智能科学与技术专业本科实践课程的建设

智能科学与技术专业本科实践课程的建设

摘要：介绍南开大学智能科学与技术专业本科实践课程的创新和建设，探讨以课内实践教学体系为基本、以课外学生自主科技创新和综合竞赛为补充，丰富教学内容，激发学生学习兴趣。探索在课内专业实践课程中采用固高教学实验设备，结合自动控制课程设计实验内容；在课外学生活动中组织本科生创新科研“百项工程”和“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛。实践表明，课内和课外实践教学的有机结合，培养了学生的创新能力和实践能力，取得了良好的教学成果。

关键词：智能科学与技术；实践课程；教学创新；固高实验设备；飞思卡尔智能汽车竞赛

智能科学与技术专业是教育部于2004 年新增的目录外试点专业，北京大学2004年首先建立此专业[1]，随后全国很多高校开始筹备和设立此专业。南开大学2005 年获得批准成立该专业，2006年开始招收学生。经过数年的努力，南开大学根据智能专业的特点和南开大学文理综合为主的特色，设计了一种能够充分发挥南开大学的理科优势、并且带有工程科学特色的学科建设方法和本科培养模式[2-3]。该专业开设的课程和教学计划充分体现面向前沿高技术的特点，强调应用型、研究型、开发型的专门工程技术人才的需要，丰富实践教学手段，把教学与实际应用、科研方向相结合，使本科生不仅能够学习掌握基本理论知识，而且能够得到较好的工程教育，具备较强的创新动手能力和社会适应能力。

实践环节对工程应用型人才的培养至关重要。实践教学由浅入深，包括演示性实验、基础技能实验、原理验证实验、综合设计实验。演示性实验以参观和认识实习为主；基础技能实验训练学生的基本工程技能，如C++上机；原理验证实验主要为专业课的实验部分；综合设计实验让学生进行多门课程知识的集成设计和灵活应用。

本文主要论述综合设计实验的创新和建设。南开大学智能专业的实践教学内容分两部分：课内的专业实践课程和课外学生创新科技活动。专业实践课程在形式上遵循传统的“理论教学——实验”模式，它主要作为自动控制等理论课程的后续实验环节，帮助学生深入学习和掌握专业理论知识；同时，其课时和内容设置有较大改革，内容扩充、独立成课。课外科技活动以本科生创新科研“百项工程”和“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为契机，鼓励学生根据能力和兴趣自愿参加，灵活利用课程理论知识自主设计和自己制作，完成多种创意作品。

1实践教学的作用

实践课程是本科教学中的重要环节，我们很难用量化的标准评价它的重要程度及它能对提升教学效果所作出的贡献，而只能从本科毕业生就业和深造情况作感性的判断。南开大学2010届智能专业本科毕业生31人，有15人攻读研究生、

2人重新考研、14人进入各类科研院所、大型合资企业和国有企业[3]。2011届本科毕业生35人，有17人攻读研究生，5人出国、13人就业。从这些数据，绝大部分学生毕业后继续进行科研方面的深造和工作。实践课程能够大力提升学生的动手能力、创新能力、应变能力和表达能力等基本素质，对学生今后的深造和工作有重要的影响。

我们对实践课程的教学内容进行不断调整和优化，在教学计划中合理安排课内专业课程与课外科研活动，如图1所示，我们力图做到理论课程与实际科研活动紧密结合，在加强专业实践课程的同时，积极扩展课外科技活动，引导学生参加创新科研“百项工程”。从2010年起，我们将“飞思卡尔”智能车竞赛引入到学生的课外科技活动中，充分调动学生的学习积极性和主动性并不断摸索和总结更好的实践教学方法和手段。

2专业实践课程

专业实践课程是教学大纲内的一门重要实践课。在第二学年和第三学年学习掌握自动控制理论知识之后，第三学年第二学期开始进行专业实践课程。它的内容是在MATLAB/Simulink软件环境中，利用自动控制原理、现代控制论等课程上学习到的理论知识，搭建控制模型，对固高公司的磁悬浮、三自由度直升机两种教学实验装置分别进行控制，验证PID(比例-积分-微分)控制、模糊控制等控制理论和算法。它与自动控制原理、智能技术、计算机技术等基础理论课程有很密切的联系，同时具有一定的独立性，学生在实验设计上有一定的自主性。课程实验内容较多，总课时为36学时。由于理论指导课程自动控制原理已经在前一学年结束，本课程在课时上首先安排4课时对控制理论进行回顾与复习，然后安排16课时进行磁悬浮实验、14课时进行直升机实验，最后2课时采用展示和答辩的方式进行课程结果的检查。

