“人工智能+电子信息工程”复合型人才培养模式研究

关键词：人工智能；电子信息；教学模式；协同育人机制

0 引言

人工智能领域的突破性进展，使得各个行业都能够很好地将其融合，各行各业对人工智能人才的需求也越来越高。在教育部政策的指引下，各高校根据自身实际情况，形成了许多特色鲜明的“人工智能+X”复合型特色专业，如“人工智能+自动化”“人工智能+机械工程”等。结合本校的实际情况，从课程体系建设、培养方案与教学方法、人才培养平台和协同育人机制4个方面，对“人工智能+电子信息工程”专业人才培养体系进行深入研究[1]。

1 课程体系建设

根据当前“人工智能+”发展的整体趋势，引入“人工智能+教育”等先进教学模式，遵循复合型“人工智能+”人才应具备的特征，构建面向“人工智能”的电子信息工程专业课程体系。该体系由通识课程、基础课程、专业课程和实践课程四部分组成[2]，如图1所示。

1.1 通识课程

包括高等数学、C语言等课程，通过此类课程教学，强化和提高学生的数学基础和C语言编程能力，为人工智能相关课程的学习打好基础。

1.2 基础课程

包括模拟电子技术、Python程序设计等课程，提升学生对电路的理解和认识，使其在教师指导下能够排查一些简单的电路问题。同时，开设Python程序设计课程，让学生了解这门人工智能编程语言[3]。目前，主流的人工智能框架均采用Python作为编程语言，如谷歌的TensorFlow、Facebook的PyTorch和百度的飞桨框架。在这种背景下，学好Python显得非常重要，但也不能操之过急，须循序渐进，一步一个脚印。Python 的学习应注重对基础语法和函数的理解与应用，并能够熟练书写简单程序。

1.3 专业课程

包括控制与图像类课程和人工智能算法相关的课程。控制与图像类课程包括单片机原理与应用、ARM嵌入式系统、信号与系统、数字图像处理等课程，主要提升学生硬件编程能力和掌握图像处理的专业知识；人工智能算法相关的课程包括机器学习、计算机视觉、深度学习和强化学习等课程，通过逐步提升课程难度的方式，让学生循序渐进地理解和掌握人工智能基础算法。这里主要以单片机原理与应用和ARM嵌入式系统的课程设置为例进行说明。

目前，电子科技企业的控制器主要以STM32为主，但STM32对于学生来说，直接上手的难度太大，主要有以下几个方面的难点：

1） 要能看懂STM32的电路原理图，并且会用专业的绘图软件准确绘制出控制器的最小系统原理图。

2） 对单片机C语言的编程能力要求较高，不满足于只有一个main.c程序，而是很多个C模块程序同时存在于一个工程中，并且要能灵活调用。

3） STM32涉及太多寄存器，无法全部记住，但也不能太陌生，否则容易无所适从，导致学习兴趣全无。

4） 虽然STM32提供了很多标准库函数可以调用，但无法全部记住，并且很多相似库函数的使用方法也不一样。

因此，在教学安排上把单片机课程设置在前，ARM嵌入式系统课程设置在后。让学生从零开始学习单片机：

1） 首先教学生使用PROTEUS仿真软件绘制出单片机最小系统的原理图，这是最基础也是最重要的，认识单片机电路的必经之路。

2） 接着讲述单片机的4个主要片内功能组件：并行IO端口、定时器、中断系统、串行通信接口，并配以仿真程序进行现场演示，生动形象，易于理解。

3） 在掌握单一基本模块程序的基础上，学会将多个模块程序融合到一个大工程中，编译调试，并通过实物验证。一旦学生学完单片机课程，再去学习STM32就会变得容易很多。当然，这对上单片机课程的老师水平要求也是很高的。

1.4 实践课程

实践课程分为两个方向，一是控制类课程设计，另一个是人工智能课程设计[4]。控制类课程设计主要是围绕单片机和ARM展开，重点提升学生综合应用能力[5]；人工智能课程设计包括机器学习课程设计、深度学习课程设计和强化学习课程设计，巩固并提升学生对人工智能算法的理解和认识，进一步明白人工智能算法的重要性。

2 教学模式

针对当前传统的线下教学模式存在课程内容个性化不足和学习进度受限制等问题，引入混合式教学模式，做到线上教学与线下教学体验相结合[6]。对于结合人工智能的电子信息工程专业而言，课程资源丰富和类型的多元化，也有利于提升课堂的教学效果。

混合式教学模式的过程一般包含4个阶段[7]：课前准备阶段、线上学习阶段、线下授课和课后评价四个阶段。4个阶段环环相扣、彼此依存、逐次递进，形成一个高效的闭合教学回路，具体如图2所示。

