前沿应用型“智能无人系统”课程教学改革研究

［摘 要］ 基于学科前沿性和实践应用的重要性，探讨了“智能无人系统”课程的教学改革问题。首先，通过深入分析，发现“智能无人系统”课程教学存在着理论内核理解不深、“学”“研”分离现象普遍、科学创新素养和实践能力培养缺失，以及考核指标单一等问题。其次，基于学科前沿与实践应用提出了相应的教学改革思路，介绍了具体的教学改革内容。最后，通过调查不同教学方法下的两个班级学生的学习情况，对“智能无人系统”课程教学改革进行效果分析。

［关键词］ 智能无人系统；课程改革；教学实践；新工科研究生

［基金项目］ 2022年度国家自然科学基金青年科学基金项目“网络攻击下多智能体系统分布式容错控制方法研究”（62103250）

［作者简介］ 柳 春（1991—），男，上海人，工学博士，上海大学机电工程与自动化学院副教授，硕士生导师，主要从事智能无人系统科研与教学研究；徐 梁（1987—），男，上海人，工学博士，上海大学未来技术学院教授，博士生导师，主要从事智能无人系统科研与教学研究；刘晗笑（1996—），女，上海人，工学博士，上海大学未来技术学院讲师，硕士生导师，主要从事智能无人系统科研与教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）41-0050-04 ［收稿日期］ 2023-09-05

引言

“智能无人系统”课程内容涉及计算机、软件等领域，以及人工智能等新兴方向，是一门前沿性交叉学科。

2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出要建立新一代人工智能关键共性技术体系，把自主无人系统列入国家战略发展的重点任务［1］。党的二十大报告指出，人才是第一资源，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之［2］。为了满足国家相关企事业单位对人工智能系统工程研发人才的需求，服务于无人系统领域国家重大战略，高校相关领域的人才培养体系需要不断完善。智能无人系统作为一门前沿性交叉学科，只有在传统教学内容和方式的基础上不断探索与改革，才能体现出学科的优势，培养出实用型、复合型人才。

文献［3］分析了高校智能无人系统运用人才队伍的现状，提出要在引进和培育、交叉与融合，以及专业化和高素质上下功夫。文献［4］在继承传统教学实践有效举措的基础上，提出以课程逻辑结构为纲，开展“大班课”加“实践课”的课程教学。文献［5］强调了智能感知、自主控制的实践环节对提高无人机系统课程教学质量的重要性，提出了教学与相关竞赛有机结合的课程实践方案。

相关研究从人才队伍建设、课程以及教学实践改革等多个方面进行了积极探索，一定程度上丰富了包括“智能无人系统”课程在内的人工智能相关课程的讲授技巧，提高了教学质量。但是为了更好地适应信息化、数字化时代，仍需要深入挖掘现有课程教学体系中存在的问题，不断创新、完善教学内容和教学方法，完善我国智能无人系统人才的培养体系，依托多领域交叉的优势，形成“知行合一、学以致用”的前沿学科教育教学改革。

一、问题的提出

（一）“智能无人系统”课程理论内核理解不深

教师和学生都容易进入“智能无人系统”课程理论内核的理解误区。学生选课时会误认为该课程是智能控制单一领域课程，实质上智能无人系统涵盖智能感知、智能决策等多维范畴。并且学生对智能无人系统的第一印象普遍偏向于自动驾驶等领域，实质上其理论内核还涵盖智能无人机、无人船等多行业无人系统。

（二）“学”“研”分离现象普遍

部分学生以修学分为目的，没有把课程所学内容纳入课题研究中，对所学课程在整个领域中的定位模糊不清，使得教学与科研分离。因此，如何进一步完善科教协同、学研协同机制，构建科研与教学并重的气氛，是“智能无人系统”课程亟待解决的问题［6］。

（三）科学创新素养和实践能力培养缺失

“智能无人系统”课程对实践能力也有很高要求，但由于学生对相关课程之间的关联把握不深刻，不能做到知识之间的融会贯通，更难以依据学科体系对课题有一个全面的规划和创新。目前，高等工程教育中也还存在很多问题，使得人才培养的方式与社会工程需求脱节，在教学体系中实践环节相对被弱化，仅凭理论学习，学生独立思考和动手解决实际问题的能力得不到训练［7］。

