实验课程·专业实训·学科竞赛金字塔式实践教学

李智勇，肖 正，岳 雄

（湖南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410082）

摘要：针对大学专业教育中普遍存在的高分低能状况，以“用”为出发点，提出实验课程·专业实训·学科竞赛金字塔式实践教学体系，阐述如何打通课程理论之间的联系，自底向上从实践动手、分析综合再到发明创新分层逐步培养和提升学生的专业能力。

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关键词 ：实践教学；实验课程；专业实训；学科竞赛

第一作者简介：李智勇，男，教授，研究方向为智能计算、智能系统、大数据，zhiyong．li@hnu．edu．cn。

0 引 言

大学作为直接为社会输送人才的机构，将人才“可塑性”和“可用性”作为大学教育的根本目的，因此培养学生的文化素养和专业能力成为大学教育最重要的任务，但由于中国传统教育思想的影响，“高分低能”一直是中国教育面临的一个严峻问题，而这一问题在高等院校更为突出。问题不解决，便达不到“可用性”的目的。

这一问题违背了大学教育尤其是工科类院校的初衷，越来越多的高校逐渐意识到该问题的严重性，开始进一步关注实践教学，压缩理论教学的时间，辅以更多的实践教学课时。“小学期”是这一趋势的典型代表。这一变化将实践教学的质量问题提上日程，如何建立合理有效的实践教学体系和安排实践教学内容是当前高校不得不思考和亟待解决的问题。

1 教学现状及问题

我们以湖南大学智能科学与技术专业为例分析目前实践教学的现状及存在的问题。

1.1 课程教学体系

湖南大学智能科学与技术专业近3年的教学计划中，要求学生毕业最低总学分为170分，图1给出各类环节所占的学分比例，可以看出，专业实训（含毕业设计）只占总学分的16%，教学计划侧重理论教学，从学时分布来看，此偏重更为明显。图2分析了每个学期的课程教学学时情况，学生几乎需要将所有时间放到课程理论学习上，被严重束缚，实践教学形同虚设。

1.2 现有实践教学体系

在智能科学与技术专业近3年的教学中，实验课程有普通物理实验和人工智能基础实验两门。从学生完成该实验课程的情况来看，大多数学生数据处理逻辑简单，几乎没有运用模式识别、机器学习、智能控制等人工智能方法完成的作品。第6学期开设的实践课程远远达不到培养学生熟练运用多门专业理论和方法的目的。

现在很多高校开始实施“小学期”教学日历，设置为期1个月左右的集中实践或者专业实训环节。前两年的“小学期”是面向全院所有专业学生的基础能力培养，而第3学年后的“小学期”安排专业综合设计实训，训练学生的专业能力，如五子棋人机对弈项目可以大大提高学生对专业的兴趣，但项目过于单一，仅涉及人工智能、模式识别、机器学习等课程，与人工智能实验课程有重合的倾向，而诸如机器人学、智能控制等智能科学与技术专业的特色课程就没有训练的机会，此外对比上一个硬件技术实训缺少能力培养的延续性。具备创新发明的能力是目前实践教学甚少考虑的培养目标。

1.3 存在的问题

这种培养方案主要存在以下问题：①实践教学学时过少，学生实践能力培养机会太少；②理论学习任务过重，学生的双手无法得到解放；③实验课程内容设置不合理，课程理论与实际没有有效结合；④面向专业的实训内容单一，专业理论覆盖面不够；⑤能力培养断层，发明创新能力未涉及。

2 金字塔式实践教学体系

针对以上存在的问题，我们制定了新的培养计划，图3所示是2015年湖南大学智能科学与技术专业教学计划课程时序图。可以看出，不计实验课程，每学期的理论教学课程减少到平均5门课程；实验课程大大增加，从原来的2门增加到7门。新的教学计划中实践教学得到重视和加强。

另外，教学计划的另一个特色是高年级的教学／学术方向分组，根据信息科学与工程学院的科研优势设置了4个方向，将教学与科研有机结合。课程按组选修，增加了选修课之间的关联性，使培养目标更突出，令学生有的放矢。教学计划也反映了实践教学的体系结构：针对重要的学门、学类和专业课程，通过专门开设实验课程巩固这些重要课程；接下来，通过专业实训将多门课程理论串联起来；最后，拟提供丰富的学科竞赛机会，对于学有余力的学生进一步培养发明创新的能力。这3个层面形成了一个金字塔式的实践教学体系，如图4所示。越往上，能力水平越高；往下是必须具有的基础能力。金字塔式的实践体系体现了递进式的能力培养过程。通过该培养模式将能直接给社会输送“可用”人才。

图4给出了整个实践能力培养的空间结构。笔者将分别从时间角度详细介绍3个层面的培养目标和实践内容安排。

2.1 实验课程

实验课程处于金字塔的最底层，目的是培养学生运用专门知识进行动手实践的能力，熟悉和巩固专业基础课程理论，为上层的能力培养打好基础。这一能力是所有智能科学与技术专业合格大学生必须具有的根本能力。

程序设计和计算机系统设计是实现智能的手段和载体，因而第1学年和第2学年围绕这两个能力开展理论和实践教学活动，开设了高等程序设计、数据结构与算法、数字逻辑、计算机系统等课程，其中程序设计、数字逻辑和计算机系统3门课程实践性较强，因此还配套设置了对应的实验课程。实验课程与理论课程尽量同步开设，利用实验箱对理论进行验证，加深学生对课程的理解。第3学年和第4学年面向计算机上层系统和应用，操作系统和计算机网络是典型代表，因而针对这两门课程开设对应实验课程，这几门实验课程是学类核心课程。此外，教师还可围绕智能科学与技术专业的重点核心课程“人工智能”开设机器人实验课程，让学生基于NAO人形机器人、智能小车、RoboCode等设备软件理解、熟悉和练习各种智能的算法和模型。从程序设计、计算机系统、操作系统、计算机网络和人工智能5个方面依次开展基础实践到专业实践的培训，为上层专业实训作好准备。