以单片机中的串口通信模块教学为例进行说明：

2.1 课前准备

串口通信模块的主要知识点有：

1） 串行通信采用异步收发的方式进行数据传输，异步通信的数据传输规则为：起始位 + 数据位 + 奇偶校验位 + 停止位。

2） 串行通信遵循RS232协议，该协议包含5个要素：波特率、数据位、奇偶校验位、停止位和硬件流控制。其中，波特率是衡量数据传输速度的指标，波特率越大，数据传输速度越快。

3） 单片机中串口通信模块的内部结构框图，其中最重要的是发送缓存寄存器SBUF和接收缓存寄存器SBUF，即发送和接收都使用相同的寄存器。那么，如何判别处于解说数据还是发送数据状态？

4） 串口通信模块的相关寄存器，如串口工作方式寄存器SCON和功率控制寄存器PCON。

5） 发送中断标志TI和接收中断标志RI的特点。

2.2 线上学习

学生在线上学习过程中遇到的问题通过平台发送给老师。老师对问题进行分类和总结，串口通信模块中遇到的问题主要有以下几类：

1） 奇偶校验本是用来保证通信中数据传输的正确性，为什么串口通信程序中将奇偶校验位设置为无？

2） 在串口通信中，为了更快地传输数据，通常将波特率值设置得较大，为什么在实际中波特率不是越大越好？

3） 在串口通信中，发送的数据和接收到的数据都存放于专用寄存器SBUF，如何区分SBUF中的数据是将要发送的还是已接收到的？

4） 发送完一帧数据和接收到一帧数据后，为什么要将发送中断标志和接收中断标志清零？

5） 串口通信中，发送中断和接收中断共用一个中断源，程序中如何进行区分？

2.3 线下授课

根据学生提出的问题进行引导式学习，并展开讨论。以线上学习中的问题5） 为例进行说明：首先明确发送中断和接收中断共用一个中断源，即同一时间只能处理一个中断；接着解释发送中断和接收中断是两个不同的事件，这两个事件的发生必定会有相应的变化；最后引出发送中断标志位和接收中断标志位。因此，只要在程序中判别是哪个中断标志位，就可知道是哪个中断对应的事件。

2.4 课后评价

对在线下授课中学生的表现进行评分和正面反馈，主要有以下几种情况：

1） 对知识点理解较为透彻，紧跟教师思路，回答正确且触及要点，并能进行扩展延伸的学生，属于优秀学生。对于此类学生，除了鼓励外，还需引导他们思考更难的问题，始终保持谦虚的态度。

2） 仅能回答教师问题，但不能做到扩展延伸的学生，应鼓励他们在学习前查找相关内容进行预习，并且不能放松对自身的要求。

3） 对问题理解不深，甚至难以理解的学生，应积极鼓励他们。强调“一遍就学会的人是不存在的”，学习是一个漫长过程，只要坚持反复观看视频学习，终会有所领悟。

3 协同育人机制

当前大学的理论教学和实践教学环节与行业发展前沿存在脱节现象。教师的实践经验停留在几年前，没有跟上行业发展进度。教学方式与专业实践技能也无法满足行业发展要求，高校实践环节有限，学生在校内接触不到真实工作场景。

究其原因，在于学校和企业之间没有形成良好的互动，彼此相互独立，缺乏有效沟通机制。校企协同育人机制恰是解决这一问题的关键所在[8]。校企协同育人机制包含以下4个方面，如图3所示[9]。

1） 学校定期组织专业骨干教师深入企业进行实习实训，提升实际操作能力，并将企业中所学的知识和技能融入理论教学和实践教学中，提升讲课的深度和广度。

2） 积极寻求政府支持，在初期给予企业一些政策上的扶持，使企业有更强意愿将一些产品研发项目分配给学校，由学校负责组建专业科研团队来解决企业难题。更多教师将深度参与，并积极鼓励教师带领学生一起做科研。

3） 企业派遣有经验的员工将生产实际情况引入实践教学，学校聘请具有丰富实践经验的企业一线工程师，形成学校和企业之间的良性动态交流机制，使学生学习到专业发展的前沿知识。

4） 学校与企业联合制定人才培养方案，企业积极参与实验室建设、提供实习实训基地、课程设置与教学资源建设、考核方式及相关制度建设等方面，培养企业认同的“人工智能+电子信息工程”人才，实现校企共赢的良性发展[10]。

4 结束语

本文从课程体系建设、教学模式和协同育人机制3个方面对“人工智能+电子信息工程”专业的人才培养体系进行了较为深入的研究。在课程体系建设方面，着重优化课程内容，确保其与行业最新发展保持同步；在教学模式方面，探索并实施多样化的教学方法，以培养学生的学习习惯、思维方式、实践操作能力和综合应用素养；在协同育人机制方面，强调学校和企业的密切合作，通过联合制定人才培养方案、共同建设实验室和实习基地，以及企业导师的参与等举措，共同培养出符合企业需求的高质量人才，从而实现校企共赢的发展目标。通过这些努力，毕业生将具备扎实的专业知识和技能，能够迅速适应行业的发展需求，为企业提供强有力的人才支持。