新工科背景下智能科学与技术专业课程体系研究

　　摘 要：随着智能科学技术的快速发展，智能科学与技术专业应运而生，按照新工科建设需要，构建面向应用的课程体系应服务于当地经济发展。以郑州工程技术学院智能科学与技术专业为例，以郑州市区域性经济社会发展对人才的需求为导向，结合学校的优势专业和优秀师资，以项目驱动为主线，给出了如何确定专业定位、渐进式实践教学体系、校企深度合作培养模式的理论课程体系及实践教学体系。

　　关键词：新工科;地方性大学;智能科学与技术;课程体系;产教融合

　　0 引言

　　互联网极大地推动了科技产业变革，各行各业也发生着巨大变化。教育部于2016年提出“建设新工科”理念，2017年在复旦大学和天津大学召开新工科建设研讨会，提出“复旦共识”及“天大行动”。为了更好地建设新工科，我国教育部相继批准了网络空间安全、大数据、人工智能等新一系列工科专业，并通过校、政、行、企的协同创新机制，为传统工科专业建设和发展提供了新思路。

　　目前，国家大力提倡创新驱动社会经济发展，先后提出“互联网+”、“丝绸之路经济带”、“中国制造2025”等重大国家战略。为促进我国在经济全球化浪潮中激流勇进，利用新的科技为行业注入活力，催生新业态和新发展模式，培养具有创新思维的高素质复合型工程科技人才，加快工程教育方面的改革创新迫在眉睫[1-3]。计算机类专业是我国比较传统的工科专业，多年以来一直在创新人才培养模式、提高人才培养质量等诸多方面与新工科的要求存在一定差距。因而，高校如何面向新需求，助推现有工科升级更新存量，以战略性新兴产业实际需求为驱动，以课程、教材和实践教学体系变革为核心，从而转型为新型工科迫在眉睫。

　　智能科学与技术专业具有跨学科的交叉复合性，对技术革新和实践运用要求较高，是信息学科的新兴专业。郑州工程技术学院作为郑州市的地方应用型本科高校，在2019年以人工智能和认知科学为基础，围绕智能科学技术领域，为了培养能够综合运用计算机、自动化交叉学科知识进行智能系统研究和设计的创新型人才，申请了智能科学与技术专业，对郑州地方高校的人才培养模式进行创新性研究，不断地探索跨学科的智能科学与技术人才培养新模式，在人才培养体系中融入“问产业需求进行专业建设，问技术发展进行课程内容改革，问学生兴趣改变教学方法，问学校主体推进教育改革”的理念[4-5]。

　　1 课程体系构建面临的问题

　　随着互联网时代对新一轮科技产业变革的挑战，服务创新驱动发展的新局面基本形成，计算机行業对人才的实际需求也发生了较大变化，传统的人才培养模式已难以满足该行业转型发展需求。郑州工程技术学院作为郑州市市属高校，是郑州市首屈一指的综合性人才培养基地，其紧紧结合区域经济对计算机行业应用型人才培养以及工业4.0对计算机行业转型升级发展需求，从人才培养模式、人才资源需求配置、人才培养机制创新等多方面进行改革[5-7]。智能科学与技术具有跨学科的交叉复合性特点，对技术革新和实践运用要求较高，可以将认知科学与人工智能科学技术作为研究基础，综合运用脑科学、智能控制、传感器等交叉学科知识。智能科学与技术专业是信息技术领域的一个新发展方向，以数学和自然科学知识为基础，深入研究智能科学与技术的基本理论、方法和技能，使学生掌握计算机技术、传感信息处理、自动化控制等交叉学科知识与技能，同时具有一定的科学研究、开发设计、工程应用、决策管理等能力[8-10]。智能科学与技术专业课程体系构建主要面临以下两个问题：

　　(1)专业特色不明显，专业优势没有得到很好发挥。新工科理念要求高校在进行人才培养时，应根据所设立专业的特点及发展方向，有针对性、有步骤地培养学生的创新思维和创新实践能力，提高学生综合素养。

　　(2)教学与产业发展结合不够紧密，无法很好地将教学中的理论与实际需求进行融合，创新地解决行业发展过程中遇到的问题。学校与企业深度和广度需要加强，教学模式也需进一步优化，应为学生创造更多的实践机会，通过社会生产实践，促进教学效果和教学质量提升。

　　2 课程体系构建路径

　　2.1 以产业需求确定专业定位

　　课程体系构建要首先对相关行业、产业需求进行调研、分析;然后，根据行业产业岗位确定学生从事相关工作所需的核心能力，由核心能力确定核心课程;最后，优化核心课程及重构课程内容，形成符合新工科人才需求的智能科学与技术专业课程体系。

