,以適應教改需要。把這些最新內容用于教學,使學生了解到國際前沿動態和本學科的最新成果。
以相關系列課程為平臺,注重教材配套,服務因材施教,著眼長遠教材建設。僅2007年以來我們已出版的相關教材及專著如下:
《智能控制原理與應用》,國家級精品課程配套教材,2007;《智能控制導論》,國家級精品課程配套教材,2007;《未知環境中移動機器人導航控制理論與方法》,2008;《機器人學》,第二版,國家級教學團隊配套教材,2009;《機器人學基礎》,國家級教學團隊配套教材,2009;《人工智能及其應用》,第四版,國家級“十一五”規劃教材,國家精品課程配套教材,2010;《人工智能基礎》,第二版,國家級“十一五”規劃教材,國家精品課程配套教材,2010;《移動機器人協同理論與技術》,2010。
4優化隊伍結構
師資隊伍建設是團隊建設的源頭,沒有一流的教師隊伍就沒有一流的教學團隊。在師資隊伍建設上,我們一直采取引進優秀人才和在職培養相結合的做法。對于人才的引進主要通過辦專業和辦學科點等方式吸引人才,還通過創造教學和科研條件,穩定教師隊伍,解決個人的發展問題。
采取有效措施,提高主講教師的學術積累和教學水平。一是教研組教師,特別是中青年教師積極參加重要科研項目,提高學術水平。二是派中青年教師赴國外研修訪問,了解和學習發達國家同類課程的先進教學經驗、相關課程設置情況與發展趨勢,將國外教學思想引入課程教學。
教學始終是教師的第一要務,為了提高青年教師的教學素質,我們實施并完善了一系列管理措施和制度。
1) 設立名師工作室,實現名師資源共享形成多元化的帶教制度,安排高年資的教師對年輕教師進行傳、幫、帶,可以有業務方面的指導,也可以有認識方面的交流。通過老教師對年輕教師全方位的指導,使老教師的教學理念和經驗得以繼承,加快了年輕教師的成長。
2) 有計劃地安排年輕教師虛心旁聽有經驗教師的講課。通過聽課,不僅使年輕教師進一步掌握課程的內容,更重要的是使年輕教師學到了老教師的教學方法和經驗,對其今后從事教學工作起到了積極的指導作用。
3) 對于第一次上課和第一次上某門新課程的年輕教師,團隊都要在課前組織他們試講。試講前,安排老教師進行指導,傳授教學經驗。試講時,由團隊的教師參加聽課并對其進行講評,肯定其優點,指出其不足,幫助青年教師盡快掌握課程的重點,找到更合適的講授方法。此外,我們還備課,統一基本教案,幫助年輕教師成長。
近兩年來本教學團隊獲得的主要教學獎勵就有徐特立教育獎、茅以升教學專項獎等。
5擴大交流合作
我們在做好自身團隊建設的同時,增進與全國相關高校和教學團隊的交流,學習兄弟團隊的建設經驗,在課程示范、教材推廣、網絡資源輻射等方面發揮積極作用。我們還開展校內合作,聯合不同院系進行教學和精品課程的申報與建設,在校內推廣改革成果;發表了一系列教改論文;發起籌備《全國智能科學技術課程教學研討會》;邀請企業界科技精英做本科生就業指導相關報告。
1) 增進校際交流,發揮輻射作用。
我們經常以講座報告形式在許多兄弟院校進行教學與教改交流。例如,最近一年來就應邀先后到上海交通大學、同濟大學、東華大學、東南大學、國防科技大學、中國礦業大學、北京科技大學、清華大學等校就智能科學技術課程的教學、教改和建設問題作專題報告,在兄弟院校師生中引起熱烈反響。已有數以百計的高等院校采用我們編著的教材和網絡課程進行教學,國內已有眾多的從事人工智能課程和智能控制課程教學的教師,來信來函索取我們開發的課程教案、課程演示和網絡課程相關資料等,我們一直盡力地搞好推廣和服務工作。
2) 撰寫課程改革論文,進行國內外交流。
本團隊成員僅近一年多來,就在中國教育開放資源網、中國人工智能學會13屆年會、計算機教育、高等理科教育、計算機與現代化等會議及刊物上發表10篇教改論文,在國內外進行交流,起到介紹情況,交流信息和經驗的積極作用。
3) 籌備全國相關課程教學研討會。
為了更好地交流經驗,擴大影響和輻射作用,我們發起并聯合中國人工智能學會教育工作委員會、中國計算機學會人工智能與模式識別專業委員會、中國人工智能學會智能機器人專業委員會、中國自動化學會智能自動化專業委員會、中國人工智能學會人工智能基礎專業委員會,籌備召開了首屆《全國智能科學技術課程教學研討會》[15]。圍繞各個學校在智能科學與技術本科專業的課程改革與建設、課程和專業教學計劃制定和未來發展設想等方面進行交流研討。通過交流研討,認真學習兄弟學校的經驗,并盡可能匯報我們的經驗。我們相信,在與會全體代表的共同努力下,本次課程教學研討會一定能夠取得積極的成果。
注:本研究獲得教育部國家級精品課程人工智能(2003年)和智能控制(2006年)、全國雙語教學示范課程人工智能(2007年)、國家級智能科學基礎系列課程教學團隊(2008年)等項目支持。
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Construction of State Teaching Group of Series Course for Intelligence Science Basis in CSU
CAI Zi-xing, CHEN Bai-fan, LIU Li-jue
(Institute of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
關鍵詞：智能科學與技術；科學研究；專業建設
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
1 引言
智能科學與技術學科以計算機科學為基礎，結合了認知科學、信息學、控制科學、生命科學、語言學等學科的相關理論和研究方法，是一門新興的交叉學科，將成為21世紀信息科學研究的制高點和信息產業價值的主要提升點。
在國外，許多著名高校都設立了“人工智能”專業并授予智能科學專業學位：世界多數知名的理工類院校都設立有人工智能研究所或實驗室，進行智能科學專業的研究生培養及科研工作。在國內，智能科學與技術專業起步則較晚：2003年12月5日，教育部正式批準北京大學信息科學技術學院設立“智能科學與技術”本科專業，這標志著我國“智能科學與技術”專業的誕生。
廈門大學在智能科學與技術領域已經有多年的研究積累和師資儲備。2006年12月，教育部正式批準廈門大學設立“智能科學與技術”本科專業，2007年6月6日，廈門大學智能科學與技術系經學校批準成立，并于2007年9月迎來了第一屆本科生。本文將簡要介紹近幾年來廈門大學“智能科學與技術”專業的建設情況。
2 廈門大學智能科學與技術相關領域的科學研究進展
廈門大學在智能科學與技術領域的研究已開展了多年。早在1988年，學校就成立了校級科研機構――“廈門大學人工智能與計算機研究所”，目前，經廈門大學批準，正式更名為“廈門大學人工智能研究所”。它是一個以實用智能技術研究為主、集基礎研究與應用開發于一體的研究機構，是廈門大學組建智能科學與技術系的主要基礎。
廈門大學智能科學與技術系面向國際學科發展趨勢和國家發展的重大需求，利用人工智能研究的方法和手段，不斷開辟新的研究領域，逐漸確立了語言信息處理、認知計算、智能信息檢索、中醫信息處理、視頻圖像處理、智能機器人等主要研究方向。在語言信息處理方面，現設手寫漢字識別、自然語言理解、機器翻譯、語料庫技術等研究領域；在認知計算方面，現設覺知計算、腦機接口、機器感覺、隱喻邏輯等研究領域；在智能信息檢索方面，現設文本信息過濾、信息檢索、信息提取、智能數據挖掘、Web挖掘等研究領域；在中醫信息處理方面，現主要研究開發多媒體中草藥智能查詢系統、基于舌象中醫智能體檢系統；在視頻圖像處理方面，現設圖像數據庫、生物特征識別、遙感圖像、地理信息系統等研究領域。2008年，系里引進了被稱為“人工大腦之父”的著名學者Hugo de Garis教授，并以他為首組建了人工大腦研究室，該研究室的目標是，經過三年左右的時間，建設中國首個人工大腦。
經過十幾年的不懈努力，我們在上述研究領域均取得了一批有影響的重要研究成果，在我國學術界具有一定的學術地位，獲得數十項國家和省部級項目經費的支持。目前在研的項目有國家自然科學基金項目3項、國家863項目2項、國家863子項目2項、福建省自然科學基金項目1項、福建省科技計劃重點項目2項。在漢字識別、詞語切分標注、語法分析、詞義消歧、指代消解、語言神經基礎、漢語理解策略、網上信息的選擇翻譯、統計機器翻譯、語音識別與合成、計算機音樂、計琴學等諸多方面進行了有特色的研究，形成了具體的算法，并且還提出了一種系統性的協動計算理論，出版專著5部，數百篇，其中近三年被EI、SCI等檢索的論文達200余篇。
在基礎理論研究的基礎上，智能科學與技術系還十分注重產學研結合，先后與北京德威特電力系統自動化有限公司和深圳名人電腦等公司進行合作研發，廣泛開展應用系統的研制開發，主要包括：手寫漢字機器識別系統、漢語分詞和詞性標注系統、機器翻譯系統以及網上漢語文本分類和信息過濾系統。其中，手寫漢字機器識別系統獲浙江省教育廳科學技術進步三等獎：機器輔助漢英互翻系統獲福建省科技廳科技進步三等獎；漢語分詞和詞性標注系統獲得2003年863中文信息處理評測第二名：機器翻譯系統(包括XMMT漢英機器翻譯系統、Matrix英漢機器翻譯系統、Light英漢機器翻譯系統和Neon英漢雙向機器翻譯系統)在863智能接口評測中多次名列前茅，形成多項產品，技術授權國內多家單位使用。
在科研平臺建設方面，智能科學與技術系發揮廈門大學多學科交叉的優勢，聯合人文學院、外文學院和海外教育學院華文系的學術力量，于2003年成立了“廈門大學語言技術中心”，其中，漢外多語言機器翻譯為主攻方向之一。2006年獲批了“智能信息技術福建省高校重點實驗室”；目前，以人工大腦相關內容為研究核心的“福建省仿腦智能系統重點實驗室”也已獲批。
3 廈門大學“智能科學與技術”專業建設情況
廈門大學智能科學與技術系現有一個本科專業(智能科學與技術)，三個學術型碩士學位授予專業(人工智能基礎、模式識別與智能系統、計算機應用技術)，一個“計算機技術”工程碩士培養方向(智能工程及網絡安全方向)，一個博士學位授予專業(人工智能基礎)。現有在校本科生近90人，碩士研究生80多人，博士研究生25人，博士后2人。本系教職工近30人，其中：教授5人，副教授5人，80％具有博士學位或者博士在讀，40歲以下的年輕教師占2／3。