（四）考核指标单一

目前，“智能无人系统”课程学习考核由平时考核和期末考核组成，其中期末考核主要采用考试和课程论文两种方式。但是这样单一的考核方式，运用在专业基础课和专业选修课的效果也参差不齐。一方面，对于时间紧、任务重、学生数量多的专业基础课，平时考核难以把控学生的日常学习情况，无法真正调动学生的学习兴趣［8］；另一方面，传统的期末考核形式让学生容易考前突击，并不能真实反映学生的能力和水平，无法有效驱动教学相长。如何积极改变学生的应试学习现状，是发展素质教育，加快建设高质量教育体系过程中不可忽视的问题。

二、基于学科前沿与实践应用的教学改革思路

“智能无人系统”课程改革应以育人为根本，以国家战略需求和社会相关领域研发需要为导向，在反思中探索教学模式，在实践中创新教学方法，在反馈中更新教学内容，逐步培养学生的科研素养，实现专业理论知识和工程实践能力的有机结合与转换。针对上述分析的现阶段“智能无人系统”课程中存在的诸多问题，主要从培养方式、课程体系以及考核形式等方面进行教学改革：通过“较全面理解课程核心”和“教辅结合”的新型培养方式进一步夯实学生理论基础；通过“双师指导”“校企挂钩”的方式培养学生实践应用能力；通过多样的授课方式提高课堂教学效益；在包含知识教授、实践训练和综合素质提升为一体的完整课程体系下，以关注学生自主学习的全过程学业评价作为考核形式。具体改革内容如下。

（一）夯实理论基础

扎实的理论知识是进行工程设计和工程创新的基础。关于课程教学内容，采用国家级规划教材为主，相关文献书籍为辅的方式。从“灌输式、片面追求专业化”向“探索式、较全面理解课程核心”的培养方式转变。一方面，根据教材给学生讲授智能无人系统的基本概念、原理和涉及的相关技术；另一方面，给学生适当推荐参考文献和书籍，如科学出版社出版的陈杰等编著的《多智能体系统的协同群集运动控制》，国防工业出版社出版的Kenzo Nonami等编著的《自主控制系统与平台——智能无人系统》，清华大学出版社出版的毕盛等编著的《智能系统及其应用》等。通过教辅结合（教材和辅助参考书籍相结合），帮助学生对课程知识体系有更完整的认知，以利于学生挖掘知识深度，拓展方法广度。除此之外，授课教师根据“智能无人系统”课程的不同专题，列出相关的高质量学术论文，帮助学生更好地了解智能无人系统的研究现状，进一步促进“智能无人系统”课程与学生研究课题的有机融合。

（二）培养实践应用能力

为了更好地体现智能无人系统工程教育的内涵，以及与科学教育的区别，“智能无人系统”课程应该以社会工程经济需求为导向，培养具有较强工程实践能力和技术创新能力的智能系统专业技术人才。打造“双师双能”师资队伍，由学校兼具基础理论与工程实践经验的教师与高水平企业或科研院所内业务水平高、责任心强的具备高级职称的技术人员联合指导学生。

实践环节针对企业或科研院所对智能系统研发人才的需求，以项目为抓手，以案例教学作为主要的授课方式。依托前沿学科研究优势，推动校企合作，与中国船舶重工集团有限公司、商汤科技、华为等企业开展人工智能系统工程应用研究，研发智能数据分析系统与智能无人系统，以此培养具备扎实基础理论和领域交叉专业知识，善于利用人工智能进行交叉学科创新的智能系统专业技术人才。通过实践环节使学生达到熟悉本行业工作流程和相关职业及技术规范，具备团队工作、有效沟通和组织协调的能力，胜任企业核心技术研发工程师岗位。

（三）拓宽知识讲授方式

以课堂教学作为改革突破口，打破传统以教师和课程为中心的知识传授方式，积极转变学生被动听的单向传输模式。从注重知识点传授的“以教为中心”向“知识+思维+探索”并重的“以学为中心”教学模式转变。课程教学方面根据理论教学与实践训练不同环节的不同特点，采取多种授课方式，提高课堂教学的效果。

