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      智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)及其考核模式探究

      2017-11-06 00:15:51許曉飛陳雯柏楊飛劉玉威
      計(jì)算機(jī)教育 2017年10期
      關(guān)鍵詞:考核模式

      許曉飛 陳雯柏 楊飛 劉玉威

      摘 要:介紹智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)教育教學(xué)實(shí)踐探究,以法國(guó)工程師教育體系為啟發(fā),結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐,研究和分析工程教育過(guò)程培養(yǎng)和能力達(dá)成度的評(píng)估考核模式,強(qiáng)調(diào)工程類(lèi)人才培養(yǎng)目標(biāo)能力達(dá)成度的考核模式實(shí)效性提高和創(chuàng)新機(jī)制建立推廣的緊迫性。

      關(guān)鍵詞:工程類(lèi)人才培養(yǎng);實(shí)踐教學(xué)平臺(tái);考核模式;智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)

      0 引 言

      提升解決實(shí)際智能工程問(wèn)題的能力是智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。面向工程教育中目標(biāo)能力達(dá)成度的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程培養(yǎng)及其考核評(píng)估模式量化實(shí)效性的研究一直是很多學(xué)者關(guān)注的難點(diǎn)領(lǐng)域。筆者借鑒法國(guó)工程師人才培養(yǎng)教育模式,采用實(shí)際工程問(wèn)題項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)法及其考核模式量化探究,包括實(shí)際工程問(wèn)題項(xiàng)目理論解析、專(zhuān)業(yè)軟件建模和推演計(jì)算、搭建工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證提升總結(jié),從而為實(shí)現(xiàn)新型未來(lái)科技人才培養(yǎng)目標(biāo)提供一種方案討論[1-6]。

      1 法國(guó)工程類(lèi)人才培養(yǎng)及其考核模式借鑒

      目前,由于受到教學(xué)條件、教學(xué)環(huán)境和師資水平的限制,智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)教學(xué)以知識(shí)授受為取向,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)過(guò)重,制約了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展[6-7]。法國(guó)大學(xué)注重與企業(yè)合作,合作方覆蓋歐洲乃至全球的高科技企業(yè),且法國(guó)的工程師教育積極地進(jìn)行國(guó)際學(xué)校模式輸出。北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院的合作辦學(xué)模式值得借鑒和推廣,學(xué)院學(xué)習(xí)法國(guó)的工程能力化實(shí)驗(yàn)考核體系,將北京市卓越工程師教育聯(lián)盟應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高校工程類(lèi)人才培養(yǎng)改革中來(lái)。

      1.1 學(xué)生入學(xué)選拔考核簡(jiǎn)介

      筆者認(rèn)真學(xué)習(xí)分析了法國(guó)教育體系,法國(guó)工程類(lèi)人才入學(xué)選拔中不超過(guò)10%的高中畢業(yè)生有機(jī)會(huì)被選拔進(jìn)入大學(xué)校(如Grand Ecole工程類(lèi)學(xué)校)繼續(xù)接受教育。工程教育分兩個(gè)階段:預(yù)科階段(與高中合辦,相當(dāng)于我國(guó)大學(xué)的基礎(chǔ)教育階段),預(yù)科(相當(dāng)于我國(guó)大學(xué)的大一年級(jí)和大二年級(jí)階段)升工程師階段(類(lèi)似于國(guó)內(nèi)高校的碩士階段)??荚噧?nèi)容分為理論考試和實(shí)驗(yàn)考試,經(jīng)選拔每年只有約2 000人進(jìn)入大學(xué)進(jìn)行三年學(xué)制學(xué)習(xí)。

