智能科學與技術專業(yè)課程體系和教材建設的思考

智能科學與技術專業(yè)課程體系和教材建設的思考楊鵬;張建勛;劉冀偉;張磊【摘要】南開大學、北京科技大學和河北工業(yè)大學就”智能科學與技術”專業(yè)共同面臨的課程體系、教材建設等問題進行研討，在達成共識的基礎上得到基于自動化學科建設的”智能科學與技術”專業(yè)的課程體系、重點課程的教學大綱及教材內容.這些研究成果不僅可以提高各校的教學質量，也可以為兄弟院校提供參考.【期刊名稱】《計算機教育》【年(卷)，期】2010(000)019【總頁數(shù)】5頁(P11-14,18)【關鍵詞】智能科學與技術專業(yè);課程體系;教材建設【作者】楊鵬漲建勛瀏冀偉漲磊【作者單位】河北工業(yè)大學，控制科學與工程學院沃津,300130;南開大學，機器人所,天津,300071;北京科技大學，信息工程學院，北京,100083;河北工業(yè)大學，控制科學與工程學院，天津,300130【正文語種】中文【中圖分類】G642繼2004年北京大學率先在國內建立〃智能科學與技術”本科專業(yè)之后，2005年，北京郵電大學、南開大學和西安電子科技大學；2006年，首都師范大學、北京信息科技大學、武漢工程大學和西安郵電學院；2007年，北京科技大學、廈門大學和湖南大學；2008年，河北工業(yè)大學和桂林電子科技大學；2009年，重慶郵電大學和大連海事大學；2010年，中南大學和上海理工大學經(jīng)教育部批準先后設立了〃智能科學與技術”本科專業(yè)［1-2］。在中國人工智能學會教育工作委員會的指導下，自2002年起，各相關專業(yè)教師定期召開智能科學與技術教育學術研討會，并出版教育論文專輯，大力推進了我國智能科學與技術教育的健康、快速發(fā)展，并對我國智能科學技術的人才培養(yǎng)和學科建設起到了極大的帶動作用。作為一個發(fā)展中的新興專業(yè)，目前各高校仍主要結合自身基礎和特點建設該專業(yè)。如南開大學以智能技術與智能工程為核心專業(yè)課程［3］；北京科技大學從社會需求角度出發(fā)，以提高學生軟件實踐能力為切入點［4］；河北工業(yè)大學根據(jù)相關專業(yè)的就業(yè)現(xiàn)狀，以提高學生硬件實踐能力為著力點［5］。為了解決南開大學、北京科技大學和河北工業(yè)大學3所高校共同面臨的課程體系和教材建設等問題，三校教師分別于2010年6月16日和8月2日在南開大學、河北工業(yè)大學進行了兩次研討，現(xiàn)將研討成果匯總于此。1研討背景〃智能科學與技術”專業(yè)自開辦以來，不可避免地要回答如下3個方面的問題：1） 來自用人單位的問題：〃智能科學與技術”專業(yè)是做什么的？與其他專業(yè)相比優(yōu)勢何在？2） 來自學生及家長的問題：〃智能科學與技術”專業(yè)是學什么的？與其他專業(yè)相比優(yōu)勢何在？3） 來自教師自身的問題：〃智能科學與技術”專業(yè)應該教什么？與其他專業(yè)相比優(yōu)勢何在？無論是做什么、學什么還是教什么，歸根到底是課程體系和教材內容。無論是研究生課程下移（帶來學生接受知識的困難），還是在其他專業(yè)教學體系基礎上做簡單的增、刪、改（帶來學生知識結構的凌亂），都是不行的，長此以往將沒有優(yōu)勢，只有劣勢。南開大學、北京科技大學和河北工業(yè)大學3所高校的〃智能科學與技術”專業(yè)建設都源于自動化專業(yè)基礎，而且都具有典型的工科特色；同時3所高校分別是教育部直屬“985”高校、教育部直屬國家〃優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺”建設項目試點高校和河北省屬“211”高校，3所高校的“智能科學與技術”專業(yè)分別于2006、2007和2008年招生。3所高校在專業(yè)建設上的異同特點以及地域便利的條件，為優(yōu)勢互補、交流融合提供了機遇。2課程體系根據(jù)研究任務的不同，智能科學技術涵蓋的內容可以劃分為智能科學、智能技術、智能工程三個層次［6］。1） 智能科學：主要任務是研究人的智慧，建立人機結合系統(tǒng)理論，并用其模擬人的智慧。