智能科学与技术专业课程体系和教材建设的思考

智能科学与技术专业课程体系和教材建设的思考杨鹏;张建勋;刘冀伟;张磊【摘要】南开大学、北京科技大学和河北工业大学就”智能科学与技术”专业共同面临的课程体系、教材建设等问题进行研讨，在达成共识的基础上得到基于自动化学科建设的”智能科学与技术”专业的课程体系、重点课程的教学大纲及教材内容.这些研究成果不仅可以提高各校的教学质量，也可以为兄弟院校提供参考.【期刊名称】《计算机教育》【年(卷)，期】2010(000)019【总页数】5页(P11-14,18)【关键词】智能科学与技术专业;课程体系;教材建设【作者】杨鹏涨建勋浏冀伟涨磊【作者单位】河北工业大学，控制科学与工程学院沃津,300130;南开大学，机器人所,天津,300071;北京科技大学，信息工程学院，北京,100083;河北工业大学，控制科学与工程学院，天津,300130【正文语种】中文【中图分类】G642继2004年北京大学率先在国内建立〃智能科学与技术”本科专业之后，2005年，北京邮电大学、南开大学和西安电子科技大学；2006年，首都师范大学、北京信息科技大学、武汉工程大学和西安邮电学院；2007年，北京科技大学、厦门大学和湖南大学；2008年，河北工业大学和桂林电子科技大学；2009年，重庆邮电大学和大连海事大学；2010年，中南大学和上海理工大学经教育部批准先后设立了〃智能科学与技术”本科专业［1-2］。在中国人工智能学会教育工作委员会的指导下，自2002年起，各相关专业教师定期召开智能科学与技术教育学术研讨会，并出版教育论文专辑，大力推进了我国智能科学与技术教育的健康、快速发展，并对我国智能科学技术的人才培养和学科建设起到了极大的带动作用。作为一个发展中的新兴专业，目前各高校仍主要结合自身基础和特点建设该专业。如南开大学以智能技术与智能工程为核心专业课程［3］；北京科技大学从社会需求角度出发，以提高学生软件实践能力为切入点［4］；河北工业大学根据相关专业的就业现状，以提高学生硬件实践能力为着力点［5］。为了解决南开大学、北京科技大学和河北工业大学3所高校共同面临的课程体系和教材建设等问题，三校教师分别于2010年6月16日和8月2日在南开大学、河北工业大学进行了两次研讨，现将研讨成果汇总于此。1研讨背景〃智能科学与技术”专业自开办以来，不可避免地要回答如下3个方面的问题：1） 来自用人单位的问题：〃智能科学与技术”专业是做什么的？与其他专业相比优势何在？2） 来自学生及家长的问题：〃智能科学与技术”专业是学什么的？与其他专业相比优势何在？3） 来自教师自身的问题：〃智能科学与技术”专业应该教什么？与其他专业相比优势何在？无论是做什么、学什么还是教什么，归根到底是课程体系和教材内容。无论是研究生课程下移（带来学生接受知识的困难），还是在其他专业教学体系基础上做简单的增、删、改（带来学生知识结构的凌乱），都是不行的，长此以往将没有优势，只有劣势。南开大学、北京科技大学和河北工业大学3所高校的〃智能科学与技术”专业建设都源于自动化专业基础，而且都具有典型的工科特色；同时3所高校分别是教育部直属“985”高校、教育部直属国家〃优势学科创新平台”建设项目试点高校和河北省属“211”高校，3所高校的“智能科学与技术”专业分别于2006、2007和2008年招生。3所高校在专业建设上的异同特点以及地域便利的条件，为优势互补、交流融合提供了机遇。2课程体系根据研究任务的不同，智能科学技术涵盖的内容可以划分为智能科学、智能技术、智能工程三个层次［6］。1） 智能科学：主要任务是研究人的智慧，建立人机结合系统理论，并用其模拟人的智慧。2） 智能技术：在智能科学的框架内创建人机结合智能系统所需要的方法、工具和技术。3） 智能工程：利用智能科学的理念和思想，充分运用智能技术工具创建各种应用系统。它是当前新技术、新产品、新产业的重要发展方向、开发策略和显著标志。根据上述智能科学技术的划分，智能科学与技术专业的课程体系同样划分为理论、技术与工程应用3个层次，具体框架如图1所示。图1智能科学与技术专业的课程体系需要说明的是，由于课时、学时等因素的限制，有些课程需要包含未列入课程的部分内容。如智能科学与技术概论课程内含系统论的简要介绍；智能控制系统包含可编程序控制器、智能传感器、智能执行器等内容；智能工程包含若干典型智能系统实例。