3.1 本科生專業建設
在本科生培養方面，廈門大學智能科學與技術系的目標是要求學生能夠有效和系統地掌握本學科的理論基礎，比較深入地理解智能科學與技術理論；培養具有一定的分析、綜合和創新能力，能夠承當智能信息系統設計、開發和智能科學與技術學科教學任務的，德、智、體全面發展的科學技術工作者：畢業生適宜到科研機構、學校、技術或行政管理部門、公司、廠礦等企事業單位從事科技研究、應用開發、信息管理和教學工作，也可以進一步攻讀該專業及相關專業的碩士學位。
為了實現上述目標，我們遵循“寬口徑、厚基礎、抓關鍵、重實踐”四項基本原則，制定了較合理的教學計劃，在本科一、二年級安排公共基本課程、校通識教育課程、院系通修課程；從二年級下學期開始結束院系通修課程，轉而推出部分學科通修課程，向專業化過渡，三年級開始加入方向性選修課程。其中，公共基本課程621學時、33學分；校通識教育課程262學、15學分；學科通修課程1544學時、90學分；方向性課程120學時、分；學科跨方向性課程108學時、6學分。這樣的安排能真正使學生在獲得扎實而寬厚的理論基礎、合理的知識結構的同時，培養較強的獲取新知識的能力和創新精神。
為了能切實提高學生的動手實踐能力，我們在辦學過程中十分重視和強調實踐環節的訓練并倡導理論與實際 相結合，已經規劃建設一個特色實驗室――“仿腦認知與智能機器人”實驗室，可支撐仿腦認知與智能機器人兩個方向相關課程的教學實驗，總經費預算100萬元。依托該實驗室，結合相關課程，高年級本科生可以進行“心理物理測試實驗”、“眼動測試實驗”、“面部表情與腦電對照實驗”、“行為學與智能關系測試實驗”、“機器人避障行走路徑規劃”、“機器人目標識別與跟蹤”、“機器人聲控實驗”、“機器人智能語言翻譯”、“機器人足球比賽”等眾多特色實驗。
3.2 研究生專業建設
廈門大學智能科學與技術系的研究生培養以加強創新能力的培養為核心，以加強基礎課、專業課，實驗實踐教學、論文創新寫作、促進理論與實踐相結合為重點，包含碩士研究生和博士研究生兩個培養層次。其中，碩士研究生層次又分為學術型研究生和工程碩士兩種類型，分別進行培養。
在學術型碩士研究生培養方面，我們的目標是培養適應智能科學與計算機科學的發展，適應國家社會發展與進步事業需要的，德、智、體、美全面發展，系統地掌握本學科基本概念、基本原理、基本方法、基本技能的，具有創新能力、理論聯系實際的高級專門人才和能適應未來從事基礎研究、應用基礎研究、技術開發研究和工程應用研究之人才。畢業生適宜到科研部門、學校從事科學研究和教學工作；適宜到計算機產業相關的企事業單位從事智能科學與計算機科學技術的開發研究、應用與管理等工作；可以繼續攻讀智能科學與計算機科學及其相關學科的博士學位。目前包含“人工智能基礎”、“模式識別與智能系統”和“計算機應用技術”三個專業。其中，“人工智能基礎”專業包含如下培養方向：認知科學理論、認知邏輯學、計算語言學、智能計算方法、藝術認知與計算、腦高級功能成像等；“模式識別與智能系統”專業包含如下培養方向：計算機視覺、機器翻譯系統、智能中醫診斷系統、機器音樂、模式識別、音頻信息處理等：“計算機應用技術”專業包含如下培養方向：人工智能應用技術、自然語言處理技術、智能信息檢索技術、多媒體綜合應用技術、圖像與視頻處理技術、虛擬現實技術等。
在工程碩士培養方面，目前智能系招收“計算機技術”工程碩士――B方向(智能工程及網絡安全)的工程碩士研究生，目標是培養具有扎實的計算機學科專業知識和工程技術能力，掌握現代智能與網絡科學前沿知識，在智能工程與網絡安全方向具有一定研究深度和項目研發能力的高層次應用型人才。培養方向包括：嵌入式智能家居、視頻圖像處理、網絡視覺監控、模式識別與智能系統、智能機器人、網絡內容監管、黑客與網絡攻防技術、網絡信息安全、信息檢索與信息過濾、自然語言處理、機器翻譯、語音識別與合成、智能中醫信息處理、人工大腦、虛擬現實技術等。
在博士研究生培養方面，設有“人工智能基礎”博士學位授予專業，目標是培養基礎扎實，具有創新意識，對某一領域有全面深入了解或對某一應用領域有獨立解決實際問題的能力，能夠解決前人未能解決的科學問題或社會發展中亟待解決的技術問題的高級專業人才：其研究工作對科學技術或社會經濟的發展具有明顯貢獻，為人工智能技術發展和應用提供新的基礎或新技術、新方法。培養方向包括：人工智能以及應用技術、藝術認知與計算、數據挖掘技術、認知神經科學、軟計算方法及其應用、智能多媒體信息處理、腦功能成像技術等。
4 總結與展望
關鍵詞：智能科學技術導論；導向作用；教學策略
智能科學與技術是形成于生命科學、控制科學、信息科學、計算機技術以及通信技術等學科與技術交叉基礎上的新興專業與研究方向[1]，旨在培養具有腦與認知科學、智能科學、信息科學、現代科學方法學的基本理論知識，掌握計算機、智能系統、信息網絡、信息處理的基本技能，綜合運用所學知識與技能去分析和解決實際問題，具有較強的自學能力和創新能力的高級復合型人才[2]。智能科學與技術本科專業從2004年設立至今，全國只有17所大學開辦該本科專業，目前一級學科和二級學科還沒有完全建立，培養方案的理論體系和實驗體系還有待進一步探索和完善[3-4]。在該專業的課程體系中，智能科學技術導論作為一門專業的基礎課程，針對的是學生實際需要，科學、系統地解答了學生各種專業問題[2]，可以幫助學生對本專業有一個整體認識，對智能科學領域有初步的了解，以發揮其對專業及專業基礎課學習的良好導向作用。研究和探討如何講授該門課程具有重要的現實意義。
1智能科學技術導論教學現狀
1.1具體表現
對專業認識較少是不少新生入學時找不到學習方向和目標的一個重要原因。在進入高等學校學習之前，絕大部分學生并不知道“智能科學與技術”指的是什么，涉及哪些知識，應用在哪些領域，影響有多大，他們只是憑專業名稱、簡單的介紹對該專業有個初步、直觀的了解，而在進校后一般都是學習基礎課程(如英語、線性代數、電路理論等)，到大二甚至大三才開始進行專業課的學習。學生在此之前由于不了解專業方向的學習和研究內容，很難想象他們在專業基礎課學習上會有濃厚的興趣，更不談學習主動性的提升。智能科學技術導論在低年級開設，目的是讓學生逐步認識、了解該專業的概況，達到激發學生學習專業課程、參與科學研究的興趣，幫助他們對大學學習和生活進行規劃和定位。然而，這一門課程并沒有起到其應有的作用，具體表現如下。
1) 導論學習與專業學習存在斷層。智能科學與技術的專業課程一般安排在大三、大四，而導論一般安排在大一學期，此時，由于知識結構和認知能力的缺失，新生難以將過深的學科形態、專業教學抽象成整體概念，對導論所涉及知識的掌握程度有限，在開始接觸大量專業課時，他們已基本忘記了這一門入學時開設的從整體上介紹本專業的課程。
2) 學生專業學習的積極性不高。筆者在對高年級學生講授專業課的過程中發現，很多學生對本應在大一就具備的專業思想、所涉及的智能科學技術領域的宏觀知識、正確的學習方法等缺乏足夠的認識，甚至是處于完全陌生的狀態，因此對相關專業課的學習毫無興趣，一味地認為進入該專業學習是自己的不幸，轉而要求換專業甚至退學。
3) 繼續從事本專業領域的研究或工作的興趣低。根據調查發現，很多本專業的學生對畢業去向不持樂觀態度，部分打算繼續深造的學生考慮的是其他專業，而要進入社會的畢業生則表示找到專業對口的工作很難，他們大部分認為這是從一開始就沒有對大學學習和生活做好規劃和定位所導致。
1.2相關因素
通過與其他教師的交流以及與學生的座談，筆者發現智能科學技術導論這門課程沒有起到其應有作用的原因主要在于以下幾個方面。
1) 教學內容缺乏針對性。智能科學與技術匯集多種邊緣學科與技術，諸如信號與信息處理、信息論與信息通信、模式識別、圖像處理、柔性決策與系統科學等內容，因此，課程所涉及的研究領域及內容十分豐富、教學知識結構較為龐大，涵蓋范圍廣，課堂內容龐雜，熱點分支多，知識點相對獨立，聯系不夠緊密。正因為如此，在短短的課時教學中，教師的課堂講述往往寬泛化，缺乏針對性。
2) 授課對象缺乏相關知識。在實際教學活動中，由于智能科學技術導論課程一般開設在入學之初，學生不僅缺乏相關基礎知識，而且處于高中到大學的過渡期，他們的學習認知行為、學習方法、學習要求和學習內容的組織形式難以適應教師所授內容。如果課程內容涉及的專業知識過多，學生學習起來就費勁；如果偏重理論，教學會顯得過于枯燥；如果過于注重工藝的講解，又會給學生造成輕視專業基礎知識的傾向[5]。如此種種，導致教師在講課過程中處于兩難境地，而學生則難以建立系統、完整的知識體系，在有限的時間里所能掌握、吸收并內化的智能科學基礎知識很少，從而不利于今后專業課的深入學習。
3) 教學方式落后。目前，講授智能科學技術導論這一課程采取的教學方式更多是傳統的教學方式――課堂教學，而其課程特點是知識面廣而不深。因此，傳統教學方式的缺陷更為凸顯出來，學生知識結構的延伸無法完成，對后續專業課教學產生不利影響。
2教學策略的提出
2.1課程的全程化
作為一門基礎專業課，智能科學技術導論應以學生在專業領域的發展為主線，貫穿本科四年的學習中，根據不同年級學生的特點，有針對性地開課或開設學習指導性講座，如大一階段應以初步認識、了解專業本身，建立對本專業的信心，激發對專業的興趣為目的而設置課程內容；大二階段則為提高對專業的認識、鞏固專業信心、學習專業方法、制定專業目標的階段；大三階段則是深入掌握專業學習方法、系統學習專業知識的階段；大四階段則是走向職場、實踐運用專業知識的階段。通過這4個階段的遞進關系，最終促進學生螺旋化地構建專業知識。
2.2教學方式的革新
把科學研究引入教學過程，使教學活動具有科研性，這是大學教學過程突出的特點[6]，因此，授課內容不應完全局限于教材，而應融入教師的科研、工程項目、實踐經驗以及學科知識。開設智能科學技術導論課程的目的是讓學生初步從整體上接觸專業基本知識，通過列舉專業知識在實際生產中的應用以及專業基礎知識在今后學習、科研工作中的重要性，為專業學習提供一個良好的導向。為此，除了傳統的課堂教學外，還可考慮采取講座方式提供相關信息、講授相關知識。如選擇智能科學與技術專業不同研究方向的老師，就其所研究領域的知識、學科發展最新概況、智能科學前沿技術及最新科技成果、專業學習方法、實驗室在研項目等進行系列專題講座，這樣的講座一方面更加具有針對性，另一方面能夠充分發揮不同研究方向老師的優勢。在此基礎上進行講解和討論，學生可以從不同來源、不同角度了解該專業的內容、研究方法、前沿技術及發展方向，從而引導他們在智能科學與技術專業這條道路上穩步前行。