　　在调研河南省内外地方高校人才培养方案及成效，走访用人单位了解毕业生遇到的问题和用人单位需求的前提下，郑州工程技术学院对相关调研数据进行了汇总和分析，有针对性地修改人才培养方案，不断完善人才培养各要素，构建“融合资源”课程体系。

　　(1)根据经济社会发展需要，打通学科专业壁垒，依托多个学院，增加土木工程专业、建筑电气工程技术专业、电子信息工程技术专业、信息安全与管理专业、电气工程与智能控制等专业交叉课程，形成智能科学与技术课程群。

　　(2)以郑州市区域性经济社会发展对人才的需求为导向，结合学校优势专业和优秀师资，修改人才培养方案，以项目驱动为主线，设计循序渐渐的专业课程体系和实践教学体系，形成理论教学、工程实践、创新能力共同提高的创新培养机制。以需求为导向，设计理论课程体系，深入调研各高校人才培养模式，通过实地走访了解郑州市区域性发展对人才的需求，以市场需求为引领，结合学校办学特色和教师组成结构，依托优势专业，确定合适的课程方向(比如智能信息处理方向、智能机器人方向、智能传感器方向等)进行课程设置，设计一套合理的理论课程体系，如图1所示。

　　利用设计好的课程体系，借助搭积木的模块化思想将课程划分为多个主题模块，采用“通识+平台+模块+方向”的模式进行推进和建设，“通识+平台”类课程旨在培养学生基础专业知识习得能力，“模块+方向”类课程主要培养学生专业核心能力或专业迁移能力，条件允许的情况下每个模块的课程可以设置不同的难易度，以满足学习者的层次教学需要，根据学生特点因材施教，培养学生们的兴趣爱好，为学生未来职业发展作准备。目前，数字电路、模拟电路、单片机原理与应用、传感器原理与应用、RFID原理与应用课程正在向模块化单元组织开发建设[12-14]。

　　2.2 强化面向应用

　　(1)构建阶梯式实践教学体系，如图2所示。智能科学与技术专业的跨学科复合性较强，主要培养能综合运用计算机和自动化交叉学科知识，进行智能系统研究的应用型人才。合理地在第2-3学期开设课程设计，在第4-7学期开设专业方向实训课程，保证实践内容不断线。同时，将纵横科研项目、企业项目移植到实践体系中，全方面提升学生综合应用能力。将企业项目分模块穿插到实践课程，理论联系实际，在实践课程中提出新问题、新思路，提升学生学以致用、举一反三的能力。在专业教师的指导下参加校企科技创新项目或各类大赛，学校安排学生进行合作企业或培训公司的暑期实训、企业实习等，为学生提供多方位的学习资源和实训机会。同时，将学生的阶段性表现和成果也纳入考核的一部分，提高学生积极性。

　　(2)根据课程内容和课程标准要求，对教学方式进行改革，采用灵活多样的教学方式激发教师和学生的积极性，提高课堂效率。可以使用翻转课堂，教师成为课堂教学的引导者，将学生的“被动学”转变为“主动学”。对于一些实践性较强的课程(比如智能机器人课程)理论和实践课都安排在实验室，教师使用控屏软件进行案例讲解，让学生直观地边学案例边操作;对于一些较为前沿的扩展性课程，学校可以直接聘请在一线进行开发实践的企业工程师或设计师到学校以讲座或头脑风暴的形式進行讲解。

　　2.3 产教深度融合

　　实现专业特色发展，在教学实践过程中，由教师引导，让学生参与企业合作项目(医用智能配药机项目、共享电动汽车运营管理平台、基于生物电子标识的城市养犬管理数据平台、自行车运动员机能状态数据采集及分析平台等)研发，在学生实践过程中提升他们的创新实践能力，当遇到疑难时，由教师予以指导。教师指导学生参加大学生各类设计大赛、机器人大赛等，通过各种竞赛提高学生的创新实践能力，从而体现专业特色。与合作企业深入开展专业建设、人才培养、课程建设、实验室和实践基地建设等，包括共建产业学院。目前，该专业与中原鲲鹏生态创新中心共建了郑州工程技术学院鲲鹏产业学院，在大数据与云计算、鲲鹏应用移植等方面进行专业共建、课程共担，师资共享。产教深度融合必须遵循与地方区域经济社会发展需求接轨的原则，对接区域战略产业，这样才能有利于专业的可持续发展和学生的高质量就业[15-16]。

　　为了深入开展产教融合，在课堂教学中，注重学生创新思维培养以提高学生达成度。在设计任务时结合教师参与的实际项目让学生进行拓展训练，项目选取课程组设计的一款智能化产品——医用智能配药机。目前，静脉用药调配中心主要靠配药人员使用注射器配液，劳动强度大、效率低，亟需一种可以缓解劳动强度、提升工作效率的机器。基于STC15F2K60S2单片机配合上位机系统研发一套新型医用蠕动泵配液机，该医用智能配药机是依据“药品集中配置理论”模型和“静脉用药配置工艺标准化”概念研发而成，能够通过无线模块多机联合使用，具有快速、精准、安全、轻松配药的优点，目前已在很多三甲医院的静脉用药调配中心使用。可以将项目的软件部分提取过来让学生进行创新训练，该医用配药机的总任务框架如图3所示。