3教材建设经南开大学、北京科技大学和河北工业大学3所高校的讨论，一致认为工科专业应以技术和工程应用两个层次为核心，并将人工智能导论和智能信息处理两门课程的教材合并为智能技术。同时，根据南开大学侧重理论、北京科技大学侧重软件、河北工业大学侧重硬件的原则进行分工，编写对应课程的教学大纲和教材内容。3.1智能技术本课程包括智能计算和计算机视觉两部分，分别介绍以对人脑的物理结构进行模拟为主要特征的联接主义智能技术和以模拟人类视觉处理为主要特征的计算机视觉两部分。它是智能技术的主干内容；也是实现智能技术、组成智能系统的重要工具，属于本专业本科生的专业基础课。通过学习，学生应能够掌握智能技术的基本原理和方法。通过课堂讲解，并配合一定的作业练习、上机实验等环节，学生应初步具备运用智能技术和方法分析和解决问题的能力。本课程拟定90学时，其中授课54学时，实验36学时。教材内容包括智能计算和计算机视觉两部分，智能计算部分包括神经网络、模糊理论和遗传算法/蚁群算法，计算机视觉包括计算机视觉导论、计算机视觉理论基础、图像预处理、图像分割、物体识别、图像理解、双目立体视觉、三维视觉技术、主动视觉。神经网络讲授单个神经元（感知器）的动作原理，与实际生物神经元的对应关系；讲授BP神经网络的组成，网络的特性和对非线性函数的模拟功能；介绍BP算法的优、缺点；讲授H网络的组成结构，H网络在解决优化问题的优越性。模糊理论讲授模糊集合的概念，建立隶属度函数的概念；介绍模糊规则的建立原则，模糊规则与模糊系统收入输出量之间的关系；介绍模糊化以及模糊量精确化的几种常用方法。遗传算法和蚁群算法只作简要介绍，重点介绍这两种算法的特点和成功的应用实例，使学习者有一个感性认识，明确这种类型算法的〃迭代”特点以及总体最优目标与个体行为之间的联系。计算机视觉理论基础主要介绍Marr的视觉计算理论、图像的相关知识、傅立叶变换基础；图像预处理主要介绍像素亮度变换、几何变换、直方图修正、局部预处理、图像复原；图像分割主要介绍阈值处理方法、基于边界的分割方法、基于区域的分割方法；形状表示与描述主要介绍链码、使用片断序列描述边界、尺度空间方法、基于区域的形状表示与描述；物体识别主要介绍知识的表示、统计模式识别、神经元网络、遗传算法、模拟退火、模糊系统；图像理解主要介绍并行和串行处理控制、分层控制、非分层控制；双目立体视觉主要介绍双目立体视觉原理、精度分析、系统结构、立体成像、立体匹配、系统标定；三维视觉技术主要介绍结构光三维视觉原理、光模式投射系统、标定方法、光度立体视觉、由纹理恢复形状、激光测距法;主动视觉主要介绍从阴影恢复形状、从运动恢复结构、主动跟踪。3.2智能控制理论与技术本课程是〃智能科学与技术”专业的一门重要专业课程，目的是使学生了解智能科学与控制理论结合所产生之智能控制理论的基本概念和应用价值；使学生熟知当前主流智能控制技术的种类，并掌握模糊控制、神经网络控制以及进化计算、群体智能的基础知识，了解智能技术与传统控制方法的结合点；加强MATLAB仿真实验的训练，更好地理解基础知识，培养学生使用高级智能控制方法解决实际控制问题的能力。本课程的学习将使学生加深对控制理论的理解，明晰智能技术在控制中的应用技巧，也为本科生继续深造打下基础。本课程拟定64学时，其中授课54学时，实验10学时。教材内容包括智能控制概论，介绍智能控制的发展历程和应用领域，简介几种重要的智能控制方法；专家控制，简介专家系统的基本结构，讲授专家PID控制器的原理与设计方法；模糊控制，讲授模糊数学基础知识、传统的模糊控制原理和控制器设计与实现方法、模糊PID控制的两种形式，特别是PID控制参数的模糊整定技术；神经网络控制，讲授前馈神经网络和递归神经网络中几种典型的网络模型以及学习算法、基于神经网络的线性系统辨识技术、神经网络逆模控制等；进化计算与控制，讲授进化计算的概念、遗传算法的原理及其与其他智能方法的结合，介绍遗传机器人学；群体智能与控制，讲授蚁群算法的基本原理及其在控制问题中的应用，介绍群体机器人学。3.3单片机原理与应用本课程是〃智能科学与技术”专业的一门专业课程，目的是使学生了解单片机的组成原理及常用控制算法的实现；掌握51系列单片机指令系统和一般汇编程序设计编写方法；熟悉常用的单片机硬件扩展技术；在此基础上，熟练掌握控制算法的单片机程序编写与调试。本课程拟定54学时，其中授课38学时，实验16学时。