2.3調整與優化教學內容
作為一門“入門”課程，智能科學技術導論的講授切忌涉及太多的理論，這會使學生失去學習的信心；同時，也不允許對課程內容進行重復性的講授，這會使學生失去學習興趣。鑒于此，在教學內容的組織上要做到內容難度適中，選擇適合學生接受能力且對后續專業課學習有幫助的內容來授課。此外，智能科學是一個不斷發展的學科，其技術成果、研究動向更新快，教師應及時介紹智能科學技術領域的最新科技成果，引導學生關注本專業的知識應用，拉近學生與智能科學技術之間的距離，使他們及時掌握本學科領域發展的最新動態，擴大知識面，為今后專業課的學習以及就業做鋪墊。
2.4運用靈活的考核方式
一般專業課的學習效果比較顯著，只要努力，課程結束后，學生一般也就掌握并內化了相關的專業知識。和這些一般的專業課程不同，智能科學技術導論課程的學習效果只能在后續專業學習中逐步體現，也正是由于該課程的教學內容、教學目的和教學要求等方面所具有的特殊性，其學習效果僅僅通過傳統的測試很難檢驗出來，同時也容易束縛學生的思維，不利于其應有作用的發揮，因此，可考慮多樣化的考核方式，如提交通過思考和查閱資料等手段完成的小論文、根據實驗報告中的實驗步驟寫實驗體會、要求學生推薦他認為本專業最新科技成果或參考書等。
2.5積極開展實驗課
智能科學技術導論是一門從宏觀上介紹智能科學領域相關內容的專業基礎課，其重要任務是介紹專業教學安排和專業學習方法，并沒有深入具體地介紹某一知識點。由于導論課程的特殊性，實驗的開設可以參觀性、演示性、模擬性為主，如組織新生參觀學校組織的電子設計競賽的作品，在參觀過程中，從專業的角度為新生講解各參賽作品的設計意義和原理。
此外，智能科學與技術覆蓋面很廣，工程性與實踐性很強，現有市場上已存在涉及很大一部分相關知識的技術成果，因此，可進行反求工程式的實驗課。如本院實驗室擁有的機器人涉及到機械、計算機軟硬件、人工智能、智能系統集成等眾多先進技術，學生從中可逐漸認識、理解、學習掌握智能科學知識，這種反求工程式的實驗課不僅可以提高學生對學習本專業知識的興趣，也為后續專業學習奠定了基礎。
2.6培養高素質的師資隊伍
智能科學技術導論作為智能科學與技術專業學生的入門課程，對授課教師提出了很高的素質、能力要求。授課教師應具有深厚的基礎理論知識、寬廣的專業知識、豐富的科研與工程實踐經歷、高水平的教學能力以及大學生思想教育的經驗[7]。
3結語
智能科學技術導論這一課程對穩定學生初期迷茫的專業思想動態、激發學生濃厚的參與意識和興趣、提高學生學習后續專業課程的熱情和解決實際問題的能力等有重大影響。在沒有現成經驗可借鑒的情況下，只有不斷地實踐總結，才能發揮其作為智能科學與技術專業“敲門磚”的作用。
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Discussion on Teaching Strategy of Introduction to Intelligence Science and Technology
LIU Zhenbing, DANG Xuanju
(School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)
關鍵詞：本科生導師制；智能科學與技術；復合型人才；角色定位；質量監控
文章編號：1672-5913（2013）07-0038-04
中圖分類號：G642
本科生導師制為本科生配備學業導師，從而進行因人施教、教與育結合的人才培養，是一項創新型的本科生培養模式。作為一種高效的、個性化的人才培養制度，其執行效果不如想象中的那么好，特別是在我國實現高等教育大眾化的進程中，大學生在校人數逐年增多，而大學教師相對較少，使得眾多的本科生得不到教師的直接指導和幫助，從而使本科生導師制的積極意義不能被完全發揮。因此，我們有必要研究一種切實可行的本科生導師制模式，以適應新形勢下高等教育對培養優秀人才的需要。
1 本科生導師制與復合型人才培養的內涵
1.1本科生導師制及其發展現狀
本科生導師制（Tutorial System）是在師生雙向選擇的前提下，由愛崗敬業、品德高尚、知識淵博的教師擔任本科生的指導教師，對學生的學習、生活、心理等方面進行個別指導的教學制度。
本科生導師制最早在15世紀由牛津大學發明并實行。美國的普林斯頓大學于1902年引進了導師制。1998年，美國研究型大學本科教育委員會在“重建本科生教育：美國研究型大學發展藍圖”報告中建議每個本科學生都要有一名導師，這種形式應該在所有研究型大學中推廣開來。
就我國目前的大學教學現狀來看，導師制在傳統上只用于碩士和博士研究生層次。而在本科生層次上，只有少數院校的培優班采用了導師制。例如，北京大學的元培計劃實驗班、北京郵電大學的葉培大學院等，在低年級實行基礎課程教育，構建合理的學科知識結構；在高年級由學業導師因人施教，進行個性化的專業教育及素質教育。由于傳統教學管理方式及師生資源分配模式的影響，導師制未能充分發揮其積極意義，實施效果不是十分理想。
事實上，從中學進入大學是一個跨越。在這個跨越中，中學的學習方法、生活環境等都與大學中的不同。同時，4年的大學正是大學生思維方法、學習能力、身心素質等方面趨于成熟及穩定的階段。由此可見，在大學生本科層次施行導師制，對于豐富學生的素質教育、促使教書與育人有機結合、做到因材施教，顯得十分重要。
1.2智能科學與技術專業特色及復合型人才培養
智能科學與技術是一門涉及數學、生命科學、認知科學、信息科學、控制科學、計算機科學、哲學等學科的交叉和邊緣學科，是信息科學技術的核心、前沿和制高點。我國新型經濟的發展需要大量的高層次智能科技人才，而智能科學與技術學科為復合型人才的培養提供了天然的良好環境。具體說來，智能科學與技術專業復合型人才的內涵包含以下幾點。
1）基礎扎實，知識運用能力強。學生能通過深入學習，掌握智能科學與技術專業的基礎理論與技術，同時具備領域相關的多學科知識，包括計算機、自動化、信息、通信等，學會交叉融合，貫通多學科綜合知識，從而使本專業的畢業生有能力在未來知識激增的信息社會中適應知識更新和淘汰的多種挑戰。
2）學習能力及創新能力強。學生通過參與專題討論、課程或學術報告、參加學科競賽等活動來調整、優化知識結構，提高采用智能科學技術與理論解決問題的能力，增強自我學習的意識和創新能力，能夠面對新的快速發展的智能科學與技術領域，能夠適應層出不窮的新環境、新問題，不斷更新知識體系。
3）綜合素質高。學生應當具備很強的社會及集體責任感，崇尚“真、善、美”，敢于堅持真理，具有理想與抱負，具備自信、樂觀、積極向上的心理狀態以及良好的面對困難與挫折的心理素質。
基于此，我們將智能科學與技術專業復合型人才的培養目標設定為：培養具有科學創新精神和實踐能力、通曉世界知識、具有踏實的工作作風和良好的語言文化交流能力的高質量人才。學生僅掌握簡單的課本知識，遠遠無法達到智能科學與技術人才的要求，因此亟需探索一種能夠增強師生在培養過程中的深度互動與溝通的模式。本科生導師制為學生提供包括學業、思想、生活等在內的全面指導，順應了這種變化和要求。
北京郵電大學智能科學與技術專業于2006年開始正式招生，至今已完成了近6年的教學實踐，積累了很多寶貴的經驗和教訓。如何將自身經驗與學科發展的趨勢和方向相結合，深入地研究復合型人才培養模式，有助于高層次人才的建設，對人才培養活動具有調控、規范和導向作用。
2 智能科學與技術專業本科生導師制模式探索
我們以北京郵電大學智能科學與技術專業為試點，探索一種高效、可行的本科生導師制實施方案，為培養高素質、復合型人才提供真實可信的參考依據，從而有助于在未來形成適用范圍更廣、更具指導意義的本科生導師制可操作規范和導向。
2.1實施對象
該模式實施對象為智能科學與技術專業2年級到4年級的全部學生，共約90人。這與此前國內高校注重本科學生精英的選擇與培養模式不同，而是全面覆蓋所有學生，挖掘所有學生可能的興趣和潛力，其培養過程更加大眾化、更具有公平性。本科生導師目前限定為負責本專業教學的智能科學與技術中心（以下簡稱中心）的教師，包括在職13人（其中教授2人、副教授6人、講師5人）及兼職教授6人。除專業導師外，為便于觀察和搜集導師制實施過程中的問題，還應配備1名觀察員，隨時了解觀察實施情況并給予建議。
2.2實施辦法
本模式采用學生和教師雙向選擇的原則，結合成導師與學生組合。導師每人每年級指導2～4名學生。根據教師的具體情況，也可以實行以一位教師為主、多位教師為輔的指導模式。學生可以隨時根據自己的情況，在不影響初始組合的情況下，自愿申請得到多位教師的指導。導師組定期通過講座、專題報告、談心交流等形式與學生交流，豐富學生的第二課堂。考慮到本科生相對于研究生知識視野和思維模式尚不是十分成熟，還不能一次性成功選擇到自己最滿意的導師或方向，本次試點研究首次提出導師輪換機制以及多教師輔助的模式，充分利用了各位導師的多樣性，采取每年輪換的方法，讓每位本科學生在校期間至少可以得到3位不同導師的指導，從而能夠幫助學生拓寬視野，更好地找到自己的興趣和創新意愿。
2.3本科導師角色定位
本科導師的角色應該與學院和班級輔導員相輔相成，完全可以涵蓋某些專業課教師對部分學生所起到的課程和學業引導作用，而且較之更加全面和完善。導師不僅是學生學習上的導師，還是學生的伙伴和引路人。導師通過觀察、交流，了解學生在學習及生活中的表現，主要在以下方面發揮積極的幫助與激勵作用。
1）課程教育：重點指導學生的課程學習，在低年級側重實行通識教育和大學基礎教育，幫助學生制訂學習計劃，了解專業方向及其應用領域；在高年級針對個體在興趣、特長等方面的不同，實施個性化的專業素質教育，幫助學生構建合理的知識結構。
2）學術能力培養：重點在于激發學生興趣，幫助學生挖掘他們的學術潛力和獨立從事研究工作的能力；指導學生參加學科競賽、從事合適的科研活動、撰寫學術論文和畢業論文等；注重學生的個性發展，增強創新意識、提高創新能力和創新素質。