　　坚持成果导向教育的教学理念，以智能科学与技术专业的人才培养目标为达成度，并创设具体的生产生活情境对教学内容进行设计，提高学生分析、提出假设、解决问题的能力，让他们初步具备创造性思维的能力。因此，基于此情景设计智能配药机控制系统和空中机器人等作为实训项目案例，根据专业课程体系规划，将相关课程中的知识点与项目进行有效融合，让学生边学边做，在实践中加深对知识的理解，综合利用已学知识解决实际问题。在深入研究和综合分析智能配药机控制系统和空中机器人需要实现的相关功能所对应的知识结构后，将8个子模块融入综合项目中，涵盖对应的8门课程的知识点，对所学知识进行有效扩展，锻炼了学生综合运用所学知识的能力，如表1所示。

　　对智能配药机控制系统和空中机器人进行分析，引导学生注重身边存在的实际需求，培养学生的创新性思维，通过程序调试、测试机器功能等过程，让学生有满满的成就感，并极大激发他们自主学习的兴趣和对专业知识领域的探索欲望。利用以学生为中心的课中授课，有效解决了学生的疑问，培养了学生分析问题、解决问题的思维，从而提升课程的高阶性。与此同时，增加课程的创新性、实践性、趣味性、挑战度，让学生通过自己动手完成实验，从而实现对知识与技能的融会贯通[17-18]。实验教学通过形象直观的实验过程，调动了学生的学习兴趣，加深了学生对理论知识的理解，也培养了学生的实践动手能力和创新思维。

　　2.4 多元切入，优化创新创业教育

　　按照新工科要求，围绕学生的兴趣、爱好，充分挖掘学生的创新创业潜力。在业余时间，学生可以宿舍为单位进行科技创新训练，借助教师提供的或学生自己购买的耗材，通过趣味性的创客设计、实验，通过对专业的探讨、实践、创新与分享，让学生体验一种亲历感，建立起合作学习的氛围。新工科的学生实践能力培养尤其重要，可以申请开放实验室项目，让学生主动走进实验室，可以让有成就的学长引领学生在创新创业教育中起榜样作用，逐步形成高年级带低年级的示范效应。也可在业余时间组织学生参加机器人或人工智能相关学科竞赛，依托学校的创新创业实践平台，通过大学生创新创业训练项目，引导学生积极参与教师的科研项目，增强学生的工程实践能力，锻炼学生的项目管理和成本控制能力，拓展学生的创新创业理念[19-20]。与校外企业进行深度项目合作，为学生校外实践提供保障，增强创新创业意识。课程组教师带领学生参与的“郑州市宠物管理系统”“医用智能配药机项目”“自行车运动员机能状态数据分析平台”等项目取得了“郑州市科技进步二等奖”“全国创新创业大赛二等奖”的成绩，所带领的学生参加2019年全国大学生电子设计竞赛——智能巡线机器人项目获得国赛二等奖1项、河南省一等奖3项的好成绩。学生的学习能动性、实践动手能力、创新创业意识都得到了提升。

　　3 结语

　　本文以智能科学与技术专业为例，对郑州地方高校的人才培养模式进行了创新性探索。研究发现，课程体系构建要以服务地方经济发展需求为目标，以产业定岗位，以岗位能力重构课程体系。并且，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量，最终需将教学改革落实到课程建设上。这不仅有利于优化郑州市地方高校人才培养方式，改变“教师满堂灌、学生被动学习”的状态，实现“教师为主导、学生为主体的主动学习”，提高师生各方面的积极性，而且将企业实际案例作为教学项目，使培养出来的学生更符合企业和社会需求，可有效推动各地方高校产教深度融合，进一步深化校企合作，形成互利共赢局面。下一步研究中，将主要以新工科建设为契机，以“金课”教学引领教育教学改革，创建智能科学与技术专业的一流本科课程，为创新型国家建设培养更多高素质人才。

　　参考文献：

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　　[4] 吴东，张立敏，张强，等. 多维渐进式机器人课程实践教学体系构建[J]. 计算机教育，2018，16(3)：151-154.

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　　[7] 刘永军，曲文龙，胡吉朝，等. 新工科建设中地方普通高校过程化教育研究与实践[J]. 软件导刊，2019，18(3)：214-216，220.

　　[8] 罗娟， 李智勇，李仁发. 智能科学与技术专业课程体系建设思考[J]. 计算机教育， 2016，14(10)： 25-27.

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