教材内容包括单片机系统概述，介绍单片机定义、单片机发展过程及单片机硬件结构；单片机指令系统及程序设计，介绍指令系统和汇编语言程序设计；硬件资源及接口技术，介绍硬件资源和接口技术；单片机使用技术，介绍抗干扰技术、C语言应用程序设计；依次介绍PID控制器、状态反馈控制器、模糊控制器、系统辨识、卡尔曼滤波、滑模控制器、最优控制器、鲁棒控制器、自适应控制器、神经网络控制器的历史沿革、基本原理、常用形式和单片机具体实现方法。3.4嵌入式系统本课程以当前主流的嵌入式系统技术为背景，以嵌入式系统原理为基础，以嵌入式系统开发体系为骨架，以嵌入式控制系统开发为目标，较为全面地介绍嵌入式系统的基本概念、软硬件的基本体系结构、软硬件开发方法、相关开发工具、应用领域、热门领域的开发实例以及当前的一些前沿动态，为学生展示较为完整的嵌入式控制系统领域概况。本课程拟定64学时，其中授课48学时，实验16学时。教材依据嵌入式控制系统的特征，将控制算法、嵌入式系统硬件、操作系统、应用程序设计及组态软件作为统一的技术平台介绍，突出嵌入式技术在控制系统中应用的特点，重点介绍嵌入式控制系统软硬件、外围电路、操作系统、实时性、可靠性等特性，从软件体系结构及开发的角度出发，强调实时调度、Bootloader.BSP、嵌入式实时多任务系统设计、交叉开发与仿真开发等关键技术，并特别引入了工业控制中需要的电磁兼容性设计和大量的典型嵌入式控制系统实例设计。通过本课程的学习，学生不但可以学会使用工具开发嵌入式软硬件，而且可以从总体角度选择适当的技术和方法，全面规划和设计嵌入式系统。3.5智能工程本课程是〃智能科学与技术”专业的一门核心专业课程。面向智能技术的实际应用，着眼于解决工程应用中的技术问题，从典型系统设计案例分析出发，通过大量实验提高学生的工程实践能力。本课程拟定36学时，全部为授课学时。教材内容包括智能工程概论，介绍智能工程现状、工程设计原则和工程实际流程；常用传感器原理，介绍传感器一般特性、光电式传感器和视觉传感器；典型智能系统设计案例，包括智能移动机器人、智能电梯群控电梯等系统。3.6智能机器人课程通过对一个具有代表性的仿人机器人的拆解，将知识点拆解成6个主要教学模块：1）机器人控制模块，介绍各类控制模块的原理与组成；2）机器人运动系统，介绍电机与舵机的原理与控制方法；3）机器人动作系统，介绍机器人各部件的协调控制；4）机器人视觉系统，介绍典型的超声波、影像传感器的原理与识别算法；5）机器人表现系统原理，介绍人与机器人的交互原理；6）机器人通信系统原理，介绍机器人之间的数据与信息传递方法。学生学习时，能够与基础知识相联系，并能掌握机器人这门技术，为从事机器人产品研发工作打下坚实的基础。本课程拟定54学时，其中授课44学时，实验10学时。教材面向〃智能科学与技术”专业，同时兼顾信息类专业学生编写，根据这类专业学生的知识结构和特点组织内容。从具体的机器人控制需求出发，将自动控制的基本理论和机器人控制特点相结合，讲授机器人控制系统的组成、规律、特点和设计方法。理论上反映当前的最新进展，内容上考虑初学者的需求，侧重普及性、实用性和新颖性，结构体系符合信息类和控制类专业学生的特点，力求简洁、清楚，对技术的叙述遵循目标、问题、理论依据、实现方法、实际情况、发展方向的方式。做到重点突出，符合实际，满足需要，指导性强。3.7智能控制系统本课程是〃智能科学与技术”专业的一门专业课程，使学生了解智能控制系统的基础知识；掌握智能控制系统中最新的智能传感技术、智能控制器、智能执行器及智能网络与接口技术；掌握智能控制系统中多个关键硬件装置的识别及其使用。通过学习多个智能控制系统的开发实例，学生应掌握智能控制系统的设计方法与技术，坚实地掌握最新智能控制系统知识，提高理论联系实际的能力，并为学习其他课程的打下坚实基础。本课程拟定64学时，其中授课48学时，实验16学时。教材内容包括概述，介绍智能控制系统的基本概念、基本内容和机构及其发展趋势;智能传感系统，讲授智能数据采集技术、传感器智能化的数据处理方法、多传感器信息融合的方法、智能传感器实现方法与典型实例；智能控制器设计，讲授基于单片机的智能控制器设计及其应用、基于高性能嵌入式ARM的智能控制器设计及其应用、基于PLC的智能控制器设计及其应用；智能电动执行器，讲授智能电动执行器的硬件实现技术，软件设计技术以及典型的智能电动执行器实例及其应用；智能网络与接口技术，讲授无线传感器智能网络，工业现场总线网络以及智能传感器、智能控制器和智能执行器的网络接口实现技术；智能控制系统设计实例，综合利用前面的知识设计网络化智能压力传感器