3）發展規劃指導：針對學生個體給予具體指導，幫助學生認清自我、完善自我，協助學生初步制訂個人中長期發展規劃并督促落實，盡可能為學生提供就業及考研信息。
同時，還要通過導師的言傳身教，幫助學生樹立崇高的人生理想，提升學生正確處理社會關系的能力，使其在學業和為人方面變得更加成熟。
上述內容充分體現了本次導師制試點研究工作與實施過程的精細與全面，進一步發展了已有的類似培養計劃的主要特點，同時將各方面的工作重點刻畫得更加清晰，對本科生導師的工作具有更具體的指導作用。
2.4學生與導師的溝通機制
本科生導師制的實施范圍包括課程學習和學術指導，以及將學生的思想、素質與知識整合，幫助學生全面健康發展，使之更好地適應社會工作和生活的需要。實施方式包括導師和學生個別溝通，以及電話、電子郵件、走訪等多種形式。
導師必須了解學生的學業進程、心理動態，并對每位學生至少每學期做一次書面評價。根據課程性質、不同學習階段、學生的獨立性等情況，決定見面討論的頻率，但不少于每月一次。
導師以嚴謹認真的方式對待學生呈交的研究成果，并為其進步與繼續發展給予建議與幫助，提供富有啟發性的反饋意見，使學生知道他們在做什么。更為重要的是可以使學生根據其理想與現狀，明確需要在哪些方面加以改進。
此外，本次試點研究工作首次引入了“主題班會”形式的學生與導師集體溝通的機制，這也是本文工作的創新點之一。針對學生共同關心的一些主題，導師與學生一起展開廣泛的討論，聽取各種不同的觀點和聲音，有效地激發學生學習、創新、生活等多方面的熱情，這從會后學生的反饋意見中得到充分的印證。同時，導師們也很認同這樣的形式，普遍認為有助于解決個人指導學生過程中所遇到的一些難題。
2.5導師制的監督和評估機制
在人才培養過程中，智能科學與技術中心定期通過教師例會和觀察員對本科導師的工作情況進行經常性的檢查，特別是關于培養計劃的落實情況、教師日常的指導情況、學生的學習狀況（包括學習興趣、學習能力、學習負擔等）及生活狀況，發現問題及時解決。
我們通過組織學生座談會，了解學生對于導師制的意見和建議，改進導師制的實施辦法；同時，也了解班主任或輔導員、學院學生黨委等對于導師制的意見。在我們收集的意見中，班主任或輔導員、學院學生黨委等都對我們的工作給予了高度的贊揚和充分的肯定；而學生們可能對各種細節提出自己的觀點或問題，但有一點是高度統一的，就是所有學生都很支持本科生導師制的實施，認為與同屆的其他專業學生相比，自己能接受這樣的培養方式是極其自豪的。
畢業生就業后，我們分別對他們和用人單位進行調查，收集各種反饋意見，并做出相應的評估、調整或改進。目前實施時間較短，上述計劃尚未得到實踐的經驗。
3 智能科學與技術專業本科生導師制的實施與思考
自2011年9月啟動智能科學與技術專業本科生導師制以來，導師與學生之間保持至少每月一次的溝通頻率。除此之外，導師組還針對學生反映的普遍問題，例如課程與課外活動的時間平衡、學業與未來規劃、學風與考風等，召開集體班會，進行更廣泛和深入的交流。在堅持導師與學生日常溝通的同時，我們也十分注意加強導師與導師之間的日常交流，充分利用每周一次的教師例會時間，每次都辟出一段時間溝通討論近期導師指導學生的心得或問題，尤其是觀察員充分發揮了“旁觀者清”的作用，經常對各種細節提出直率而寶貴的意見和建議，對于各位導師統一思想認識和提高工作方法起到了積極有效的作用。
通過導師對學生的全程指導，我們發現有很好的效果。首先，導師能動態地掌握學生的學習、興趣、心理等方面的變動情況，并及時對學生加以引導，從而更有效地促進學生成長和發展；其次，學生在學習或生活中遇到困惑時，能直接得到導師的引導或幫助，使個性培養與專業教育的內容和形式更加豐富，有利于提高學生的積極性，增進學生的自我認識。
但是，在導師制的實施過程中我們也看到了一些問題，還需要進行深入研究并解決。
1）導師的職責難以明確。
本科生階段的導師制側重由導師引導學生自主學習、自我發現與成長，使學生樹立正確的“三觀”與高尚的道德情操，并培養學生獨立思考和解決問題的能力。而導師在指導學生時，容易出現2個片面的方式：一是傳統的以課本為基礎的“傳授式”，指導本科生的課程學習；二是以科研項目為中心的“任務式”，管理本科生的科研工作。前者忽略了培養學生的學習興趣和自覺性，后者則忽略了本科生與碩士生、博士生在知識結構、獨立科研能力、培養目的等方面的差異。在這個過程中如果缺少合理的引導和幫助，學生很容易產生消極的挫敗感。
2）教與育的尺度難以調節。
導師制所遵循的教育理念應是培養智慧與理性全面發展的人才，提高學生探究知識和獨立思考的能力。同時，本科生導師制也強調人文關懷，不僅傳授知識和技能，在面對學生的各種問題時，包括考風問題、個人感情問題、與人處事問題等，導師還要以自己良好的師德和品格影響學生，做到既教書又育人。
關鍵詞:智能科學與技術專業;課程體系;教材建設
繼2004年北京大學率先在國內建立“智能科學與技術”本科專業之后,2005年,北京郵電大學、南開大學和西安電子科技大學;2006年,首都師范大學、北京信息科技大學、武漢工程大學和西安郵電學院;2007年,北京科技大學、廈門大學和湖南大學;2008年,河北工業大學和桂林電子科技大學;2009年,重慶郵電大學和大連海事大學;2010年,中南大學和上海理工大學先后經教育部批準先后設立了“智能科學與技術”本科專業[1-2]。在中國人工智能學會教育工作委員會的指導下,自2002年起,各相關專業教師定期召開智能科學與技術教育學術研討會,并出版教育論文專輯,大力推進了我國智能科學與技術教育的健康、快速發展,并對我國智能科學技術的人才培養和學科建設起到了極大的帶動作用。
作為一個發展中的新興專業,目前各高校仍主要結合自身基礎和特點建設該專業。如南開大學以智能技術與智能工程為核心專業課程[3];北京科技大學從社會需求角度出發,以提高學生軟件實踐能力為切入點[4];河北工業大學根據相關專業的就業現狀,以提高學生硬件實踐能力為著力點[5]。為了解決南開大學、北京科技大學和河北工業大學3所高校共同面臨的課程體系和教材建設等問題,三校教師分別于2010年6月16日和8月2日在南開大學、河北工業大學進行了兩次研討,現將研討成果匯總于此。
1研討背景
“智能科學與技術”專業自開辦以來,不可避免地要回答如下3個方面的問題:
1) 來自用人單位的問題:“智能科學與技術”專業是做什么的?與其他專業相比優勢何在?
2) 來自學生及家長的問題:“智能科學與技術”專業是學什么的?與其他專業相比優勢何在?
3) 來自教師自身的問題:“智能科學與技術”專業應該教什么?與其他專業相比優勢何在?
無論是做什么、學什么還是教什么,歸根到底是課程體系和教材內容。無論是研究生課程下移(帶來學生接受知識的困難),還是在其他專業教學體系基礎上做簡單的增、刪、改(帶來學生知識結構的凌亂),都是不行的,長此以往的后果將是沒有優勢,只有劣勢。
南開大學、北京科技大學和河北工業大學3所高校的“智能科學與技術”專業建設都源于自動化專業基礎,而且都具有典型的工科特色;同時3所高校分別是教育部直屬“985”高校、教育部直屬國家“優勢學科創新平臺”建設項目試點高校和河北省屬“211”高校,3所高校的“智能科學與技術”專業分別于2006、2007和2008年招生。3所高校在“智能科學與技術”專業建設上的異同特點以及地域便利的條件,為優勢互補、交流融合提供了機遇。
2課程體系
根據研究任務的不同,智能科學技術涵蓋的內容可以劃分為智能科學、智能技術、智能工程三個層次[6]。
1) 智能科學:主要任務是研究人的智慧,建立人機結合系統理論,并用其模擬人的智慧。
2) 智能技術:在智能科學的框架內創建人機結合智能系統所需要的方法、工具和技術。
3) 智能工程:利用智能科學的理念和思想,充分運用智能技術工具創建各種應用系統。它是當前新技術、新產品、新產業的重要發展方向、開發策略和顯著標志。
根據上述智能科學技術的劃分,智能科學與技術專業的課程體系同樣劃分為理論、技術與工程應用3個層次,具體框架如圖1所示。
需要說明的是,由于課時、學時等因素的限制,有些課程需要包含未列入課程的部分內容。如智能科學與技術概論課程內含系統論的簡要介紹;智能控制系統包含可編程序控制器、智能傳感器、智能執行器等內容;智能工程包含若干典型智能系統實例。
3教材建設
經南開大學、北京科技大學和河北工業大學3所高校的討論,一致認為工科專業應以技術和工程應用兩個層次為核心,并將人工智能導論和智能信息處理兩門課程的教材合并為智能技術。同時,根據南開大學側重理論、北京科技大學側重軟件、河北工業大學側重硬件的原則進行分工,編寫對應課程的教學大綱和教材內容。
3.1智能技術
本課程包括智能計算和計算機視覺兩部分,分別介紹以對人腦的物理結構進行模擬為主要特征的聯接主義智能技術和以模擬人類視覺處理為主要特征的計算機視覺兩部分。它是智能技術的主干內容;也是實現智能技術、組成智能系統的重要工具,屬于本專業本科生的專業基礎課。通過智能技術的學習,學生應能夠掌握智能技術的基本原理和方法。通過課堂講解、,并配合一定的作業練習、上機實驗等環節,學生應初步具備運用智能技術和方法分析和解決問題的能力。本課程擬定90學時,其中授課54學時,實驗36學時。
教材內容包括智能計算和計算機視覺兩部分,智能計算部分包括神經網絡、模糊理論和遺傳算法/蟻群算法,計算機視覺包括計算機視覺導論、計算機視覺理論基礎、圖像預處理、圖像分割、物體識別、圖像理解、雙目立體視覺、三維視覺技術、主動視覺。
神經網絡講授單個神經元(感知器)的動作原理,與實際生物神經元的對應關系;講授BP神經網絡的組成,網絡的特性和對非線性函數的模擬功能;介紹BP算法的優、缺點;講授H網絡的組成結構,H網絡在解決優化問題的優越性。模糊理論講授模糊集合的概念,建立隸屬度函數的概念;介紹模糊規則的建立原則,模糊規則與模糊系統收入輸出量之間的關系;介紹模糊化以及模糊量精確化的幾種常用方法。遺傳算法和蟻群算法只作簡要介紹,重點介紹這兩種算法的特點和成功的應用實例,使學習者有一個感性認識,明確這種類型算法的“迭代”特點以及總體最優目標與個體行為之間的聯系。