2.2 专业实训

专业实训是随着小学期的推广而逐渐引入的培养环节，未有成功的经验可以借鉴。5年中我们不断地探索，在刚开始的2年采用“集中实践+生产实习”的方式。集中实践指在学校里进行一些简单的综合设计，如软件实训开发类似图书管理系统的软件。由于题目较为简单和老套，学生兴趣不高。生产实习是指和企业合作，将学生派往生产一线，这一想法初衷好但操作性低。因此，头两年的“小学期”成效不佳，于是取消生产实习，将集中实践从2周延长为4周，增加项目难度，如2014年在第2学年实行的“STC单片机开发”和第3学年实施的“五子棋智能对弈设计”，难度适中，学生普遍反映较好。

这两年取得的进步给我们很大的启发。第2学年的软件实训结合最新的APP应用引入Android开发，让学生可以在自己的手机上展示作品，实现即所得，极大地激发学生的积极性；在已有的单片机开发上，提升设计的高度和难度，引入FPGA设计，让学生全面学习嵌入式系统；最后，在智能专业综合设计方面，将五子棋智能下棋程序打造成全院的一个竞赛，结合专业最前沿的发展方向，进而增加机器人开发、物联网系统和嵌入式系统设计，涵盖智能终端、智能软件、智能系统，提供较宽的选择，充分发挥学生的一技之长。

2.3 学科竞赛

前两个层次基本上完成了工程能力的培养，但创新才是核心竞争力。如何激发学生发明创造的潜能也是实践教学的任务之一。这一能力在以前的教学中甚少专门涉及，发明创新的能力是一道坎。

学科竞赛是培养发明创新能力比较好的一个突破口，因此我们在实验室建设过程中适当考虑了对学科竞赛的支撑，基于RoboCup足球机器人在协同对抗上创新，基于模块化机器人在创意上立新，基于NAO机器人在自然语言处理上求新。目前，学生长期参加的学科竞赛有RoboCup足球机器人中型组比赛、物联网设计大赛以及全国电子设计大赛。教师应为有志向和能力的学生提供创新平台和条件，鼓励学生参加高水平的学科竞赛。

学科竞赛组成了实践教学的最后一环，面向科研，与研究生教育接轨；面向创业，为IT产业增添生命力。

3 建设措施及成果

3.1 实验室配套建设

根据实践教学的分层体系，目前已有的支撑该体系的仪器设备见表1，可满足不同层次的用途需求。课程实验的设备主要以验证为主；实验课程的设备需要学生动手实现算法和设计；专业实训的设备主要以提供平台为主，让学生自主搭建系统；学科竞赛的设备一方面要满足竞赛需求，一方面可以应用于学术研究，具有一定的开放性。

针对学科竞赛，我们已经建立400 m2的场地专门用作智能科学与技术专业的创新和学科竞赛实验室。图5所示为学生正在专心调试足球机器人。

3.2 实践教学代表性项目

1)电子产品的制作、测试及使用( STC-A实验学习板)。

通过完成一个电子产品（STC-A实验学习板）的制作、测试及使用，学生能够全面了解电子产品的开发与生产全过程以及质量管理；实践简单的焊接技术，认识基于处理器的电子系统的组成；学习电路调试及检测能力，了解“STC-A学习板”的功能以及嵌入式系统的入门知识；拥有一个便携式学习与创新的实验平台，为今后的学习提供方向与帮助。

2)“智能杯”五子棋程序设计邀请赛。

该竞赛在已给出五子棋平台的基础上（已有界面，无需自己编程界面），要求参赛者写出五子棋算法。换句话说，就是设计五子棋COM的智商。五子棋看似简单，实则包含各种变化，计算种种变化同样需要强大的知识储备。程序设计与五子棋结合既朴素简单，又包罗万象，同时通过对弈方式可以综合多种人工智能理论和方法，反映出技能的高低。

3)足球机器人。

中国机器人大赛暨RoBoCup公开赛是中国最具影响力、最权威的机器人技术大赛。信息科学与工程学院从2013年开始连续参加了两届比赛，积累了一定的经验，已基本形成老带新的格局。通过展现一个真实的机器人产品，可以让学生感受本专业的特色和前景，提高专业的认同感；通过动手改进一个实际产品，激发学生的创新意识；通过这个比赛，期望学生能够逐步达到自主研制复杂精密机器人的水平。

4 结语

能力培养是大学教育的重中之重，而实践教学是达成这一目标的重要手段。实验课程·专业实训·学科竞赛金字塔式实践教学体系符合能力培养的阶梯性，涵盖了动手实践、综合分析和发明创新3种能力。部分实践教学项目得到较好的反响，为这一体系进一步成熟化和规范化提供了动力。

下一步，我们拟主要从两个方面进一步推进智能科学与技术专业的实践教学建设。一方面不断提升从事实践教学的教师水平，注重与行业接轨，跟进行业的最新发展动态和专业技术并将其反映到实践项目中，形成一个持续发展的良性生态；另一方面积极融人工程认证的理念，为工程类学生今后走向世界提供具有国际互认质量标准的“通行证”。实践教学作为能力培养的重要手段，为了使其更加科学和规范，我们将参照工程认证的标准，对各项能力的培养在实践教学过程中有更明确的对应，对能力的考核能更细致化。

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（编辑：宋文婷）