新工科背景下民族高校人工智能专业建设及创新人才培养探索

2019-10-23黄勤珍

计算机教育 2019年10期

向伟，黄勤珍

（西南民族大学电气信息工程学院，四川成都 610041）

1 背景

当下，中国正进行着如火如荼的“新工科运动”。虽然对于新工科还没有明确一致的定义，但关于新工科的基本范畴与内涵特征，经过紧锣密鼓的一系列活动和全国范围内的广泛讨论之后，社会及相关行业人员已经达成共识。新工科要以新经济、新产业为背景，新工科的建设，一方面要设置和发展一批新兴工科专业，如大数据、人工智能、智能制造、机器人等，另一方面要推动现有工科专业的改革创新。自2017 年下半年以来，612 个新工科研究与实践项目组成的30 个项目群正在加速推进[1-2]。

面对新一代人工智能的重大发展机遇，教育部于2018 年4 月颁发了《高等学校人工智能创新行动计划》，将完善人工智能领域的人才培养体系作为三大重点任务之一，强调“要完善学科布局、加强专业建设、加强教材建设、加强人才培养力度、开展普及教育、支持创新创业，全方位综合性地提出指导高校人工智能领域人才培养的指导方针”[3]。因此，如何培养人工智能领域的创新人才成为现阶段的研究热点。

2 民族高校普遍特点和人才培养定位及培养思路

2.1 民族高校的普遍特点

民族高校秉承“为少数民族和民族地区服务、为国家发展战略服务”的办学宗旨，肩负着为少数民族地区培养人才和培养少数民族人才的重任。民族高校的学生主要来自民族地区，少数民族学生占比超过50%，毕业之后有相当比例的学生回到少数民族地区工作。以西南民族大学为例，在校本科生27 000 余人，少数民族学生占60%左右；入学分数差异大，从300 到600 多分不等，这种生源的不平衡性和文化的差异性，使我们所肩负的为少数民族地区培养具有创新精神的应用型人才的任务更为艰巨。

2.2 民族高校人才培养定位和培养思路

民族高校在多年的发展中，人才培养思路逐渐清晰，既要遵循高等教育普遍规律，又要尊重民族高等教育特殊性。考虑到学校的社会责任和学生的实际情况，民族高校人才培养定位为培养适应民族地区经济社会发展需要的高素质人才。因此，在人才培养过程中，要以民族地区实际需求为办学依据，紧跟时代发展前沿，确定专业人才的培养方向，在这个过程中遵循现代高等教育的客观规律，与时俱进，制定符合时代发展的培养目标和培养方案，培养宽口径、厚基础、实践能力的强高素质应用型、复合型人才[4]。

2.3 民族高校人工智能人才培养的思路

民族高校人工智能人才的培养既要遵循民族高校人才培养的定位和培养思路，又要紧跟人工智能技术潮流和现代教育方法和理念，逐渐形成具有民族高校特色的人工智能人才培养的思路。以西南民族大学为例，在人工智能创新人才培养的过程中，根据自身特点明确人才培养定位和培养方向，为了突出民族高校的办学特色，我们提出了“以民族地区需求为背景”来确定专业方向，“以工程认证标准为导向”“以课程改革为基础”“以创新活动为依托”“以专业建设为目标”“以校企合作为平台”为人才培养和专业建设具体实施措施。探索并实践以电气信息类专业为支撑，“自顶而下设计”的人工智能创新人才培养模式，逐渐建立面向民族地区应用的“产校地多主体协同”的新型专业融合育人模式，培养能够服务民族地区的应用型人工智能创新人才，形成“智能+民族”和“软硬结合”的专业特色。在新工科建设的大潮下，西南民族大学按照这种培养思路从2018 年开始以电气信息类学生为基础开设人工智能专项班，开展人工智能创新人才的培养，同时积极申请人工智能本科专业。

3 人工智能专业建设方案

为了在新工科背景下去建设好人工智能专业，在设计人工智能专业建设方案的时候，需要考虑以下问题：人才培养目标和毕业要求、专业方向设置、课程体系设计、实践能力培养等。民族高校在建设人工智能专业的时候要从自身的特点出发，去设计人工智能专业建设的方案，确定专业方向和特色。

3.1 专业建设以工程认证为导向，设定培养目标和毕业要求

“工程认证”是全球工科专业建设的标准，其严格的认证机制能够保证工科人才培养的质量。华盛顿协议对工程类本科生的能力要求主要有以下几方面[5]。①在系统、工艺和机器的设计、操作和改进过程中，能够应用数学、自然科学和工程技术知识；②发现并解决复杂工程问题；③了解并解决环境、经济和社会与工程相关的问题；④具有有效沟通能力；⑤能够接受终身学习并促进职业发展；⑥遵守工程职业道德；⑦能够在当今社会中发挥作用。人工智能专业建设过程中，应该紧跟国际潮流，严格制定规范，一切的内容都以“工程认证”的标准为导向，保证培养合格新工科人才的规范性和有效性。