2） 智能技術：在智能科學的框架內創(chuàng)建人機結合智能系統(tǒng)所需要的方法、工具和技術。3） 智能工程：利用智能科學的理念和思想，充分運用智能技術工具創(chuàng)建各種應用系統(tǒng)。它是當前新技術、新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向、開發(fā)策略和顯著標志。根據(jù)上述智能科學技術的劃分，智能科學與技術專業(yè)的課程體系同樣劃分為理論、技術與工程應用3個層次，具體框架如圖1所示。圖1智能科學與技術專業(yè)的課程體系需要說明的是，由于課時、學時等因素的限制，有些課程需要包含未列入課程的部分內容。如智能科學與技術概論課程內含系統(tǒng)論的簡要介紹；智能控制系統(tǒng)包含可編程序控制器、智能傳感器、智能執(zhí)行器等內容；智能工程包含若干典型智能系統(tǒng)實例。3教材建設經(jīng)南開大學、北京科技大學和河北工業(yè)大學3所高校的討論，一致認為工科專業(yè)應以技術和工程應用兩個層次為核心，并將人工智能導論和智能信息處理兩門課程的教材合并為智能技術。同時，根據(jù)南開大學側重理論、北京科技大學側重軟件、河北工業(yè)大學側重硬件的原則進行分工，編寫對應課程的教學大綱和教材內容。3.1智能技術本課程包括智能計算和計算機視覺兩部分，分別介紹以對人腦的物理結構進行模擬為主要特征的聯(lián)接主義智能技術和以模擬人類視覺處理為主要特征的計算機視覺兩部分。它是智能技術的主干內容；也是實現(xiàn)智能技術、組成智能系統(tǒng)的重要工具，屬于本專業(yè)本科生的專業(yè)基礎課。通過學習，學生應能夠掌握智能技術的基本原理和方法。通過課堂講解，并配合一定的作業(yè)練習、上機實驗等環(huán)節(jié)，學生應初步具備運用智能技術和方法分析和解決問題的能力。本課程擬定90學時，其中授課54學時，實驗36學時。教材內容包括智能計算和計算機視覺兩部分，智能計算部分包括神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊理論和遺傳算法/蟻群算法，計算機視覺包括計算機視覺導論、計算機視覺理論基礎、圖像預處理、圖像分割、物體識別、圖像理解、雙目立體視覺、三維視覺技術、主動視覺。神經(jīng)網(wǎng)絡講授單個神經(jīng)元（感知器）的動作原理，與實際生物神經(jīng)元的對應關系；講授BP神經(jīng)網(wǎng)絡的組成，網(wǎng)絡的特性和對非線性函數(shù)的模擬功能；介紹BP算法的優(yōu)、缺點；講授H網(wǎng)絡的組成結構，H網(wǎng)絡在解決優(yōu)化問題的優(yōu)越性。模糊理論講授模糊集合的概念，建立隸屬度函數(shù)的概念；介紹模糊規(guī)則的建立原則，模糊規(guī)則與模糊系統(tǒng)收入輸出量之間的關系；介紹模糊化以及模糊量精確化的幾種常用方法。遺傳算法和蟻群算法只作簡要介紹，重點介紹這兩種算法的特點和成功的應用實例，使學習者有一個感性認識，明確這種類型算法的〃迭代”特點以及總體最優(yōu)目標與個體行為之間的聯(lián)系。計算機視覺理論基礎主要介紹Marr的視覺計算理論、圖像的相關知識、傅立葉變換基礎；圖像預處理主要介紹像素亮度變換、幾何變換、直方圖修正、局部預處理、圖像復原；圖像分割主要介紹閾值處理方法、基于邊界的分割方法、基于區(qū)域的分割方法；形狀表示與描述主要介紹鏈碼、使用片斷序列描述邊界、尺度空間方法、基于區(qū)域的形狀表示與描述；物體識別主要介紹知識的表示、統(tǒng)計模式識別、神經(jīng)元網(wǎng)絡、遺傳算法、模擬退火、模糊系統(tǒng)；圖像理解主要介紹并行和串行處理控制、分層控制、非分層控制；雙目立體視覺主要介紹雙目立體視覺原理、精度分析、系統(tǒng)結構、立體成像、立體匹配、系統(tǒng)標定；三維視覺技術主要介紹結構光三維視覺原理、光模式投射系統(tǒng)、標定方法、光度立體視覺、由紋理恢復形狀、激光測距法;主動視覺主要介紹從陰影恢復形狀、從運動恢復結構、主動跟蹤。