計算機視覺理論基礎主要介紹Marr的視覺計算理論、圖像的相關知識、傅立葉變換基礎;圖像預處理主要介紹像素亮度變換、幾何變換、直方圖修正、局部預處理、圖像復原;圖像分割主要介紹閾值處理方法、基于邊界的分割方法、基于區域的分割方法;形狀表示與描述主要介紹鏈碼、使用片斷序列描述邊界、尺度空間方法、基于區域的形狀表示與描述;物體識別主要介紹知識的表示、統計模式識別、神經元網絡、遺傳算法、模擬退火、模糊系統;圖像理解主要介紹并行和串行處理控制、分層控制、非分層控制;雙目立體視覺主要介紹雙目立體視覺原理、精度分析、系統結構、立體成像、立體匹配、系統標定;三維視覺技術主要介紹結構光三維視覺原理、光模式投射系統、標定方法、光度立體視覺、由紋理恢復形狀、激光測距法;主動視覺主要介紹從陰影恢復形狀、從運動恢復結構、主動跟蹤。
3.2智能控制理論與技術
本課程是“智能科學與技術”專業的一門重要專業課程,目的是使學生了解智能科學與控制理論結合所產生之智能控制理論的基本概念和應用價值;使學生熟知當前主流智能控制技術的種類,并掌握模糊控制、神經網絡控制以及進化計算、群體智能的基礎知識,了解智能技術與傳統控制方法的結合點;加強MATLAB仿真實驗的訓練,以使學生更好地理解基礎知識,培養學生使用高級智能控制方法解決實際控制問題的能力。本課程的學習將使學生加深對控制理論的理解,明晰智能技術在控制中的應用技巧,也為本科生繼續深造打下基礎。本課程擬定64學時,其中授課54學時,實驗10學時。
教材內容包括智能控制概論,介紹智能控制的發展歷程和應用領域,簡介幾種重要的智能控制方法;專家控制,簡介專家系統的基本結構,講授專家PID控制器的原理與設計方法;模糊控制,講授模糊數學基礎知識、傳統的模糊控制原理和控制器設計與實現方法、模糊PID控制的兩種形式,特別是PID控制參數的模糊整定技術;神經網絡控制,講授前饋神經網絡和遞歸神經網絡中幾種典型的網絡模型以及學習算法、基于神經網絡的線性系統辨識技術、神經網絡逆模控制等;進化計算與控制,講授進化計算的概念、遺傳算法的原理及其與其他智能方法的結合,介紹遺傳機器人學;群體智能與控制,講授蟻群算法的基本原理及其在控制問題中的應用,介紹群體機器人學。
3.3單片機原理與應用
本課程是“智能科學與技術”專業的一門專業課程,目的是使學生了解單片機的組成原理及常用控制算法的實現;掌握51系列單片機指令系統和一般匯編程序設計編寫方法;熟悉常用的單片機硬件擴展技術;在此基礎上,熟練掌握控制算法的單片機程序編寫與調試。本課程擬定54學時,其中授課38學時,實驗16學時。
教材內容包括單片機系統概述,介紹單片機定義、單片機發展過程及單片機硬件結構;單片機指令系統及程序設計,介紹指令系統和匯編語言程序設計;硬件資源及接口技術,介紹硬件資源和接口技術;單片機使用技術,介紹抗干擾技術、C語言應用程序設計;依次介紹PID控制器、狀態反饋控制器、模糊控制器、系統辨識、卡爾曼濾波、滑模控制器、最優控制器、魯棒控制器、自適應控制器、神經網絡控制器的歷史沿革、基本原理、常用形式和單片機具體實現方法。
3.4嵌入式系統
本課程以當前主流的嵌入式系統技術為背景,以嵌入式系統原理為基礎,以嵌入式系統開發體系為骨架,以嵌入式控制系統開發為目標,較為全面地介紹嵌入式系統的基本概念、軟硬件的基本體系結構、軟硬件開發方法、相關開發工具、應用領域、熱門領域的開發實例以及當前的一些前沿動態,為學生展示較為完整的嵌入式控制系統領域概況。本課程擬定64學時,其中授課48學時,實驗16學時。
教材依據嵌入式控制系統的特征,將控制算法、嵌入式系統硬件、操作系統、應用程序設計及組態軟件作為統一的技術平臺介紹,突出嵌入式技術在控制系統中應用的特點,重點介紹嵌入式控制系統軟硬件、電路、操作系統、實時性、可靠性等特性,從軟件體系結構及開發的角度出發,強調實時調度、Bootloader、BSP、嵌入式實時多任務系統設計、交叉開發與仿真開發等關鍵技術,并特別引入了工業控制中需要的電磁兼容性設計和大量的典型嵌入式控制系統實例設計。通過本課程的學習,學生不但可以學會使用工具開發嵌入式軟硬件,而且可以從總體角度選擇適當的技術和方法,全面規劃和設計嵌入式系統。
3.5智能工程
本課程是“智能科學與技術”專業的一門核心專業課程。面向智能技術的實際應用,著眼于解決工程應用中的技術問題,從典型系統設計案例分析出發,通過大量實驗提高學生的工程實踐能力。本課程擬定36學時,全部為授課學時。
教材內容包括智能工程概論,介紹智能工程現狀、工程設計原則和工程實際流程;常用傳感器原理,介紹傳感器一般特性、光電式傳感器和視覺傳感器;典型智能系統設計案例,包括智能移動機器人、智能電梯群控電梯等系統。
3.6智能機器人
課程通過對一個具有代表性的仿人機器人的拆解,將知識點拆解成6個主要教學模塊:1)機器人控制模塊,介紹各類控制模塊的原理與組成;2)機器人運動系統,介紹電機與舵機的原理與控制方法;3)機器人動作系統,介紹機器人各部件的協調控制;4)機器人視覺系統,介紹典型的超聲波、影像傳感器的原理與識別算法;5)機器人表現系統原理,介紹人與機器人的交互原理;6)機器人通信系統原理,介紹機器人之間的數據與信息傳遞方法。學生學習時,能夠與基礎知識相聯系,并能掌握機器人這門技術,為從事機器人產品研發工作打下堅實的基礎。本課程擬定54學時,其中授課44學時,實驗10學時。
教材面向“智能科學與技術”專業,同時兼顧信息類專業學生編寫,根據這類專業學生的知識結構和特點組織內容。從具體的機器人控制需求出發,將自動控制的基本理論和機器人控制特點相結合,講授機器人控制系統的組成、規律、特點和設計方法。理論上反映當前的最新進展,內容上考慮初學者的需求,側重普及性、實用性和新穎性,結構體系符合信息類和控制類專業學生的特點,力求簡潔、清楚,對技術的敘述遵循目標、問題、理論依據、實現方法、實際情況、發展方向的方式。做到重點突出,符合實際,滿足需要,指導性強。
3.7智能控制系統
本課程是“智能科學與技術”專業的一門專業課程,使學生了解智能控制系統的基礎知識;掌握智能控制系統中最新的智能傳感技術、智能控制器、智能執行能執行器及智能網絡與接口技術;掌握智能控制系統中多個關鍵硬件裝置的識別及其使用。通過學習多個智能控制系統的開發實例,學生應掌握智能控制系統的設計方法與技術,堅實地掌握最新智能控制系統知識,提高理論聯系實際的能力,并為學習其他課程的打下堅實基礎。本課程擬定64學時,其中授課48學時,實驗16學時。
教材內容包括概述,介紹智能控制系統的基本概念、基本內容和機構及其發展趨勢;智能傳感系統,講授智能數據采集技術、傳感器智能化的數據處理方法、多傳感器信息融合的方法、智能傳感器實現方法與典型實例;智能控制器設計,講授基于單片機的智能控制器設計及其應用、基于高性能嵌入式ARM的智能控制器設計及其應用、基于PLC的智能控制器設計及其應用;智能電動執行器,講授智能電動執行器的硬件實現技術,軟件設計技術以及典型的智能電動執行器實例及其應用;智能網絡與接口技術,講授無線傳感器智能網絡,工業現場總線網絡以及智能傳感器、智能控制器和智能執行器的網絡接口實現技術;智能控制系統設計實例,綜合利用前面的知識設計網絡化智能壓力傳感器的系統設計、基于聲音定位的智能機器人系統設計、基于微機電慣性傳感器的汽車多路況智能防撞系統的設計、大型設備的PLC智能控制系統設計。
4結語
通過南開大學、北京科技大學和河北工業大學3所高校的研討,我們凝練出較完整的“智能科學與技術”專業課程體系,體現出本專業的特色;提出可供3所高校共同使用的教學大綱和教材內容,體現出學生培養的工程實踐導向。這些研究成果可以為開辦“智能科學與技術”專業的兄弟院校進一步研討提供藍本,也可以為籌建該專業的高校所參考。
注:本文受到北京科技大學教學研究會第六批教學研究課題、北京科技大學教育教學研究基金青年教師教育教學研究立項項目、河北工業大學教改項目(2010-12)支持。
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A Study on the Course System and Textbook Construction for the Discipline of
Intelligence Science and Technology
YANG Peng1, ZHANG Jian-xun2, LIU Ji-wei3, ZHANG Lei1
(1. Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2.Nankai University, Tianjin 300071, China;
3. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
關鍵詞:人工智能;理論傳授;實驗訓練;科研訓練
人工智能(Artificial Intelligence,AI)是計算機科學與技術專業的一門重要專業課程,是一門研究運用計算機模擬和延伸人腦功能的綜合性學科。它研究如何用計算機模仿人腦所從事的推理、證明、識別、理解、設計、學習、思考、規劃以及問題求解等思維活動,并以此解決需要人類專家才能處理的復雜問題,例如咨詢、診斷、預測、規劃等決策性問題[1]。人工智能是一門涉及數學、計算機、控制論、信息學、心理學、哲學等學科的交叉和綜合學科。目前,人工智能很多研究領域,如自然語言處理、模式識別、機器學習、數據挖掘、智能檢索、機器人技術、智能計算等都走在了信息技術的前沿,有許多研究成果已經進入并影響了人們的生活。
2003年12月5日,國內第一個“智能科學與技術”本科專業在北京大學誕生[2],它標志著我國智能科學與技術本科教育的開始,對我國智能科學技術人才培養和智能科學與技術學科建設起到極大的帶動作用。目前,人工智能課程的教學存在幾個問題:首先,注重講授理論知識,實驗環節滯后,這不利于培養學生的實踐能力,更談不上實踐創新。其次,人工智能是交叉學科,內容比較繁雜,各種教材的內容不一樣,授課沒有統一的體系,學生學習時抓不住重點,不能理解人工智能的根本方法和思想。一般說來,計算機專業的其他課程,如網絡技術、數據庫技術、算法分析與設計等,都是求解結構化問題的基本技術,而人工智能技術則是解決非結構化、半結構化問題的有效技術。最后,人工智能科學與技術飛速發展,但目前人工智能只被視為一門專業課,課程講授和人工智能沒有作為一個研究方向結合起來,也沒有把傳授課本知識和引導啟發創新結合起來。