      1.2 學(xué)生培養(yǎng)考核模式

      法國(guó)預(yù)科教育注重深厚的基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng),采用小班教學(xué),工科專(zhuān)業(yè)有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工業(yè)科學(xué)、法語(yǔ)、英語(yǔ)等課程,每學(xué)期30學(xué)分,每周30課時(shí)以上,包括數(shù)學(xué)(10課時(shí))、物理(7.5課時(shí))、工業(yè)科學(xué)(4課時(shí))、化學(xué)(2課時(shí))、計(jì)算機(jī)(1課時(shí))、科研創(chuàng)新(2課時(shí))、法語(yǔ)(2課時(shí))、英語(yǔ)(2課時(shí))以及體育(2課時(shí)),課堂上采取多次筆試和口試作為過(guò)程考核成績(jī)記錄。預(yù)科第一年的教學(xué)時(shí)間為35周,包括預(yù)科階段的工業(yè)課程實(shí)踐部分,完成實(shí)驗(yàn)對(duì)象的建模、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì);第二年的教學(xué)時(shí)間為25周,包括假期海外交流,考核合格后成為工程師。

      法國(guó)工程師教育的考核模式注重實(shí)踐能力量化考核。在一個(gè)月的考試周內(nèi),每場(chǎng)有5位評(píng)審教師(每人負(fù)責(zé)3位學(xué)生的考試),15個(gè)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取題目,題目有:①機(jī)械系統(tǒng)(葡萄分揀系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電機(jī)加載及驅(qū)動(dòng)綜合平臺(tái)、輔助機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、助力自行車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、四余度舵機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái));②自動(dòng)控制系統(tǒng)(停車(chē)場(chǎng)自動(dòng)欄桿、血液采集系統(tǒng)、乒乓球包裝模擬生產(chǎn)線、太陽(yáng)能電池板自動(dòng)調(diào)姿系統(tǒng));③邏輯與時(shí)序(典型位移/速度伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、機(jī)械伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái));④工業(yè)系統(tǒng)機(jī)器人(Lego機(jī)器人、擬人機(jī)器人控制);⑤工業(yè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)科學(xué)(飛行觀測(cè)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)綜合試驗(yàn)平臺(tái)、汽車(chē)電動(dòng)助力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái));⑥工業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)理技術(shù)(陀螺儀、球拍拉弦裝置、船舶導(dǎo)航操舵系統(tǒng))等,見(jiàn)圖1。

      1.3 教師培養(yǎng)考核模式

      以法國(guó)工程師教育中教師資格證申請(qǐng)考試為例,該考試屬于對(duì)社會(huì)開(kāi)放旁聽(tīng)的國(guó)家級(jí)考試。教師通過(guò)物理、工業(yè)科學(xué)、語(yǔ)言能力等多種考試后,申請(qǐng)參加試驗(yàn)考試,現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)從45個(gè)工業(yè)模擬系統(tǒng)工程題目中抽取1道考題。在4個(gè)小時(shí)內(nèi)完成板書(shū)的書(shū)寫(xiě)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建;在45分鐘內(nèi)面向3位評(píng)委講解實(shí)驗(yàn)原理并演示實(shí)驗(yàn)效果;20分鐘回答評(píng)委的提問(wèn);完畢后,3位評(píng)委合議給出這門(mén)實(shí)驗(yàn)考試的綜合成績(jī),見(jiàn)圖2。

      2 智能專(zhuān)業(yè)的工程類(lèi)人才培養(yǎng)及其考核模式探究

      依據(jù)在學(xué)習(xí)和教學(xué)過(guò)程中對(duì)教學(xué)的系統(tǒng)評(píng)估、對(duì)學(xué)生結(jié)業(yè)考試考核模式的探究以及對(duì)學(xué)生就業(yè)職業(yè)能力成長(zhǎng)的反饋數(shù)據(jù)分析評(píng)估,智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)需進(jìn)一步面向人才市場(chǎng)需求,加強(qiáng)工程類(lèi)問(wèn)題的分析解決能力,尤其是復(fù)雜問(wèn)題[1-4]。首先,直面智能專(zhuān)業(yè)工程師教育教師隊(duì)伍的建設(shè)和培養(yǎng)體系等規(guī)范化不足,開(kāi)展校內(nèi)培養(yǎng)和校外引進(jìn)并舉;其次,學(xué)習(xí)借鑒法國(guó)工程人才培養(yǎng)體系,加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新建設(shè),設(shè)置卓越聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜問(wèn)題,加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)普及活動(dòng)的深度廣度,實(shí)現(xiàn)智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)模式的探究。

