“智能系统平台专业实验”教学实践

　　摘要：“智能系统平台专业实验”是一门面向智能科学与技术专业本科生开设的实践课程，近年来在该课程的教学实践中我们获得了一些经验。为了进一步提高教学质量，文章对关于该课程的相关经验和思考进行了总结。主要从教学内容安排和教学形式设计两个方面进行了分析和探讨，同时也涉及了一些教学方面的问题，包括如何使实验课程与专业理论相联系，如何提高学生的实践能力以及如何更有效地进行课程管理等。
　　关键词：智能科学与技术；智能系统平台专业实验；教学内容；教学形式
　　
　　“智能系统平台专业实验”是为了配合智能科学与技术[1]专业的专业课教学，使学生更好地掌握课程内容，加深学生对基本理论的理解，增强学生的动手实践能力而开设的一门专业综合实验课程。显然，本实验课程是学生实现由理论知识学习向科研实践迈进的主要桥梁之一，在促进学生理论联系实际方面起着积极作用，是本专业的一门非常重要的实践课程。在课程建设方面，合理安排教学内容，设计新颖有效的教学形式，无疑是决定该实验课程能否收到良好教学效果的一个重要环节。自2005年智能科学与技术专业开始招收本科生以来，至今已有四届高年级学生修过了本实验课程。回顾过去四年的教学经历，本文主要从教学内容安排和教学形式设计两个方面进行总结和分析，希望在此基础上可以进一步完善本课程的教学，同时也希望能为兄弟院校负责相关课程的同仁们提供点滴参考。
　　1教学内容安排
　　目前我校智能科学与技术专业开设的专业基础课程包括人工智能概论、算法设计与分析、最优化理论与方法、智能计算导论、模式识别导论、多媒体计算机、图像处理与识别技术、智能控制导论等，要想使实验课程把以上所有专业基础课程的实践内容都涵盖进去是不现实的，因而精选重要的、必要的内容作为专业实验课程的教学内容，是我们在本课程设置之初就必须慎重考虑的事情。经过四年的教学实践，我们逐步对教学内容进行了修订和完善。考虑到智能科学与技术系所对应的“智能感知与图像理解实验室”在图像理解、计算智能、机器学习[2-4]等科研领域具有丰富的成果积累和相关资源，结合本科生的知识基础和能力特点，并综合考虑课时因素，我们删繁就简，重点从智能机器人实验、图像处理与识别、智能计算以及信息检索等方面入手来安排课程内容，并尽可能将实验内容通过硬件方式实现出来，以提高学生的动手能力。此外，为了鼓励学生的创新精神，让学生结合所学内容进行自主的实验设计和创新也成为课程内容的一部分。接下来对课程内容安排hFO0zNoHNvhZgh0VyKL1ZQ==进行具体介绍。
　　1.1基于智能机器人的检测与控制实验
　　可以说，多数青年学子心中都曾经有一个“机器人”梦。据了解，很多学生在高考填报志愿时，都是因为对机器人感兴趣而最终选择了智能科学与技术专业，可见机器人研究对年轻学生的吸引力之大。因而创造条件，让学生们能够真正接触到机器人，并进行相关实验，对激发学生的学习研究兴趣，进一步推动学生积极主动进行深入的理论学习和相关实践可以起到积极的作用。
　　我们实验室于2006年就购进了AS-UII机器人，以备实验教学使用。AS-UII是面向教育的新一代智能移动机器人。AS-UII有一个功能比较强大的微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉和触觉，成为真正意义上的智能机器人。AS-UII是专门为大学进行课程教学、工程训练、机器人竞赛、科技创新以及研究服务开发的新型移动智能机器人，外观图如图1所示。