理论部分采用教师精讲、前沿学者学术报告、课后调研、分组报告等多种方式。考虑到课程理论性强的特点，由教师详细讲解概念、方法、原理等基础知识，帮助学生从整体上把握智能无人系统的知识体系，掌握课程的重点和难点；邀请课程相关领域的学者做专题学术报告，让学生接触近三年的研究成果，引导学生学习与专题有关的前沿知识，进而横向拓展知识广度；结合相关领域的研究与课程内容的基本原理及方法，授课教师列出相关领域的前沿研究或对我国经济建设发展具有实际意义的研讨主题，学生分组调研讨论，最后进行课堂汇报交流。教师应充分调动课堂气氛，让课堂真正成为思维与灵魂绽放的舞台。实施个性化教学，让学生选择感兴趣的主题，纵向挖掘智能无人系统的知识深度。

实践环节，通过聘请部分企业科研院所技术人员走进课堂，以项目研讨或技术讲座的形式进行实践课教学。学生可通过校企、校所联动平台快速将所学的智能无人系统算法经过层层验证模拟，让理论真正联系实际，这有助于学生掌握“智能无人系统”课程基本知识。在课堂教学设计及在线教学技术的应用过程中，学生可快速熟悉整个开发流程，分析系统的组成和原理，建立合理的数学模型，了解常用智能算法的原理及创新算法的再设计方案，进而使搭建的在线模拟实验循序渐进，使得不同工程背景的学生都能从中受益。

针对“智能无人系统”在线课程讲授方式的研究，开发设计以实际应用案例辅以问题为驱动的案例教学法，激发学生的学习热情。摒弃以课前准备的PPT及相关图片通过课堂讲授法向学生讲授专业知识点以及重点和难点的授课方式，通过在WEB端在线学习工作流，使学生可动态加载和学习各课程PPT、软件包和源码，在线可回溯学习进度及调整学习计划；通过学习当前国内外智能无人系统的发展现状及趋势，引出智能无人系统发展的必要性，再以多媒体形式展示最新无人群体智能科技以及在未来拟解决的关键技术，启发学生的创新意识，培养其创新能力。

（四）完善考核形式

开展关注学生自主学习的全过程学业评价，在教育教学的每一个环节中抓考核和激励，从“死记硬背”“期末一考定成绩”向“全过程学业评价”“非标可部分主观评价”的学业评价方式转变。以学生为中心，满足学生专业、兴趣、毕业就业等个性化需求，真正实现因材施教。针对“智能无人系统”课程，实施开放性命题、创作性汇报，灵活考查个人成果和团队分工。

三、“智能无人系统”课程教学成果分析

为了分析改革后“智能无人系统”课程教学方法的成效，选取上海大学2021级与2022级电子信息硕士专业的两个班级的学生作为样本分析对象。其中，2021级学生采用了原有教学（教师授课+学生听课）模式，2022级学生采用了改革后的教学模式。以问卷调查的形式对学生的基础理论掌握情况、领域发展现状和发展趋势了解情况、课堂互动情况以及分析解决问题情况等多方面表现开展调研。其中，2021级发放问卷71份，有效问卷70份；2022级发放问卷81份，有效问卷81份。由问卷调研结果可以看出，在原有教学模式（教师授课+学生听课）下，以知识点传授为主的灌输式教学方式培养出的多是“考试型学霸”，虽然大多数学生对理论基础掌握的情况良好，但是学生学习主动性较差，课堂气氛比较沉闷，学生实践应用能力也很欠缺。这不利于学生综合素质培养。而在课程改革后的教学模式下，师生互动探讨增强了课堂吸引力，学生在课堂的参与度显著提升，同时随着学业挑战度的上升，学生课后的学习主动性也有明显的提升，工程实践能力也得到更充分的训练，学生变得更加“勤学”“悦学”“会学”。由此可见，在以学生为中心和“知行合一”教学理念的指导下，通过“双师”指导、校企挂钩、多方式授课的培养方式，集知识教授、实践训练及综合素质为一体的完整的课程体系和全课程学业评价的考核方式，更符合培养具备良好工程实践能力的实用型、复合型智能无人系统研发与工程管理人才的需求。