      2.1 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新建設(shè)與復(fù)雜問(wèn)題案例教學(xué)實(shí)踐

      北京信息科技大學(xué)智能專(zhuān)業(yè)工程思維培養(yǎng)要點(diǎn)有:①深入理解工程任務(wù)的邏輯步驟過(guò)程,放大工程任務(wù)所有細(xì)節(jié),找準(zhǔn)任務(wù)要素間的因果關(guān)系,排除存在bug,例如電子開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì)中,分別講解演示撥動(dòng)式開(kāi)關(guān)和點(diǎn)動(dòng)式開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu),設(shè)置不同條件判斷;②積極動(dòng)手搭建工程系統(tǒng),組織專(zhuān)題交流會(huì)。智能專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的教學(xué)內(nèi)容圍繞著參加學(xué)科競(jìng)賽的創(chuàng)新能力培養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用批判-分析性思維,見(jiàn)表1。

      項(xiàng)目示例:定點(diǎn)停車(chē)

      任務(wù)a設(shè)定:白色地板,黑色停車(chē)線,車(chē)頭光電傳感器指向地面。

      已知光電傳感器對(duì)地板讀數(shù)為80,對(duì)停車(chē)線讀數(shù)為20。

      任務(wù)要求:機(jī)器人前進(jìn)至黑色停車(chē)線停車(chē)。

      A:光電傳感器實(shí)時(shí)讀數(shù)

      問(wèn)題:請(qǐng)大家比較圖3與圖4的不同點(diǎn),判斷哪個(gè)正確,分析程序流程圖設(shè)計(jì)中是否存在bug。

      講解摘要:不同點(diǎn)是變量A的比較值,光電傳感器對(duì)停車(chē)黑線讀數(shù)為20,變量A設(shè)置與50進(jìn)行比較,主要考慮工程實(shí)際問(wèn)題,如機(jī)器人慣性作用力和地面摩擦力的綜合情況,依據(jù)實(shí)際場(chǎng)地調(diào)試情況設(shè)定,而圖3的方法不具有適應(yīng)性,存在bug。endprint

      復(fù)雜問(wèn)題智能算法設(shè)計(jì)示例:特殊路徑規(guī)劃

      復(fù)雜任務(wù)1:S形彎的設(shè)計(jì)更有利于智能車(chē)縮短完成行駛路段的時(shí)間。未優(yōu)化的智能車(chē)行駛軌跡如圖5所示,但這并不是最佳方法,因?yàn)檫^(guò)分按照S形行駛既加長(zhǎng)了行駛距離,又使智能車(chē)不斷搖擺而穩(wěn)定性變差。最理想的方法是讓其不隨S彎轉(zhuǎn)動(dòng),直線通過(guò)S彎,理想的智能車(chē)行駛軌跡見(jiàn)圖6和圖7。

      問(wèn)題:請(qǐng)大家思考比較圖5、圖6、圖7的不同點(diǎn)在哪?

      講解摘要:不同點(diǎn)是紅色路徑規(guī)劃曲線的不同,從快速經(jīng)過(guò)黑線循跡,采取不同的路徑規(guī)劃算法,計(jì)算不同路徑規(guī)劃結(jié)果,圖7采用模糊控制以及自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃,算法復(fù)雜性體現(xiàn)在結(jié)合機(jī)器人的慣性作用力和實(shí)際場(chǎng)地地面摩擦力的綜合情況調(diào)試設(shè)定。

