新工科背景下智能科学与技术专业学生创新实践能力培养研究
0 引 言
自2017年教育部积极推动新工科建设以来，各高校均在考虑如何将现有专业培养模式向新工科转型的问题，“天大行动”[1]为新工科如何建设指明了方向，特别是对于新建专业来说，这是一个非常有用的纲领。智能科学与技术专业是北京大学智能科学系在2003年提出成立的[2]，此后跟进的高校越来越多，2017年开始有爆炸性增长的趋势。智能科学与技术专业对于技术更新十分敏感，与其他学科的结合紧密，具备工科的交叉复合优势，是新工科中的一个非常典型的专业。但由于其交叉性与多样性，各高校的课程体系、培养模式均有很大的区别，如何开展该专业的建设，尚在学界的研究之中。
创新实践能力是对新工科专业培养学生提出的一个基本要求，也是智能科学与技术专业的一个重要毕业要求，但是从目前大学专业教育的实际情况来看，效果并不乐观，学生高分低能的现象较为普遍，分析和解决实际问题的能力还较差，毕业生未得到用人单位的普遍认可。为此，有必要开展如何提高智能科学与技术专业学生的创新实践能力的研究，以适应新工科背景下对专业学生的要求。
1 国内外创新教育与创新能力的研究现状
创新教育和创新能力的培养在国外的研究起步较早，并一直被作为基本的教学传统。在理论方面，美国明尼苏达大学的托兰斯提出，创新能力的培养，最重要的在于学生个性培养以及为学生营造创新的氛围[3]；19世纪初，哈佛大学提出“重建自由教育和培养全面发展的人”，学生入学就接受“独立思考并学会思考”的教育观念的熏陶[4]；美国、英国等西方国家把“批判性思维”作为高等教育的目标之一[5]。在这种环境下培养的学生具备更多创新意识和挑战权威的能力。
在创新能力培养模式上，美国十分重视对大学创新能力培养的资助，2009年，美国总统奥巴马发起名为“创新教育”的行动，旨在提升全美学生的创新能力[6]；日本强调创新能力培养，重视学生思维训练和创新性表现力，把培养学生的创造能力作为基本教育国策，实行“二十一世纪卓越研究基地计划”[7]；德国大学教育多以培养学生创新能力为中心，注重完善学生的人格个性，培养学生的创造性、主动性，注重培养全面发展的学术人才和高级专门人才[8]。在大学里，美国麻省理工学院注重课堂教育与课外学习生活的融合，实施本科生研究工作机会计划，大大促进了学生创新思维的发展和创新实践能力的增强；东京工业大学把学生创新能力培养融入教育目标和课程设计上，鼓励学生自行选择专题进行制作，增强学生创新意识，同时注重学生的个别需求，实行弹性教学；慕尼黑工业大学在学校开展入学倾向性测试，疏通学生个性化发展渠道，突出产学研一体化，采用教研训相结合的模式，把最新科技成果和实践训练融入人才的培养过程中；欧林工学院提出了“欧林三角”培养模式，旨在帮助学生建立工程和现实世界之间的联系[9]。西方国家对大学生创新能力的培养十分重视，在课程设计、创新实践等方面给予大学生更多选择的空间和自由，这点与国内有很大的区别。
我国由于基本国情与传统习惯的原因，在创新意识培养和创新能力训练方面较为落后，但近年来我国学术界对创新的研究逐渐增加，在2013年达到高峰，既有从我国教育模式、教育环境、社会氛围、政策倡导等宏观方面进行研究的文章，也有从创新意识、创新动机等微观方面进行研究的阐述。而在大学生创新能力的培育方面，也呈现出百花齐放的景象。一方面，各类专业关于创新能力的研究逐渐地细化，从自身的专业特点出发进行研究，比如杨闯从材料科学与工程专业出发，结合该专业的特点进行研究，提出强化校企合作，加强企业与学校的联系等建议[10]；陈登宇基于新能源与工程专业的社会需求与现状，对该专业学生创新能力的不足进行了反思，并提出了打造与新能源企业紧密相关的科技创新平台，构建开放性实践教学体系的解决措施[11]；安建强以电子信息工程专业学生为研究对象，以成果导向理论为主要理论基础,构建了成果导向的“创新训练”体系[12]。另一方面，大学生创新能力研究呈现学科融合、学科相互借鉴、研究视角更微观精准的趋向，周叶中提出学科的交叉与综合不仅是科学技术创新的源头活水，也是提高学生创新能力的必由之路[13]；刘映升将创新与创业相结合，阐述了大学生创新能力培养在企业3个生命周期阶段的提升策略[14]；朱强[15]探讨交叉学科的特征对培养大学生创新能力的作用,总结了交叉学科培养大学生创新能力的成果、问题，最后从明确理念、建立指标、确定保障和整合资源等方面谈到了交叉学科视野下大学生创新能力培养的途径。
