時間：2022-02-10 23:48:33
導(dǎo)語：在智能科學(xué)與技術(shù)論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1 引言
“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是國家教委在2006年設(shè)置的新專業(yè)，代碼；080627S，屬于工學(xué)電氣信息類?，F(xiàn)已有南開大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等12所高校獲準(zhǔn)招生。
智能科學(xué)技術(shù)是信息科學(xué)技術(shù)的核心和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的前沿和制高點，涉及自然科學(xué)的深層奧秘，觸及哲學(xué)的基本命題。智能科學(xué)技術(shù)的研究將對國民經(jīng)濟(jì)、社會進(jìn)步、國家安全生產(chǎn)產(chǎn)生深刻而巨大的影響，并將為智力革命、知識革命和信息革命建立理論基礎(chǔ)，為智能系統(tǒng)的研制提供新概念、新思想、新途徑。智能科學(xué)的興起和發(fā)展標(biāo)志著對人類為中心的認(rèn)知和智能活動的研究已進(jìn)入新的階段。目前，國際上對智能科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的研究高度重視。我國對該領(lǐng)域的發(fā)展特別關(guān)注。
智能科學(xué)與技術(shù)在一定程度上代表著信息技術(shù)的前沿，其理論研究與應(yīng)用開發(fā)對我國現(xiàn)行的教育與教學(xué)理念提出了挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有的教育體系中增加智能理論和智能技術(shù)教學(xué)，對全面地培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新的思維方式及激發(fā)學(xué)生們對信息技術(shù)未來的追求具有積極的意義。因此，為適應(yīng)智能科學(xué)與技術(shù)的深入研究和社會對從事智能化產(chǎn)品研發(fā)人員的迫切需求，在本科階段設(shè)立相應(yīng)的“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是十分必要和及時的。因此，我校設(shè)立“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是適應(yīng)了社會發(fā)展要求的，必將為河北乃至全國的社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。
近5年來，我校自動化系先后從事的包括11項國家級項目在內(nèi)的70余項科研課題，發(fā)表的近200篇學(xué)術(shù)論文，均不同程度地與“智能科學(xué)與技術(shù)”領(lǐng)域相關(guān)，積累了深厚的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。由于良好的辦學(xué)隊伍和實驗條件，由我校申報的“智能控制技術(shù)與裝置教育部工程研究中心”已經(jīng)通過省級審查上報，因此，學(xué)科已經(jīng)具備了承辦“智能科學(xué)與技術(shù)”新專業(yè)的條件。
2 辦學(xué)條件
2.1 師資狀況
從我校辦學(xué)發(fā)展來看，“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的設(shè)立主要來自于近年來“自動化”專業(yè)在“智能化”和“信息化”方向的逐漸發(fā)展，以及“自動化”專業(yè)與“信息工程”、“計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”等專業(yè)的交叉。受專業(yè)發(fā)展特色和學(xué)時等因素的限制，僅靠在原有“自動化”專業(yè)課程中增設(shè)新課已經(jīng)難以滿足相關(guān)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需要，因此可以說“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是由量變積累超出“自動化”專業(yè)領(lǐng)域而質(zhì)變派生出的一個新專業(yè)?；诖嗽?，“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)主要由自動化系中抽調(diào)人員組織專業(yè)課程階段的教學(xué)任務(wù)，專業(yè)基礎(chǔ)課程階段的教學(xué)任務(wù)則由電工電子教學(xué)中心等單位系協(xié)助完成。
由于我?！爸悄芸茖W(xué)與技術(shù)”專業(yè)是由“自動化”專業(yè)發(fā)展派生出的新專業(yè)，兩個專業(yè)多門課程的教學(xué)內(nèi)容是相同的，因此“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)可以得到“自動化”專業(yè)的協(xié)助，從而避免多數(shù)新專業(yè)先期出現(xiàn)的師資力量欠缺問題。
2.2 相關(guān)支撐專業(yè)
“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的主要相關(guān)支撐專業(yè)有“自動化”、“信息工程”、“計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”等，其中與同屬電氣信息類的“自動化”專業(yè)關(guān)系最近?？紤]到我校的具體情況，在新專業(yè)的辦學(xué)初期，“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)和“自動化”專業(yè)在科研、辦學(xué)經(jīng)費、研究生培養(yǎng)等方面的統(tǒng)籌安排上統(tǒng)一劃歸省重點學(xué)科“控制理論與控制工程”管理。兩個本科專業(yè)的教學(xué)與學(xué)科的總體發(fā)展相互協(xié)調(diào)和支持，共同進(jìn)步。