      2.2 科學(xué)技術(shù)普及的實(shí)踐教學(xué)探究

      智能專(zhuān)業(yè)結(jié)合工程思維培養(yǎng)的實(shí)踐性,采用科學(xué)技術(shù)科普社會(huì)教學(xué)實(shí)踐很有效。例如,組建機(jī)器人表演團(tuán),學(xué)校智能專(zhuān)業(yè)學(xué)生廣泛參與科普實(shí)踐活動(dòng),活動(dòng)內(nèi)容有:“精忠報(bào)國(guó)”機(jī)器人舞蹈組合出場(chǎng);明星機(jī)器人“書(shū)童”的書(shū)法表演,毛筆寫(xiě)出“北信科大歡迎您”,表演“隔空寫(xiě)字”的穿戴數(shù)據(jù)手套無(wú)線控制機(jī)械臂系統(tǒng);打著太極拳的NAO機(jī)器人;魔獸爭(zhēng)霸中的“DOTA”機(jī)器人;機(jī)器人運(yùn)動(dòng)員表演高爾夫、單杠、點(diǎn)球等游戲互動(dòng);家庭服務(wù)機(jī)器人和足球機(jī)器人。

      2.3 項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生考核模式探究

      項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生考核分7個(gè)步驟:①認(rèn)識(shí)系統(tǒng),教師會(huì)提供文字資料及試題詳細(xì)評(píng)分規(guī)則,并演示其中重要細(xì)節(jié);②分析系統(tǒng),需要學(xué)生綜合分析其功能、需求、結(jié)構(gòu)組成,并向教師講解學(xué)習(xí)結(jié)果;③動(dòng)手做實(shí)驗(yàn);④建立仿真模型并與實(shí)際進(jìn)行分析比對(duì);⑤解決問(wèn)題,思考如何消除誤差;⑥設(shè)計(jì)一個(gè)新系統(tǒng)并優(yōu)化;⑦總結(jié)、分析、展示、溝通,現(xiàn)場(chǎng)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并制作PPT。教師跟蹤學(xué)生進(jìn)度,進(jìn)行詢(xún)問(wèn)和聽(tīng)取疑問(wèn),對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分登記,能力考核量化如下:

      1)能力A:平臺(tái)工作方式的掌握。

      ①描述操作平臺(tái)的功能和結(jié)構(gòu);②能夠使用該平臺(tái);③驗(yàn)證并描述平臺(tái)設(shè)計(jì)者所應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)。

      2)能力B:分析能力測(cè)試。

      ①明確需求和要求;②正確使用功能分析和結(jié)構(gòu)分析,理解需要解決問(wèn)題的機(jī)理;③說(shuō)明模型與實(shí)際裝置的區(qū)別并批判性地核對(duì)結(jié)果。

      3)能力C:實(shí)驗(yàn)。

      ①明確或者修正一種實(shí)驗(yàn)方案;②實(shí)施此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作;③分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

      4)能力D:建立模型。

      ①明確或者修正一種模型;②確定或者使用該模型;③修正此模型。

      5)能力E:解決問(wèn)題。

      ①掌握數(shù)字模擬的條件;②實(shí)施數(shù)字模擬;③解釋數(shù)字模擬的結(jié)果。

      6)能力F:設(shè)計(jì)、選擇與決定。

      ①設(shè)計(jì)方案;②完善既存方案;③給出結(jié)論。

      3 結(jié) 語(yǔ)

      智能專(zhuān)業(yè)工程類(lèi)人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)及其考核模式探究主要借鑒國(guó)際工程教育中法國(guó)工程師培養(yǎng)體系,提出人才培養(yǎng)目標(biāo)能力達(dá)成度的考核模式,提高實(shí)效性,建立推廣創(chuàng)新機(jī)制。下一步,智能專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)模式將從實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)、實(shí)際操作性、過(guò)程評(píng)估考核的多維性和實(shí)效性等方面入手,建立更加具體詳細(xì)的培養(yǎng)考核體系,注重在創(chuàng)新實(shí)踐的過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的興趣,由正向思維到反向思維的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)學(xué)生思維水平,提高其掌握新知識(shí)的質(zhì)量與速度。

      參考文獻(xiàn):

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      (編輯:孫怡銘)endprint

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