3.2智能控制理論與技術本課程是〃智能科學與技術”專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，目的是使學生了解智能科學與控制理論結合所產(chǎn)生之智能控制理論的基本概念和應用價值；使學生熟知當前主流智能控制技術的種類，并掌握模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及進化計算、群體智能的基礎知識，了解智能技術與傳統(tǒng)控制方法的結合點；加強MATLAB仿真實驗的訓練，更好地理解基礎知識，培養(yǎng)學生使用高級智能控制方法解決實際控制問題的能力。本課程的學習將使學生加深對控制理論的理解，明晰智能技術在控制中的應用技巧，也為本科生繼續(xù)深造打下基礎。本課程擬定64學時，其中授課54學時，實驗10學時。教材內容包括智能控制概論，介紹智能控制的發(fā)展歷程和應用領域，簡介幾種重要的智能控制方法；專家控制，簡介專家系統(tǒng)的基本結構，講授專家PID控制器的原理與設計方法；模糊控制，講授模糊數(shù)學基礎知識、傳統(tǒng)的模糊控制原理和控制器設計與實現(xiàn)方法、模糊PID控制的兩種形式，特別是PID控制參數(shù)的模糊整定技術；神經(jīng)網(wǎng)絡控制，講授前饋神經(jīng)網(wǎng)絡和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡中幾種典型的網(wǎng)絡模型以及學習算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的線性系統(tǒng)辨識技術、神經(jīng)網(wǎng)絡逆?？刂频龋贿M化計算與控制，講授進化計算的概念、遺傳算法的原理及其與其他智能方法的結合，介紹遺傳機器人學；群體智能與控制，講授蟻群算法的基本原理及其在控制問題中的應用，介紹群體機器人學。3.3單片機原理與應用本課程是〃智能科學與技術”專業(yè)的一門專業(yè)課程，目的是使學生了解單片機的組成原理及常用控制算法的實現(xiàn)；掌握51系列單片機指令系統(tǒng)和一般匯編程序設計編寫方法；熟悉常用的單片機硬件擴展技術；在此基礎上，熟練掌握控制算法的單片機程序編寫與調試。本課程擬定54學時，其中授課38學時，實驗16學時。教材內容包括單片機系統(tǒng)概述，介紹單片機定義、單片機發(fā)展過程及單片機硬件結構；單片機指令系統(tǒng)及程序設計，介紹指令系統(tǒng)和匯編語言程序設計；硬件資源及接口技術，介紹硬件資源和接口技術；單片機使用技術，介紹抗干擾技術、C語言應用程序設計；依次介紹PID控制器、狀態(tài)反饋控制器、模糊控制器、系統(tǒng)辨識、卡爾曼濾波、滑?？刂破鳌⒆顑?yōu)控制器、魯棒控制器、自適應控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡控制器的歷史沿革、基本原理、常用形式和單片機具體實現(xiàn)方法。3.4嵌入式系統(tǒng)本課程以當前主流的嵌入式系統(tǒng)技術為背景，以嵌入式系統(tǒng)原理為基礎，以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)體系為骨架，以嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)為目標，較為全面地介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念、軟硬件的基本體系結構、軟硬件開發(fā)方法、相關開發(fā)工具、應用領域、熱門領域的開發(fā)實例以及當前的一些前沿動態(tài)，為學生展示較為完整的嵌入式控制系統(tǒng)領域概況。本課程擬定64學時，其中授課48學時，實驗16學時。教材依據(jù)嵌入式控制系統(tǒng)的特征，將控制算法、嵌入式系統(tǒng)硬件、操作系統(tǒng)、應用程序設計及組態(tài)軟件作為統(tǒng)一的技術平臺介紹，突出嵌入式技術在控制系統(tǒng)中應用的特點，重點介紹嵌入式控制系統(tǒng)軟硬件、外圍電路、操作系統(tǒng)、實時性、可靠性等特性，從軟件體系結構及開發(fā)的角度出發(fā)，強調實時調度、Bootloader.BSP、嵌入式實時多任務系統(tǒng)設計、交叉開發(fā)與仿真開發(fā)等關鍵技術，并特別引入了工業(yè)控制中需要的電磁兼容性設計和大量的典型嵌入式控制系統(tǒng)實例設計。