2.1实验内容

专业实践课程的内容是在MATLAB/Simulink软件环境中搭建控制模型，对固高公司磁悬浮设备和三自由度直升机设备进行控制。通常的实验顺序是先对实验设备进行分析、建模、仿真，在仿真环境中得到较好的效果后，再把控制模型应用到实际设备上进行验证。

从课堂上的实际现象来看，由于仿真结果与实际设备之间有较大的偏差，加之学生对硬件设备有着强烈的好奇心，因此，他们没有耐心先做仿真，或者是匆忙做一下仿真就开始在硬件设备进行试验。PID控制器的优点是简单易懂，不需要了解被控对象的精确系统模型也能得到很好的控制效果。因此，在专业实践课上，不强求学生按照“先仿真再实际设备”的顺序来进行实验，而是允许他们先在实际设备上进行实验，从实验效果上来直接感受P、I、D三个参数对控制效果的影响。硬件设备控制成功后，再引导学生补做仿真，加深对控制算法的理解。“先实验、再仿真”的实验顺序也使学生较深刻地理解了PID不需要精确了解被控对象物理模型这一优点，同时也有助于他们以后在实际工程中应用PID控制器。

2.2实验分组

学生分组进行实验。最初，由于实验设备数量的限制，每组人数为4～5人，经过一段时间的教学，我们认为小组人数较多导致学生接触设备的时间短，学习兴趣降低。因此，我们确定2～3人为一组，分两批次进行实验。这样小组内的学生有更多机会进行亲自动手实验，同时，小组的形式有利于学生间的讨论和互相学习，在实验设备数量有限的情况，这种合理分组形式能保障教学质量。

2.3实验成果检查

专业实践课程的考查通过综合评估实验结果和实验报告来评分。实验结果可以直接观察，磁悬浮设备使铁球稳定地悬浮，直升机设备悬浮在固定的高度，并按预定速度水平旋转。图2是磁悬浮系统示意图和实验成果展示。

3课外科技活动

3.1创新科研“百项工程”

南开大学历来重视学生课外科技活动，对此，我们实施本科生创新科研“百项工程”，为学生创新科技活动提供资金、人力和师资支持。其中重点项目的执行周期为两年，一般项目的执行周期为一年。通常有超过50%左右的学生能够通过“百项工程”跨专业地参加到各种创意小组里进行课外科技活动。智能专业的本科生通常在第二学年就开始进行“百项工程”项目的创意和申报，第三学年正式开始课题研究。项目的来源是学生自由创意和教师指定，其中自由创意主要由学生自己提出具有创新性的科研内容，教师指定是由教师抽取自己在研究项目中的一部分来形成适合本科生水平的科研题目。这两类项目都是在学生自愿选择的基础上进行，学生的学习兴趣普遍较高。

3.1 “飞思卡尔”杯智能汽车竞赛

本科三年级学生的另一项重要的课外科技活动是全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛。它要求在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控制模块，自主控制模型汽车完成比赛任务。该竞赛得到了教育部的大力支持，现已发展成全国26个省(自治区)、直辖市的300余所高校广泛参与的全国大学生竞赛[4]。每年举行一次，第三、四、五届连续被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目之一，今年是第六届。该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科知识。南开大学开展此项竞赛较晚，信息技术科学学院近一两年已经开始重视，并从新专业建设费和本科生教学经费中拨款对“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛进行资金支持。

智能车竞赛课外科技活动安排在第三学年第二学期，此时，学生已经学习了计算机组成原理、自动控制原理、电路基础、机械工程基础、C++编程等专业课程，能够独立地进行智能车传感器的设计和制作、单片机编程、路线识别和运动控制。同时可以结合课内的专业实践课程，使用MATLAB/Simulink的工具进行