適應知識經濟發展的高等教育,要把培養創造精神和創新能力擺在突出的位置。創新是基礎研究的生命,而高等學校的教學只有與科研緊密結合,才能在培養學生的創新精神方面有所作為。為此,針對人工智能的課程特點,我們積極開展研究型教學、研究型學習,提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力的研究與實踐。在教材上,我們選用了清華大學出版社出版、馬少平等編寫的《人工智能》。我們的教學研究與實踐的主要內容包括三個方面:啟發式傳授人工智能解決問題的非結構化的思想;成體系的實驗訓練;以及與畢業論文,學校大學生科研項目資助計劃,國家大學生創新性實驗計劃相對接的科研訓練。這三個主要方面,層層遞進、環環相扣,是體系完整的創新型人工智能教學實踐。下面,我們就這三個方面內容展開探討。
1啟發式傳授人工智能解決問題的非結構化思想
現實世界的問題可以按照結構化程度劃分成三個層次[1]:1)結構化問題,能用形式化(或稱公式化)方法描述和求解的一類問題;2)非結構化問題,難以用確定的形式來描述,主要根據經驗來求解;3)半結構化問題,介于上述兩者之間。一般說來,計算機專業的其他課程如網絡技術、數據庫技術、算法分析與設計等,都是求解結構化問題的基本技術。而人工智能技術則是解決非結構化、半結構化問題的有效技術。人工智能的教學可以讓學生在體驗、認識人工智能知識與技術的過程中獲得對非結構化、半結構化問題的解決過程的了解,從而達到培養學生多角度思維的目的。
我們使用的教材主要內容包括搜索和高級搜素、謂詞邏輯和歸結原理、知識表示、不確定性推理方法、機器學習等。這些主要內容也可以相應地歸結為若干個典型算法,如啟發式A*搜索算法、 剪枝算法、元啟發式算法(模擬退火,遺傳算法)、謂詞邏輯歸結算法、貝葉斯網絡、決策樹、神經網絡(BP算法、自組織網絡和Hopfield神經網絡算法)。元啟發式算法是一種啟發式的隨機算法,是用來解決非結構化問題的典型算法,其思想和傳統的決定性算法如動態規劃、分支限界完全不一樣。學生在剛一接觸到這些元啟發式算法一時難以接受和理解其機理,對算法的有效性往往半信半疑。根據非結構化、半結構化問題的特點,講解和演示算法在解決此類問題的具體步驟和詳細過程,從而讓學生掌握人工智能算法的基本思想。在講解不同的元啟發式算法的時候,學生會問,是模擬退火算法強,還是遺傳算法強;在講到機器學習算法的時候,學生會問到底哪個分類算法最好,這時候我們可以把搜索(優化)領域和機器學習領域的“沒有免費午餐”定理進行適當的講解和解釋,從而把具體算法實現層面之上的一些人工智能的哲學思想進行傳授。
在人工智能的具體教學中,采用問題教學法和參與式教學法。在問題教學法中,圍繞人工智能的知識模塊,在引導學生發現各種各樣問題的前提下,傳授知識。教學活動中,嘗試使人工智能知識圍繞實際問題而展現,使問題不僅成為激發學生求知欲的前提,也成為學生期盼、理解和吸收知識的前提,以此激發學生的創造動機和創造性思維。在參與式教學中,打破人工智能算法的枯燥、沉悶的傳統教學法,嘗試開放式教學內容;提問式講課;無標準答案的課程設計;查找文獻,分組動手實現人工智能算法等參與式教學方法,培養和發揚學生的參與意識,通過參與式教學提高學生學習的主動性、積極性和效率,培養學生的動手能力和創新能力。
2成體系的實驗訓練
獨立開展人工智能實驗課程,開發一批新型、富有創意的實驗案例庫,搭建一個創新實驗和虛擬學習社區平臺。人工智能實驗課程的特點是應用各種人工智能方法,根據問題的約束、結構、信息進行表示建模和計算機上實現,是與人工智能原理同步的實驗課程。學生必須掌握的人工智能的基本原理和計算機操作技能,它對于學生的知識、能力和綜合素質的培養與提高起著至關重要的作用,在整個教學過程中占有非常重要的地位,是計算機軟件、計算機應用、計算機網絡、軟件工程等專業的一門重要的必修專業課程。通過實驗,學生得到嚴格的訓練,能規范地掌握人工智能的基本理論和主要方法、基本問題求解技術,熟悉各種計算環境的基本使用。
在培養學生掌握實驗的基本操作、基本技能和基本知識的同時,努力培養學生的創新意識與創新能力。為實現這一目標,在課程內容安排上采用適量基本原理與方法的實驗內容為基本內容,增加一系列綜合性實驗和開放性創新實驗問題,在實驗內容方面更注重研究性實驗中的創新問題。實驗內容方面分為三個層次:基本原理的基礎性實驗、綜合實驗和研究性實驗。在后兩個層次的實驗中,部分引入人工智能課程小組團隊的最新科研成果,目的在于通過完成這些研究性實驗,培養學生獨立解決實際問題的能力,以提升學生的科研素質與創新意識。我們將這些設計實驗稱為新型實驗案例庫,它被放在人工智能課程小組網站上,以此搭建一個創新實驗和虛擬學習社區平臺。通過實驗課程的學習和訓練,學生應達到下列要求。
1) 掌握人工智能方法的優點及其在實際中的應用。
2) 學會對人工智能問題進行分析建模和應用各種計算工具實現問題求解,熟悉對實驗現象的觀察和記錄,實驗數據的獲取與設計,最佳實驗條件的判斷和選擇,實驗結果的分析和討論等一套嚴謹的實驗方法。
3) 鞏固并加深對人工智能原理課程的基本原理和概念的理解,培養學生勤奮學習,求真求實的科學品德,培養學生的動手能力、觀察能力、查閱文獻能力、思維能力、想象能力、表達能力。
4) 通過完成綜合研究性實驗,培養學生獨立解決實際問題的能力,提高學生的科研素質與創新意識。
在培養學生掌握實驗的基本操作、基本技能和基本知識的同時,進一步培養學生分析問題和解決問題的能力,培養學生的創新意識、創新精神和創新能力,為學生今后從事科研、教學或企事業單位的分析檢驗以及新技術的研發工作打下扎實的基礎。
在實驗組織方面,根據各實驗的目的和要求,學生分為5人1組,指定一個組長,每組選擇1套實驗題目。基礎實驗題目要求達到27學時、綜合性實驗題目選擇1題和研究性實驗題目選擇1題,基礎實驗題目要求在規定時間內,小組獨立完成實驗測定、數據處理,并撰寫實驗報告。實驗過程中, 要求學生勤于動手, 敏銳觀察, 細心操作, 開動腦筋, 分析鉆研問題, 準確記錄原始數據, 經教師檢查,實驗及其原始數據記錄才有效。同時,團隊作業,需要多人分工合作、相互幫助,這樣可以提高人際交往和溝通能力,學會與他人合作,培養團隊創新能力。
3課程學習與畢業論文,科研訓練相結合
人工智能技術在一定程度上代表著信息技術的前沿和未來,通過學習和體驗人工智能的知識和技術,學生能夠在一定程度上了解信息技術發展的前沿知識,這有助學生開闊視野、培養興趣,為今后繼續深造或走向社會奠定堅實的基礎[3-4]。
人工智能的理論和方法廣泛應用于數據挖掘、機器學習、模式識別、圖像處理中,這些內容既是高年級的后續課程,又是現在熱門的研究方向。學習和深刻理解人工智能的理論、方法和應用,對后續課程學習以及今后的研究具有重要的意義。
我院規定大學三年級的學生開始聯系畢業論文指導導師,同時確定畢業論文的研究方向,提前進行科研實踐,以培養實踐能力和研究素質。人工智能課程正好是大三高年級開設的專業課,因此,我們把課程實驗及設計與同學的興趣相結合,引導學生,并提煉和形成學生的畢業選題和課外的科研方向,它是提高本科生研究創新能力的有效手段。
基于新的教學實踐,很多學生的選題都與上述歸納的人工智能若干算法相關,如算法本身的研究和改進,或是算法在各領域,如數據挖掘、圖像處理等的應用。在我們的科研能力訓練計劃中,一批項目和課題,如混合神經網絡的研究與應用、差分演化算法研究與應用、基于協同訓練的推薦系統等,分別受到國家和學校本科生科研項目立項資助。一批三四年級的本科生以第一作者身份在國內核心期刊、國際會議和期刊上發表學術論文,這激發了學生的科研興趣,使學生體會到了創新的樂趣。
總之,課程學習與畢業論文、學校大學生科研項目資助計劃、國家大學生創新性實驗計劃相對接的科研訓練,極大地提升了學生的創新能力和科研基本素質。
4結語
針對人工智能的課程特點,我們積極開展研究型教學、研究型學習,提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力的研究與實踐。我們的教學研究與實踐主要內容包括三個方面:啟發式傳授人工智能解決問題的非結構化的思想;成體系的實驗訓練;以及與畢業論文、學校大學生科研項目資助計劃、國家大學生創新性實驗計劃相對接的科研訓練。這三個主要方面,層層遞進、環環相扣,是體系完整的創新型人工智能教學實踐,新的改革和實踐在教學中取得了令人滿意效果。
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Reform and Practice of Innovative Teaching in Artificial Intelligence
WANG Jia-hai, YIN Jian, LING Ying-biao
(Department of Computer Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)
鐘老師，您已經研究了幾十年的信息科學。《信息科學原理》一書已經重印到第五版。您能否給讀者們講一講，信息科學是什么？有什么特點？
鐘義信：簡要地說，信息科學就是研究信息及其運動規律的科學。具體地說，信息科學是“以信息為研究對象、以信息運動規律為研究內容、以信息科學方法為研究指南、以擴展人的智力能力（它是信息能力的有機整體）為研究目標”的一門新興橫斷科學。
武健：從概念、定義來看，信息科學與計算機科學并不完全一樣。因為信息科學是以信息運動規律為研究內容的，研究內容既不專指計算，也不是專指計算機。從這個角度思考，信息科技課程與計算機課程的內容將有很大的區別。這對于一線信息技術教師來說，了解信息科學就更加重要了。您能否給我們講一講信息科學的核心內容是什么？它對于整個社會能發揮什么作用？
鐘義信：信息科學的概念（定義）也可以通過它的基本模型來表現（見下頁圖1）。
這個模型也可以簡化為以下更直觀一些的模型（見下頁圖2）。
考察信息科學的定義和它的基本模型（以及簡化模型）可以知道：
信息科學最大的特點是研究“信息”（而不是物質和能量）。
它的核心內容就是研究“信息運動規律，即信息-知識-智能轉換的規律”。