我国的创新教育与创新能力的研究虽然开展较晚，但目前极受重视，而且各大高校和科研院所均在开展相关研究，因此有望缩小与国外研究的差距。
2 目前存在的问题
智能科学与技术专业虽然是新专业，但由于仍然需要利用现有师资和管理体制，所以在创新能力培养方面仍然存在一些问题，主要体现在以下3个方面。
1）课程体系与传统教学体系较为接近，创新实践类课程较少。
虽然智能科学与技术专业的课程体系在学生创新实践方面有所偏向，但总的来说，理论教学仍然占了相当大的比重，创新实践类课程比例较低，并未脱离传统教学的体系。
2）教学模式以传统的填鸭式为主，学生学习主动性不强。
目前大部分教师仍然以传统的课堂讲授为主，与实际项目结合较少，学生学习兴趣不高，主动性不强，上课懒于思考。这不是一门课或者几门课的问题，是大部分课程均采取填鸭式教学模式而形成的大环境下的必然结果。部分教师采取了一些诸如项目式教学、互动式教学等教学模式方面的有益尝试，但个人努力很难对抗整个大环境，这些教师往往努力几年之后就放弃了。
3）教学内容更新缓慢，与实际应用技术有较大差距。
智能科学与技术专业毕业生所需要的技术更新非常快，满足摩尔定律对于信息技术飞速发展的预测，而课堂教学的内容以理论为主，实验也以验证性实验为主，这使得智能科学与技术专业毕业生毕业之后往往有“大学所学的内容没什么用”的感慨。教学内容不能随着技术进步而更新，这是培养出来的学生与市场需求脱轨的重要原因之一。
3 解决途径
目前不少高校已经开展了智能科学与技术专业建设的研究，取得了一些成果，在学习吸收这些成功经验的基础上，结合一些具体的实际情况，提出以下3个方面的建议，以提高学生的创新实践能力。
3.1 以需求为导向，以工程为主线，设计理论课程体系和实践教学体系
创新实践能力的培养需要以市场需求为导向，为此，需要从用人单位实际需求出发，重新考虑专业课程体系的架构问题，着力培养学生的工程实践能力和创新能力，进而形成一个融理论教学、工程实践、创新能力培养为一体的整体化培养机制，让学生的基础知识、科学素养、专业知识、创新能力、工程能力和职业素质都能得到全面均衡的发展。具体来讲，分为理论教学体系和实践教学体系两部分。
智能科学与技术专业是一个应用性很强的交叉专业，除了一些大学英语、马哲、思政等通识课之外，还包括数学基础、电路设计基础、编程基础、数据结构与算法、计算机系统等5个核心基础，与之对应的是复变函数与积分变换、模拟电子技术基础、数字电路与数字逻辑、高级语言程序设计、数据结构、算法分析与设计、微机原理等课程。
在这些核心基础之上，还应该根据学校的办学特色和实际需求，选择合适的方向来开设核心专业课程。目前在已经开设该专业的学校中，北京大学偏向于“信息处理”，开设有脑与认知科学、人工智能基础、信息论基础、生物信息处理、智能信息处理等课程；湖南大学偏向于“智能系统”，开设有信号与系统、操作系统、嵌入式系统、人工智能、模式识别、智能控制导论、机器人学等课程；首都师范大学偏向于“智能机器人”，开设有人工智能原理、虚拟现实技术、自然语言处理、智能信息获取技术、智能机器人、智能游戏、智能管理等相关课程。其他开办高校基本都是依托本校优势专业有所倾向，但尚未形成被广泛认同的体系。