　　本实验课程的第一部分安排了智能机器人实验。学生可以通过学习图形化交互式C语言(简称VJC)，编写机器人程序，使机器人能够完成按规定路线行走、红外避障行走等任务，或者使机器人进行无线通信，实现机器人球赛。实际上课情况表明，对于该部分实验，学生们都抱有极大的热情，都能够非常认真积极地进行实验，而实验过程也会让学生意识到相关理论学习的重要性，进而推动其更加努力地学习专业知识，收到了很好的教学效果。
　　1.2图像处理与识别
　　从实质上说，图像理解属于人工智能的范畴，包括图像处理、图像识别和结构分析[5]，广泛应用于国防和医疗等领域，对于国家安全和经济发展都具有重大意义，是本专业学生必须学习和掌握的内容之一。这一部分的实验设置我们重点考虑图像处理与识别方面的内容，具体包括以下几个实验：(1)图像检测与跟踪：通过DSP实验板或研究版智能机器人实现对人脸的检测并控制摄像头进行跟踪。(2)图像识别：通过DSP实验板或研究版智能机器人实现指纹或虹膜的识别。(3)印刷体数字识别：通过DSP实验板或研究版智能机器人实现对印刷体数字的识别。学生在完成该部分实验后，将对图像处理与识别的基本方法有所了解，为学生将来在该领域进行深入研究奠定一定的基础。
　　1.3智能计算数字实验
　　计算智能是人工智能领域的一个主要方向，也是当前科研学术领域的一个异常活跃的前沿课题。本组实验我们安排了如下实验内容：(1)语音识别：通过单片机系统或DSP系统实现对语音的识别，由识别结果进行相应指示(通过指示灯或显示器显示相应的识别结果)。(2uY6H93gegDhmGqNyJLNYTw==)旅行商问题：通过研究版智能机器人实现对几个城市的最优路径选择，并进行行走控制。 (3)口音辨识：实验说明：通过单片机系统、DSP实验板或研究版智能机器人实现口音的辨识，识别出不同发音人。(4)机器人路径规划：通过研究版智能机器人实现寻找从起点到目标点的最短路径，同时满足风险最小或能耗最小的约束条件。学生在完成该部分实验后，能够了解基本的语音识别技术，掌握优化算法设计方法，将有利于学生今后学习研究该领域的相关算法及技术。
　　1.4网络计算数字实验
　　本组实验为了让学生了解动态视频检索方法以及网络网页信息检索系统，设计了如下实验内容：(1)动态纹理视频的检索：通过计算机或研究版智能机器人对任意给定的一个动态纹理视频序列在给定的视频库中进行检索，并将所检索结果进行显示。(2)网页信息检索：掌握网络搜索引擎原理，包括网络数据采集，网页特征信息提取方法，以及智能信息检索技术。希望学生在完成本部分实验后，对智能信息检索技术形成初步的了解。
　　1.5自主创新实验
　　科学技术是第一生产力，自主创新是第一竞争力，创新能力是当代大学生应当具备的能力之一。在制定实验课程内容时，我们也考虑到了自主创新实验，但由于课堂时间有限，我们将自主创新实验部分作为由学生在课余时间完成的内容。在开课之初布置任务，要求学生自主完成一个与智能专业相关的自主创新实验，在课程结束时，要求学生提交自主创新实验报告及代码，并进行成果演示，根据学生所完成的实际情况进行评分。自主创新实验对实验内容不做硬性规定，给了学生较大的发挥空间，能够较好地体现学生的差异性，同时也能够通过考察学生的实际表现在评分上体现出差别。
　　2教学形式设计
　　教学内容确定后，下一步就要考虑课程具体实施的各个环节了。这里，除了介绍直接与课堂教学相关的内容外，我们也对课前课余涉及到的一些问题进行了总结，希望对指导今后的教学形式设计起到积极的作用。
　　2.1合理的开课时间设置是课程顺利展开的第一步