世間一切物質的運動都會產生信息。人類正是通過研究信息，才能認識世界（包括自然和社會）。因此，信息科學的研究目標，就是“擴展人類的智力能力，也就是擴展人類認識世界和改造世界的能力”。這就是信息科學對于整個社會的作用所在。
武健：我記得您曾經講過信息分成主客體關系，那么我們理解基本模型與簡化模型也是一步步地發展出來的。從簡到繁是否可以這樣理解？（如下頁圖3）
從信息定義的基本模型中，還可以看到信息科學在特別關注著策略，尤其是人的策略。從這個角度來看，信息科技課程中會有著一批以前沒有的教學內容。技術課中的學習計算機操作的教學目標是學會操作。而信息科技框架下的課程則需要以應用技術，挖掘其中的問題解決策略，了解信息科學概念與原理為主要目標了。
每個學科都會有一批本學科的科學家，像牛頓對于物理，哈勃對于天文，歐姆對于電學……信息科學是一門新興的橫斷科學，那么您認為這門學科中有代表性的信息科學家有哪些人？
鐘義信：橫斷科學，是在概括和綜合多門學科的基礎上形成的一類學科。它不是以客觀世界的某種物質結構及其運動形式為研究對象，而是從許多物質結構及其運動形式中抽出某一特定的共同方面作為研究對象，其研究對象橫貫多個領域甚至一切領域。所以，信息科學家、信息技術專家會有自己的領域，但會在共同的信息方向有突出貢獻。
如香農（Shannon）在1948年發表了論文“通信的數學理論”，奠定了“通信信息論”;維納（Wiener）在1948年出版了著作《控制論》，奠定了隨機控制理論，貝塔朗菲（Bertalanffy）在20世紀60年代出版了《一般系統論》，建立了系統論。西蒙（Simon）對功能模擬的人工智能理論做出了奠基性的貢獻，費根鮑姆（Feigenbaum）是人工智能專家系統的開拓者，閔斯基（Minsky）對人工神經網絡和認知理論有突出的貢獻，查德（Zadeh）創建了支持信息科學研究的模糊集合和模糊邏輯， 柯爾莫戈洛夫（Kolmogorov）對信息理論和控制理論都有杰出貢獻，等等。這些人都在信息科學領域有過不同方面的重要建樹，都可以稱之為信息科學家。
由于我國只有各種信息技術的學術機構而沒有專門的信息科學的學術機構，很少純粹信息科學方面的交流機會，因此很難確定誰是信息科學家。不過，由于我國信息化建設的迅猛發展，確實出現了不少在信息科學技術方面做出重要貢獻的人員。
武健：信息科學是一門新興的學科。既然是“新興”，那么它一定在發展，甚至是快速發展。您認為信息科學主要研究的方向與進展如何？現階段出現了什么樣的困難？
鐘義信：相對而言，信息科學是一門非常年輕的學科。因此，它的主要研究方向應當是信息科學的基礎理論，研究信息的基本運動規律。其中包括信息理論、知識理論、智能理論，特別是信息、知識、智能之間的轉換理論（一體化理論）。
經過半個多世紀的研究和探索，我們在這些基礎研究方面取得了可喜的進展，具體表現在：建立了超越與拓展傳統信息論的“全信息理論”，發現了“知識的生態學規律”，創建了“機制模擬的人工智能理論”，實現了“結構主義、功能主義、行為主義人工智能理論”的統一，還創建了“基礎意識―情感―理智三位一體的高等人工智能”，特別值得提到的是，發現了意義重大的“信息轉換與智能創生定律”。
在取得這些進展的過程中，發現物質科學（代表性科學是物理科學）的科學觀（還原論）和方法論（分而治之）不適用于信息科學（和智能科學）研究，總結并提出了適用于信息科學研究的新的科學觀和方法論。
面臨的主要困難是：由于信息科學和智能理論的研究對象多數是非常復雜的問題，因此現有的數學工具不敷應用，特別是其中的邏輯理論還相當單薄，不足以支持這些復雜問題的創新研究。這是當前信息科學發展中的“瓶頸”。
武健：信息科學關系到的方法論可以分成信息科學研究的方法論和信息技術應用的方法論。根據這樣的觀點，在信息科技課程中，需要以完整的信息綜合活動展開教學，而不適合片面地學習信息獲取、信息處理某一個片段。因為信息科學方法論更強調從整體到局部，不建議從信息運動中的某一細節去理解典型的信息過程。
信息科技的方法論分成理論研究層級和技術應用層級。您認為在信息科學研究中，常用的方法與手段有哪些？
鐘義信：與物理科學研究方法最大的不同，是不再采用“分而治之，各個擊破”這種流行了數百年之久而且一直行之有效的傳統科學研究方法論，而是改為運用全新的“信息轉換與智能創生”方法論。
原因是：“分而治之”方法論在把系統分解為若干子系統的時候，必定會丟失各個子系統之間相互聯系相互作用的信息，而這些信息正是復雜信息系統的生命線。就像研究人腦思維奧秘的時候，如果采用“分而治之”的方法把人腦分解為若干部分進行研究，即使把每個部分都研究好了，也無法揭示人腦思維的奧秘，因為分解之后的這些人腦部分根本無法復原為活的人腦。
“信息轉換與智能創生”方法認為，信息系統是一個生態系統：由信息生成知識進而生成智能（策略），從而按照策略解決問題。它強調信息、知識、智能（策略）之間的相互聯系和相互作用，強調信息、知識、智能（策略）之間的生態聯系，根據外部世界客體的信息和認識主體的目的，可以通過學習創生解決問題的智能策略。
至于具體的研究工具，基本也是硬件試驗和軟件仿真（包括虛擬現實）。
武健：在信息科學體系中，您認為這個領域中最基本的概念和原理是什么？
鐘義信：信息科學最基本的概念包括信息、知識、智能。人們往往把信息科學技術僅僅局限在“信息”范疇，這其實是對信息科學技術嚴重的。經過這樣的信息科學技術的作用，就大大被削弱了。
信息科學最基本的原理則是：信息―知識―智能轉換原理。正確運用這個基本原理，人們就可以在具體的環境中求出解決問題、而且保證實現“主客雙贏”的智能策略，從而滿意地解決問題。
武健：一般人都知道，現代科學與技術有著不可分割的密切關系。一方面，很多人還不知道什么是信息科學，另一方面，還不能想象信息科學與信息技術之間有什么關系。您認為兩者有什么樣的區別與聯系？
鐘義信：信息科學與信息技術是一對孿生的概念，信息科學是信息技術的理論基礎，信息技術是信息科學理論的具體實現。兩者相互聯系，相互促進。
武健：很多人認為信息技術就是計算機技術加上網絡技術，信息技術就是能夠用計算機上網。這部分人覺得，信息技術就是信息技術，不是什么“關于信息的技術”。關于這些觀點您是怎么看的？從信息科學的角度來看信息技術應當包含什么內容？
鐘義信：只要對照信息科學的簡化模型，就可以很明確地回答：信息技術不等于計算機技術和網絡技術，因為這個說法很不全面，忽略了傳感技術，忽略了控制技術，特別是忽略了人工智能技術。
實際上，在以往，關于“信息技術”的概念，確實曾經流行過很多各不相同的說法。其中比較出名的包括：
1C說――認為“信息技術就是Communication技術”，理由是：信息論就是通信論;也有一些人認為“信息技術就是Computer技術”，理由是：計算機就是用來處理信息的技術。
2C說――認為“信息技術就是Computer+ Communication技術”。
3C說――認為“信息技術就是Computer+ Communication + Control技術”。
但是，對照信息科學的簡化模型就可以明白，這些說法都屬于“以偏概全”的認識，都是不全面的認識。
從信息科學的簡化模型可以非常清晰地了解到具體的信息技術內容，包括實現信息獲取功能的“傳感技術”，實現信息傳遞和策略傳遞功能的“通信技術”，實現信息預處理功能的“計算機技術和存儲技術”，實現信息認知功能和智能決策功能的“人工智能技術”，實現策略執行功能的“控制技術”，以及實現反饋學習和策略優化的“信息系統自組織技術”等。
武健：您認為未來20～30年，信息科技最有意思的發展可能是什么？
鐘義信：根據“科學技術擬人律”，未來20～30年，信息科學技術最有意義的發展將是人工智能技術。
對照信息科學簡化模型就知道，擴展感覺器官功能的傳感技術、擴展傳導神經系統的通信技術、擴展思維器官預處理功能的計算機技術以及擴展效應器官功能的控制技術都是相對而言的技術，擴展思維器官認知功能和決策功能的人工智能技術才是核心技術。目前信息技術已經得到長足的發展（未來當然還會繼續發展），這就為核心信息技術的發展打好了基礎，也產生了需求。因此，未來20～30年間，人工智能科學技術必然成為發展的主導潮流。
武健：您認為學習信息科技的知識對于中小學生來說有何意義？有沒有哪一部分內容需要在現階段特別強調的？
鐘義信：中小學生絕對應當學習基本的信息科學知識，掌握信息技術的基本能力。當今的時代是信息時代，不學習信息科學技術，就會成為落伍的一代，被淘汰的一代。這是非常危險的。
當然，中小學生學習信息科學技術應當遵循“循序漸進”的認知規律和“興趣引導”的教學方法。事實上，信息科學技術本身的發展就是循序漸進的，如圖4所示。
武健：您對中小學的信息科學與技術課程（不等同于計算機課程）有何期望與要求？
鐘義信：根據“信息科學技術”的定義，“計算機科學技術”只是“信息科學技術”的一個組成部分。部分不等于全體，部分不能代替全體。所以，不能用“計算機”課程代替“信息科學技術”課程。
中小學的信息科學技術教育是一個極其重要的問題，又是一個十分復雜的問題。我們不能就事論事孤立地討論中小學的信息科學技術課程，而應當把它作為“國家信息科學技術教育系統工程”來統籌考慮：小學階段學什么？中學階段學什么？大學階段學什么？碩士研究生階段學什么？博士研究生階段學什么？等等。
按照“信息科學技術教育系統工程”的思路，中小學生應當通過“學習最為基礎的信息科學概念”和“掌握最為基本的信息技術能力”形成“最淺層（然而又是準確的）的信息科學技術觀念和濃厚的興趣”。其中，“觀念和興趣”是最重要的，而“概念和能力”則是支撐這種“觀念和興趣”的支柱。
武健：鐘老師，感謝您的指導。您認為2010年后，學科基本研究才逐步成熟起來。一門學科從成熟到走進基礎教育往往需要十多年的工作，而信息科技課程的發展將是長期的。希望您以后能夠經常關注基礎教育中的信息科技課程發展，給我們更多指導。
附錄：
（河北工業大學控制科學與工程學院，天津300130）
摘要：課外科技活動能有效促進學生創新能力的培養和實踐能力的提高，在創新型人才培養體系中得到廣泛的認可與重視。文章分析課外創新實踐活動組織形式與實踐效果評價等關鍵問題，通過對組織體系理論的研究和具體實踐，提出基于群體動力的組織構建形式以及有效的評價機制。
關鍵詞 ：群體動力；創新實踐；組織形式；實效評價
基金項目：河北工業大學教學改革立項（校政字[2013]168號）。