目前专业实践教学体系中的课程设计、课程实验、项目实训等由于主讲教师不同，教学的倾向有所差异，课程内容难免有重叠和脱节之处，不利于学生的学习。因此在实践教学体系方面，建议以工程为主线，以1~2个大项目贯穿所有的课程设计、课程实验、项目实训，强化工程理念，并以此为中心来设计实践教学课程体系。例如，偏向于智能机器人方向的高校，可以以“机器人足球”这一个大项目为核心，所有课程的实验、实训均围绕它展开，自然语言处理课程设计该项目中的自然语言处理模块，智能信息获取技术设计该项目中的传感处理模块，智能管理课程设计该项目中各模块的协同模块，等等。这一改动可以将整个实践教学环节有机地串联起来，形成一个整体，有利于提高学生的创新实践能力。
3.2 校企深度合作，优化教学模式
在教学模式方面，传统的填鸭式教学效果差是大家的共识，但是目前所有课程教学还基本使用这种模式，原因何在？一是师资的问题，高校师资的来源和高校师资的考核方式使得高校双师型队伍的建成十分艰难；二是学生本身的问题，学生从基础教学开始形成的被填鸭式的学习习惯使得学生没有创新意识，而且大学整体氛围如此，除非所有课程一起改革，否则一两门的课程改革不会有太大的作为。
为了破局，建议从与企业开展深度合作出发，开展一系列的相关深入合作，由点及面，带动自有师资素养的提升。基本思路是不断创新与企业的交流机制，由学校精心挑选一批知名度高、行业背景深厚、综合实力强、能接受大量学生的企业进行多方位合作，聘请企业相关人员以多种形式全程参与学生的培养。
首先是在培养方案上，可以邀请企业相关人员一起制订和修订培养方案，有条件的企业可以开展订单式培养。其次是与企业联合进行实习实训基地建设，让学生有更多的机会进入到企业的生产一线，提升学生实习的质量。第三是与企业联合开展创新实验室建设，即企业在高校建立创新实验室，吸收在校学生参与产品设计与开发工作，这种创新实验室能大大提高学生应用专业知识的能力，也能让学生尽早了解行业背景，为企业提供技术力量。
同时，鼓励现有师资开展教学模式的改革工作，外聘部分企业技术骨干，推进基于问题的学习、企业教师专题报告、基于项目的学习、案例教学等多种研究性学习方法，训练学生的创新能力。教学模式如图1所示。
3.3 面向社会需求，多措并举，优化课程内容
智能科学与技术专业面向新兴的智能技术产业，强调应用导向，其内容更新问题需要深入研究，建议从以下几个方面进行。
1）通过修改培养方案，淘汰老旧课程，新增与实际应用结合紧密的课程。
由于智能科学与技术专业是新出现的专业，培养的学生定位于应用型人才，其课程应该随着技术的发展不断调整。因此，有必要通过调整课时和学分的方式弱化理论课程，新增应用性实践性较强的课程，如智能检测综合实践、机器视觉综合实践、智能决策支持系统等。通过这种方式逐步置换课程，达到更新教学内容的目的。
2）通过改革教学方式，为教学内容更新提供良好的环境。
一些实践性强的课程，比如高级语言程序设计、算法设计与分析等，可以修改为在机房上课，边讲案例边实践；智能机器人课程，则可以选择在实验室上课，提高教学效果。一些扩展知识面的课程，可以以讲座形式进行，聘请不同企业的工程师，介绍当前的最新技术。通过这种改革，对传统教学方式进行调整，从而更新教学方式。
3）通过调整考核方式，为教学内容更新提供导向。
调整原有的课程期末考试的考核方式，根据课程内容不同，增加过程性考核环节，引导学生重视实践，将实践能力的培养落到实处。将课外兴趣小组、科研与科技创新活动、各类比赛、暑期实训、企业实习等方式均纳入考核方式的选择范围，为任课教师进行教学内容的更新提供导向。
4 结 语
智能科学与技术专业方兴未艾，对学生创新能力培养的研究也如火如荼，如何破解高分低能现象，为社会提供合格的人才，也是各大高校一直在考虑的问题。笔者立足实际，对如何提高智能科学与技术专业学生的创新实践能力进行了思考，提出了一些解决途径，为同行提供思路，为智能科学与技术专业向新工科的要求靠拢做好准备。
基金项目：
广西教育厅中青年教师基础能力提升项目“基于数据挖掘的人脸老化图像合成研究”（KY2016YB262）；广西科技大学自然科学基金项目“基于复杂网络的快速车牌识别研究”（广大科字1419212）。
作者简介：
胡伟平，男，讲师，研究方向为人工智能、图像处理