通過本課程的學習，學生不但可以學會使用工具開發(fā)嵌入式軟硬件，而且可以從總體角度選擇適當?shù)募夹g和方法，全面規(guī)劃和設計嵌入式系統(tǒng)。3.5智能工程本課程是〃智能科學與技術”專業(yè)的一門核心專業(yè)課程。面向智能技術的實際應用，著眼于解決工程應用中的技術問題，從典型系統(tǒng)設計案例分析出發(fā)，通過大量實驗提高學生的工程實踐能力。本課程擬定36學時，全部為授課學時。教材內容包括智能工程概論，介紹智能工程現(xiàn)狀、工程設計原則和工程實際流程；常用傳感器原理，介紹傳感器一般特性、光電式傳感器和視覺傳感器；典型智能系統(tǒng)設計案例，包括智能移動機器人、智能電梯群控電梯等系統(tǒng)。3.6智能機器人課程通過對一個具有代表性的仿人機器人的拆解，將知識點拆解成6個主要教學模塊：1）機器人控制模塊，介紹各類控制模塊的原理與組成；2）機器人運動系統(tǒng)，介紹電機與舵機的原理與控制方法；3）機器人動作系統(tǒng)，介紹機器人各部件的協(xié)調控制；4）機器人視覺系統(tǒng)，介紹典型的超聲波、影像傳感器的原理與識別算法；5）機器人表現(xiàn)系統(tǒng)原理，介紹人與機器人的交互原理；6）機器人通信系統(tǒng)原理，介紹機器人之間的數(shù)據(jù)與信息傳遞方法。學生學習時，能夠與基礎知識相聯(lián)系，并能掌握機器人這門技術，為從事機器人產(chǎn)品研發(fā)工作打下堅實的基礎。本課程擬定54學時，其中授課44學時，實驗10學時。教材面向〃智能科學與技術”專業(yè)，同時兼顧信息類專業(yè)學生編寫，根據(jù)這類專業(yè)學生的知識結構和特點組織內容。從具體的機器人控制需求出發(fā)，將自動控制的基本理論和機器人控制特點相結合，講授機器人控制系統(tǒng)的組成、規(guī)律、特點和設計方法。理論上反映當前的最新進展，內容上考慮初學者的需求，側重普及性、實用性和新穎性，結構體系符合信息類和控制類專業(yè)學生的特點，力求簡潔、清楚，對技術的敘述遵循目標、問題、理論依據(jù)、實現(xiàn)方法、實際情況、發(fā)展方向的方式。做到重點突出，符合實際，滿足需要，指導性強。3.7智能控制系統(tǒng)本課程是〃智能科學與技術”專業(yè)的一門專業(yè)課程，使學生了解智能控制系統(tǒng)的基礎知識；掌握智能控制系統(tǒng)中最新的智能傳感技術、智能控制器、智能執(zhí)行器及智能網(wǎng)絡與接口技術；掌握智能控制系統(tǒng)中多個關鍵硬件裝置的識別及其使用。通過學習多個智能控制系統(tǒng)的開發(fā)實例，學生應掌握智能控制系統(tǒng)的設計方法與技術，堅實地掌握最新智能控制系統(tǒng)知識，提高理論聯(lián)系實際的能力，并為學習其他課程的打下堅實基礎。本課程擬定64學時，其中授課48學時，實驗16學時。教材內容包括概述，介紹智能控制系統(tǒng)的基本概念、基本內容和機構及其發(fā)展趨勢;智能傳感系統(tǒng)，講授智能數(shù)據(jù)采集技術、傳感器智能化的數(shù)據(jù)處理方法、多傳感器信息融合的方法、智能傳感器實現(xiàn)方法與典型實例；智能控制器設計，講授基于單片機的智能控制器設計及其應用、基于高性能嵌入式ARM的智能控制器設計及其應用、基于PLC的智能控制器設計及其應用；智能電動執(zhí)行器，講授智能電動執(zhí)行器的硬件實現(xiàn)技術，軟件設計技術以及典型的智能電動執(zhí)行器實例及其應用；智能網(wǎng)絡與接口技術，講授無線傳感器智能網(wǎng)絡，工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡以及智能傳感器、智能控制器和智能執(zhí)行器的網(wǎng)絡接口實現(xiàn)技術；智能控制系統(tǒng)設計實例，綜合利用前面的知識設計網(wǎng)絡化智能壓力傳感器