第一作者簡介：宣伯凱，男，實驗師，研究方向為智能康復輔具，xuanbokai@126．com。
0 引 言
在知識經濟快速發展的時代，綜合國力的競爭最終歸結為科技創新人才的競爭。大學是培養科技創新人才的基地，現階段國內高校創新人才培養的質量還不能滿足國家發展建設的需要。在總結、借鑒國內外人才培養經驗的基礎上，建立并完善創新型人才培養體系是當前急待解決的問題。
智能科學與技術是面向前沿高新技術的基礎型本科專業，是集電子、信息處理、計算機和控制技術等多學科為一體的交叉綜合性學科。智能科學是一個不斷發展的學科，技術成果和研究動向更新得很快。智能科學與技術專業必須更加重視學生實踐應用能力和創新能力的培養，通過實踐環節提高學生的實際動手能力和科學研究能力。
1 創新實踐教育現狀分析
世界各國的高等教育都非常注重創新人才的培養，發達國家在人才培養模式上各具特色。現代大學起源于歐洲，英國幾所著名的大學在創新能力教育方面取得了顯著的成效。牛津和劍橋都采用精英化的教育方式并且是最早實施本科生導師制的大學；在創新人才培養上，注重提高學生的獨立思考能力和開放性思維能力，強調教育的實踐目的。自20世紀90年代以來，美國的大學不斷進行教育創新，在研究型大學建立創新人才培養體系。通才教育是美國大學教育最突出的特征，通過跨學科專業和課程培養適應現代高端技術領域的復合型創新人才。在本科階段，小團體的實驗室和研討會是重要的教學模式。亞洲地區，日本的高等教育水平較高，注重教育資源整合與人才培養；高校和企業建立聯合研究、合作研究等多種形式的橫向聯合。國外高校創新人才培養的體系中，靈活的教學方式和實踐性的科研模式是創新人才培養的關鍵環節。在教學中，教師應注重發揮學生的自主意識和創新意識，讓學生參與科研活動，重視實踐性教學對學生科研能力和創造力的提高。
由于歷史文化傳統不同和教育體制的差異，國內大學在創新人才培養的理念、模式方面與國外存在較大差距。在創新人才培養中存在觀念陳舊、教學內容和教學手段缺乏創新、評價體系不科學等問題。近年來，國內越來越多的高校開始進行教學改革，探索多樣化人才培養模式。清華大學把加速建立研究型大學的人才培養體系定為改革目標，提出全面落實通識教育基礎上的寬口徑專業教育，讓更多本科生參加大學生研究訓練，令拔尖人才不斷涌現。北京大學實行元培計劃，提出復合型人才的培養目標。復旦大學、浙江大學、南京大學等院校也提出了各自的人才培養模式。綜觀上述高校的改革方案，主要的特點是注重拓寬學生的專業基礎，設立大學生研究計劃，使本科生及早接受科研訓練，激發學生的主動性和創造性，進而培養學生的創新意識和能力。
2 課外創新實踐活動的目標
探索加強高校學生創新能力培養的方法和途徑不僅是高校教學改革和發展的需要，也是時展的迫切要求。課外科技創新實踐活動的組織及實踐可以促進學生綜合素質的提高，致力形成系統的、高效的課外實踐教學體系，全方位培養學生的創新實踐能力。
(1)通過課外科技創新實踐活動可以激發學生的學習興趣，加強專業了解。大學生科技創新活動具有理論聯系實際的功能，通過實踐明確目標，將興趣愛好發展為專業努力方向，激發學生的創造激情，培養創新意識。
(2)課外科技創新實踐活動融會專業課程內容，促進第一課堂的學習。學生不再是課堂內被動吸收知識的服從者，而成為創新活動的參與者。實踐活動能夠調動學生課堂學習的主動性和積極性，形成課內外相互促進的良性機制。
(3)通過課外科技創新活動增強學生的創新應用能力，有助于學生適應社會發展需求。在我國社會經濟發展的新形勢下，知識和技術更新日趨加快，市場對專業人才素質的基本要求是具有較高的知識遷移、解決問題、動手實踐和創新思維能力。科技實踐活動能為學生提供更廣闊的平臺，使學生在實踐中學會運用專業知識分析問題和解決問題，使知識轉化為能力，進而應用于實踐。
(4)課外科技活動對學生的科學研究能力培養具有推動作用。創新實踐活動能夠讓學生在實踐中了解學科最新技術成果，培養大學生從事科學研究的嚴謹態度與科學方法，積累科研經歷和體驗。對創新素質、探索精神、科學實驗能力的提高具有不可替代的作用，為培養和造就高尖端科技人才奠定基礎。
3 課外創新實踐活動的組織形式
3.1 構建學生團隊，激發群體學習動力
20世紀30年代末，美籍德國人庫爾特·盧因提出“群體動力理論”。根據群體動力理論，積極的群體行為會對個體產生良性影響。群體開展實踐學習比個體獨自學習的效率更高、凝聚力更強、吸引力更大。創新實踐教育必須建立在個體內在需求與環境外力推動的共同作用下，以群體動力理論為指導，構建以團隊為基礎的創新實踐教育模式。
基于群體動力的團隊運作模式在認知能力、信息加工決策、目標執行過程等方面存在優勢。教師應積極組織鼓勵學生全體參與，在群體模式下組建活動基本單元——學生課題組，并在課外創新實踐活動的組織過程中，將課題組制與導師制相結合，合理調配智力資源，提升學與教的效果；充分發揮團隊運作模式的優勢，結合導師在理論深度和實踐經驗方面的優勢，增強對創新型人才的培養；在創新培養體系中以學生為中心，注重激發學生的學習主動性，培養創新進取精神與團隊協作能力。
3.2 課外創新實踐的組織建設
1)學生課題組的形成。
教師在學生的培養過程中可以學生為主體、以團隊合作的形式促進學習的深入。團隊成員之間知識結構的互補、及時有效的互動交流都會增強合作學習的效果。Vaneijl和Pilot( 2005)在研究中指出小組規模很重要，因為學生在學習步驟、興趣、學習習慣等方面有明顯差異，實踐表明3～4人比更大的組有效。選定4人制小組為學生團隊的基本單元，既有利于充分發揮學生個人能力，又能實現一定程度的互動協作并且具有應對成員變化的彈性。在我們對智能專業學生的問卷調查中也印證了這一結論，在最初形成的課題組中，因關系親近而形成團隊的占63%，因指派、學號、位置等因素隨機組成的占24%，考慮到成員知識能力互補等因素的占13%。在確定課題組成員時，應遵循有利于溝通交流和情感培養的原則，以能力全面、綜合素質高為目標，提高團隊的績效。
2)學生課題組的結構優化。
團隊結構與任務完成效果有直接關系。筆者以智能專業學生為研究對象，組成的課題小組屬于平行結構。在沒有其他專業知識背景成員的情況下，教師應該對課題組成員的知識結構進行優化調整；在全面提高學生個人能力的基礎上，將課題組結構優化與個性化發展培養相結合；在學習和完成任務的過程中明確學生個人的能力和特點，制訂適合的個性化培養計劃，使每個成員各有專長，都具有獨立解決某方面專業問題的能力。
3)課題組的重組與大團隊培養。
任務的內容和規模與團隊的規模、結構緊密相關，應對不同規模、性質的任務時，教師需要對已有的課題組進行調整或重組。課題組的重組不是盲目將成員從一個課題組轉到另一組，而是在原課題小組的活動中積累一定的實踐經驗，對個人的專長和能力有更明確的認識，能夠在新團隊中進行協作。教師在進行課題組小團隊培養的同時，可將有共同目標（參加同一比賽）的課題組組織成大團隊，進行針對性的培訓，搭建更大的交流合作平臺；在大團隊氛圍下，逐步形成良性競爭的關系，激發學生最大的潛力。
4)課題組導師的系統化指導。
課題組導師在學生知識體系構建和解決問題能力的培養上起著主導作用，承擔對學生課題組研究內容連續性和繼承性的管理。對人才的培養是一項長期的、持續性的工作。以某項競賽活動臨時組成的課題小組對研究沒有長期的目標和規劃，無后續活動或者研究內容空洞缺少鍛煉價值，而通過課題組導師的引導，可以確定長期穩定的學習、研究內容，增強學生的興趣，幫助學生進行深入的研究。成熟的科技競賽項目具有完善的賽事規定且面向群體，學生參與的過程也有較強的連續性，可以在不同年級之間形成繼承關系，避免走彎路，提高作品質量；發揮高年級學生榜樣帶動作用，指導低年級學生汲取更多經驗，構建階梯隊伍，營造良好的活動氛圍。
4 課外創新實踐活動的實效評價
指導大學生參加創新實踐活動是培養大學生創新能力的有效途徑。由于學生課題組制的活動具有很大的靈活性，因此需要建立一套與傳統課堂教學考試不同的實效評價體系。通過問卷調查發現，參與創新實踐活動的學生都希望通過活動提高自身素質，其中近50%的學生明確表明在意是否獲得獎勵激勵。創新實踐活動管理和運行機制應與學分設置、學生評價制度、物質精神獎勵等因素密切結合，通過導師評價、競賽成績評價和成果評價對參與活動的學生給予綜合評價和適當激勵，并跟蹤學生的長期發展狀況，評估活動的整體影響。
通過調查分析發現，對創新實踐活動的科學評價是對創新實踐教學理論研究內容的完善，能夠促進組織模式的改進，調動學生、老師、學校更大的積極性，提高人才培養質量。
(1)導師評價。導師評價與學生科技創新學分關聯。課題組導師是學生科研活動的管理者，了解和掌握學生在科研、競賽中的表現。導師可根據創新實踐活動的特點制訂相關的考核標準，依據實際情況參照標準要求，決定學生是否獲得相應學分。
(2)競賽成績評價。科技競賽不僅能激發學生的創新意識，提高學生對知識理解和應用的能力，同時也提供了積極競爭的平臺，具有完整的評價體系。學生參與科技競賽的級別和獲得成績的級別能客觀反映學生的創新能力和執行能力，尤其競賽的宣傳展示和現場答辯環節是對學生綜合素質的一項考察。依據學生在競賽體系中的成績給予獎勵，也是對學生參與創新實踐的一種激勵。
(3)成果評價。創新實踐活動的評價可以借鑒科研項目的評價標準，以學生參與發表的論文、專利、參與的實際項目等指標作為評價依據。除了這些評價標準外，教師可對學生的長期發展進行跟蹤，調查實踐活動對學生考取研究生、就業情況等的影響，對創新實踐活動的成果作綜合性評估。
通過調查分析發現，對創新實踐活動的科學評價是對創新實踐教學理論研究內容的完善，可以促進活動組織模式的改進，調動學生、老師、學校更大的積極性，提高人才培養質量。
5 結語
創新實踐活動對學生能力素質的全方位培養起著重要的作用，要采取科學合理的方式調動大學生群體參與科技創新活動的積極性，既要注意科技創新教育的普遍性，又要注意發現和培養一批優秀學生，充分發揮其帶頭示范作用。實踐表明，基于群體理論的課外創新實踐活動的組織形式與科學的實踐效果評價具有良好的可操作性，指導本科智能專業學生在多項科技活動和競賽中獲得了優異成績，人均獲獎一次以上，達到了創新實踐能力培養的目標。
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