　　本课程是对本专业中的专业课程进行实践的实验课程，因而开课时间应该设在主要的专业课程学习结束之后。考虑到这一点，我们的课程最初是设置在大四的第一学期。在经过两年的实践之后，遇到了一些问题，主要是大四学生面临就业，考研等压力，精力分散较大，很多学生在上实验课时无法做到全身心投入，对于上课效果影响较大。经过反思和总结，我们利用2009年教学大纲修改之机，将课程开课时间调整到大三的下学期，并于2010年正式实施。到大三下学期，主要的专业课已经基本修完，因而此时开实验课并不会影响教学内容的连贯性。时间调整后，由于干扰因素减少，学生一般都能够认真对待实验内容，课堂效果明显改善。由此可见，选择正确恰当的开课时间是很重要的一个环节。
　　
　　2.2以学生探索实践为主，教师讲解指导为辅
　　实验课作为一门为学生们动脑动手进行实践提供平台的课程，理应让学生成为课堂的主角，老师则是在一旁起到辅助作用。实验课开始时，老师事先利用较短的时间将本次课程的实验内容、实验目标以及注意事项讲解清楚，之后的时间就交给学生来完成实验。实验过程中，老师会对学生的提问进行及时的分析解答，帮助和指导学生克服实验过程中遇到的困难和问题。这样的模式能够使学生更加有效地利用课堂时间来进行探索实践，较好地实现实验课程的教学目的。
　　2.3细化成绩评定规则
　　为了尽可能公平公正地给学生的表现进行评分，同时起到一定的监督督促的作用，我们制定了详细的评分规则，规定本课程的总成绩由实验验收成绩、实验报告成绩、创新实验成绩以及出勤成绩四部分组成。
　　其中，实验验收成绩的评定方法是在每次学生完成当堂实验后，教师通过随堂查看实验结果、随机询问技术细节的方式进行验收，并根据学生完成实验的速度和质量现场给出评分；实验报告成绩主要根据学生完成实验后递交的实验报告的完成质量来评定；自主创新实验成绩也是采取现场验收的方式，并根据其选题的难度、新颖度以及完成质量给出评分；出勤成绩是根据学生的到课登记表进行统计，给出相应评分。
　　实践表明，以上成绩评定方法尽可能减少了主观因素的影响，能够比较全面客观地反映学生完成实验课的实际表现。此外采取现场验收并询问技术细节的方式也能够督促学生更认真地对待实验过程，关注实验原理，而不是仅仅流于表面，照猫画虎，得到实验结果即止。这种透明细致也相对严格的评价体系也促使学生更加端正学习态度，保证了良好的出勤情况和很好的实验效果。
　　3教学效果
　　迄今为止，已有四届智能科学与技术专业的学生，累计520人，修完了本实验课程。随着教学内容与教学形式的不断丰富与完善，本课程的教学效果逐渐在各方面显现出来。特别是近两年，学生对本课程的重视程度大大提高，出勤率基本能够达到百分之百，实验过程中表现得严谨认真，同时生动活泼的实验内容也激发起学生浓厚的学习兴趣，而这些兴趣又进一步激励学生在课堂之外尝试更多的科研实践活动。本实验室也积极为学生参加各种科研实践和竞赛提供便利条件。实验室负责教师田小林老师在近几年指导多批学生参加了全国大学生电子设计竞赛、星火杯、大学生创新实验等活动，并获得了电子设计竞赛省二等奖一项、星火杯一等奖和二等奖多项的优良成绩，对于提高本专业学生的实践能力和科研素养起到了积极的作用。
　　4结语
　　智能系统平台专业实验是智能科学与技术专业的一门重要的实践课程，在过去的四年中，我们在教学内容的安排和教学形式的设计上获得了些许经验，并及时进行了总结，在今后的教学过程中，我们将考虑如何进一步优化和丰富教学内容，不断完善教学方法，使本课程在提高学生科研实践能力方面起到良好的促进作用。
　　
　　参考文献：
　　[1] 钟义信．智能科学技术导论[M]．北京:北京邮电大学