培养目标体现培养什么类型的人才，在工程认证的思想中，它是毕业要求和课程体系的指路灯。人工智能专业培养爱国进取、创新思辨，具备扎实的数理基础知识、良好的外语水平和优良的综合素质，掌握电子、计算机、通信和控制等多学科交叉知识，具有人工智能系统应用开发、实施或管理的能力，能够在人工智能相关科研院所、高新技术企业从事技术和管理工作，能够服务民族地区的应用型人才。

西南民族大学人工智能专业培养目标的特点可以概括为“重工程、偏应用、软硬结合、服务民族地区”。“重工程、偏应用”是根据本校工科学生综合素质的实际情况，培养具有较高素养的工程应用型人工智能人才；“软硬结合”是以电气信息类学科为基础，融合人工智能类课程，培养“软硬兼具”的综合型人工智能人才；“服务民族地区”则体现出民族高校的社会价值。按照工程认证要求，在培养目标的基础上，制定满足工程认证要求的12 条毕业要求，并进行分解，强调工程应用和服务民族地区。

3.2 以民族地区需求为基础，设定专业方向，突出“智能+民族”和“软硬结合”特色

民族高校在制定人工智能人才培养方向的时候应从“为少数民族和民族地区服务，为国家发展战略服务”的办学宗旨出发，以少数民族地区的需求和自身的办学优势为前提，制定符合民族高校特点的专业培养方向。以西南民族大学为例，目前我校工科学生少数民族学生占比超过57%，他们中大部分人最终将回到民族地区服务。在民族地区，少数民族语言翻译、高原动物养殖、高原环境监测等方面是非常需要智能技术支持的。基于此，我们依托川西少数民族地区和我校青藏高原基地，在少数民族语言智能翻译和高原动物智能管理这两个方向找到切实的应用需求。此外，依托我校“民族网络舆情”团队和“非线性系统与控制”团队，可以在大数据和智能机器人方向找到应用需求。在此基础之上，我们从应用需求出发，制定人工智能的科研方向，进而辐射到研究生和本科生的培养，以“自顶而下”的方式设定人工智能人才培养方向。设定机器视觉、机器翻译、舆情大数据、智能机器人为我校人工智能人才培养的重点方向，突出人才培养为民族地区服务的特点，打造“智能+民族”的专业特色。

另一方面，很多高校在设定人工智能专业方向的时候，以计算机学科为基础，是“偏软”的人工智能。西南民族大学拥有多年的电气信息类专业的办学经验，特别是“电气工程及其自动化”“电子信息工程”和“通信工程”3 个省级“卓越工程师培养计划专业”具有较为丰富的实践经验，硬件人才培养是其强项。因此，在设定专业方向的时候，西南民族大学人工智能人才培养以电子信息类专业为基础，融合计算机学科，从单一的“硬件”型人才培养转化成“软硬结合”型人才培养，突出“软硬结合”的特色，区别于“纯软”人工智能培养模式。

3.3 贯通工程教育链条，建立四级创新教学体系，强调实践动手能力培养

按照培养目标、毕业要求和专业方向，构建课程体系，规划课程内容。遵循“以问题为驱动、以项目为载体、以创新为目标”，贯通“课程实践—前孵化器—后加速器—创新创业”的工程教育链条。按照工程认证标准开设“基础型、设计型、综合型、创新型”的四级教学体系。以理论课为基础，强调实践动手能力的培养。

（1）对于理论课程，为了培养学生的实践动手能力，建立“3D”课程教学体制，开设多种多层次的课程设计，强调实际应用。其中，“1D”设计指的是以单门课程的知识点为基础，实现单门课程的设计；“2D”设计则以多门课程综合应用为基础，以实现一个小型应用项目为目标，同时以创新竞赛为载体；“3D”设计是基于项目的创新能力培养，以学科竞赛、大创项目和参与教师科研项目为载体，完成一个相对完整的应用项目。实践环节4 年不断线，使学生由简到繁，单一到综合，竞赛到项目，融会贯通掌握专业知识，逐步培养解决复杂工程问题的能力。具体教学模式实施方案如图1 所示。

图1 3D 教学模式

（2）以创新活动和创新团队为载体，课内课外结合，加强实践环节培养。西南民族大学历来重视学生创新创业活动，跟电子信息类相关的有电子设计、智能机器人、智能小车和航模4 个创新团队。其中智能机器人和智能小车与人工智能专业方向完全一致。在人才培养过程中，以课内实践为基础，把学生的课内实践和创新活动相结合，在“3D”教学模式的基础上，鼓励学有余力的学生参加创新活动和竞赛，给学生提供丰富的实践平台，通过参与创新竞赛、大创项目，真正让学生学以致用，理论和实践紧密结合，提高学生对于知识的理解和实际应用能力。同时设置创新活动兑换实践学分机制，课程实践和创新活动相辅相成，真正提高学生解决复杂工程问题的能力。

3.4 深化校企合作，构建产学协同育人实践应用的教学平台

新工科一个重要的特征就是产学协同育人。西南民族大学电气信息工程学院一直重视校企合作，多年以来开展的校企协作在“卓越工程师培养计划”实施和学生实践能力增强等方面发挥了重要作用，也为新工科建设提供了宝贵经验。学院实施“走出去、请进来”的策略，中青年教师和学生“走出去”感受社会对人才的新需求，掌握最新的工程技术和管理经验；同时把企业一线资深技术人员“请进来”到校授课和讲座，特别是参与实践类课程教学。这一优良传统在人工智能人才培养的过程中将继续保持，并将进一步加强和AI 企业的合作。目前已经与百度、科大讯飞开展了一系列的人才培养合作。百度公司“民族高校人工智能人才培养的协同育人项目”已开始实施，提供了AI 师资培训，PaddlePaddle 框架已经在本科生教学中开始推广使用。学校与科大讯飞签署了人工智能专业合作框架协议，下一步将和更多的AI 企业合作，建立校外人工智能实训基地，构建产学协同育人实践应用的教学平台，请企业导师全程参与课程设计和综合课程设计，增强学生的实际工程应用能力。

4 课程体系设计

4.1 课程体系设置的原则和特点

课程体系设置以毕业要求为基础，并切实体现毕业要求指标点。我们在设计课程体系的时候，旨在“夯实基础，重视实践”，强调解决复杂工程问题，突出“智能+民族”和“软硬结合”的特色。专业毕业要求总学分170 学分，为体现培养应用型人工智能人才的目标，实验和实践学分占到总学分的30%左右。具体的课程体系平台构成及学分列于表1 中。

西南民族大学人工智能专业课程体系体现出“四平台四递进”的特点。四平台指的是通识平台、文理基础平台、专业平台和实践平台。四递进是指以理论课程为基础，辅以课程实验，进阶到课程设计，最后递进到综合课程设计[6]。

四平台具体包括：

（1）通识平台。主要包括各专业都开设的通识必修和选修课程，如政治理论、英语、体育、心理、职业生涯规划等。

（2）文理基础平台。主要包括工科专业需要开设的基础课程，如高等数学、线性代数、工程导论、三电课程、物理等。

（3）专业平台。主要包括人工智能专业的必修课和选修课，如人工智能导论、机器学习、算法与数据结构、计算机原理等。

（4）实践平台。主要包括综合课程设计、毕业设计以及各种实习。单门课程实验和课程设计主要包括在对应的文理基础平台和专业平台。

四递进设计的初衷是为了提高学生解决复杂工程问题的能力，针对每门重要的专业基础课和专业课，以课程理论知识为基础，先开设课程实验，在此基础上开设课程设计，目的是提高单一课程的知识应用的能力；学习了多门专业课程之后，再开设相应的综合课程设计，目的是能够设计功能比较完整的智能系统，培养解决复杂工程问题的能力。

4.2 专业课程设置

在专业建设中，根据民族高校人工智能人才培养的定位，以民族地区需求为背景，设置符合“智能+民族”的专业方向，根据西南民族大学的实际情况，设置机器视觉、机器翻译、大数据和智能机器人为4 个重点专业方向。为了突出“软硬结合”的特色，除了通识平台的课程外，其他3 个平台的课程都包括了硬件类课程和软件类课程，属于本专业的基础课和专业课。

文理基础平台主要包括数学和物理的基础课以及三电课程，目的是让学生打好数理基础和硬件知识的基础。专业平台包括专业基础课和专业课，主要包括计算机类、工程类和人工智能必备基础课。其中，专业基础的必修课包括人工智能基础、机器学习、C 程序设计、算法与数据结构、计算机原理、信息论、信号与系统等。专业基础的选修课则包括工程制图与AutoCAD、电路工艺实践、金工实习、电路计算机辅助设计、算法与数据结构课程设计、单片机原理与接口技术、单片机原理与接口技术课程设计、Java 语言开发、Java 语言开发课程设计、Unix/linux 环境编程、Python 语言及其应用。专业课则以4 个专业方向为基础，按照专业方向来设置。根据应用人才培养的目标，重要的专业基础课和专业课都开设了实验及课程设计，强调以理论为基础，强调技术的应用与实施。专业方向对应的专业课程见表2。