2.3 實驗條件
由于“智能科學(xué)與技術(shù)”和“自動化”兩個專業(yè)多門專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容是相同的，因此“自動化”專業(yè)的多個本科生實驗室可以與“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)共用，包括：微機(jī)原理與微機(jī)控制技術(shù)實驗室、控制理論實驗室等，可完成“自動控制理論”、“現(xiàn)代控制理論”、“微機(jī)原理”、“微機(jī)控制技術(shù)”和“單片機(jī)原理與應(yīng)用”等多門專業(yè)基礎(chǔ)課程的實驗。
2.4 生源及就業(yè)形勢
智能科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)創(chuàng)新的重要增長點，其廣泛的應(yīng)用前景日趨明顯，如智能化電器、智能化樓宇、智能機(jī)器人、智能化機(jī)器、智能化物流等，所培養(yǎng)的學(xué)生正是目前高新技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需的人才，同時這類人才也會對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的提升起到積極的作用，就業(yè)前景廣闊。在招生生源和畢業(yè)生就業(yè)方面均具備比較好的條件。
3 近期辦學(xué)規(guī)劃
3.1 師資隊伍建設(shè)
在師資建設(shè)方面，需要采取積極的人才戰(zhàn)略，走引進(jìn)和培養(yǎng)并重的道路，注重引進(jìn)和培養(yǎng)具有智能信息處理或智能控制研究背景的人才。同時，聘請人工智能領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的專家、教授對本專業(yè)的實驗及教學(xué)進(jìn)行指導(dǎo)，積極鼓勵教師們的學(xué)術(shù)交流活動。
3.2 實驗室建設(shè)
(1)利用自動化專業(yè)的微機(jī)原理與微機(jī)控制技術(shù)實驗室、控制理論實驗室等，完成“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)本科教學(xué)環(huán)節(jié)中“自動控制理論”、“現(xiàn)代控制理論”、“微機(jī)原理”、“微機(jī)控制技術(shù)”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”5門課程的實驗。
(2)建設(shè)“智能信息處理實驗室”，以通用實驗平臺的模式用于“數(shù)字信號與數(shù)字圖像處理”、“軟件工程”、“數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘”等課程的實驗和上機(jī)。
(3)利用教師在承擔(dān)智能科學(xué)與技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域科研課題中購置的相關(guān)實驗設(shè)備和儀器，滿足學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計階段和參加科技創(chuàng)新活動中對實驗設(shè)備的需求。3，3新專業(yè)課程體系建設(shè)
(1)積極向已經(jīng)設(shè)立“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的南開大學(xué)、北京科技大學(xué)等高校學(xué)習(xí)，通過廣泛的調(diào)研，使新專業(yè)的教學(xué)體系和課程內(nèi)容逐步合理化。
(2)緊跟科技發(fā)展新趨勢，突出“智能科學(xué)與技術(shù)”新專業(yè)的特色，注重學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，在智能化電器、智能化樓宇、智能機(jī)器人、智能化機(jī)器、智能化物流等方面培養(yǎng)社會急需的特色人才。
(3)在控制科學(xué)與工程一級學(xué)科碩士點下設(shè)立“智能科學(xué)與技術(shù)”的相關(guān)研究方向，加強(qiáng)該專業(yè)的學(xué)術(shù)梯隊建設(shè)和人才培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)院整體教學(xué)科研的和諧發(fā)展。
4 培養(yǎng)方案
4.1 培養(yǎng)目標(biāo)
我們努力使學(xué)生德、智、體、美全面發(fā)展，具有堅實的數(shù)學(xué)、電子、計算機(jī)、自動控制和信息處理的基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)地掌握智能科學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識和基本技能與方法，受到良好的科學(xué)思維、科學(xué)實驗和初步科學(xué)研究的訓(xùn)練，具有分析問題和解決問題的能力，以及知識自我更新和不斷創(chuàng)新的能力。學(xué)生能適應(yīng)智能科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展。在個人素質(zhì)方面，具有全面的文化素質(zhì)、良好的知識結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的適應(yīng)新環(huán)境、新群體的能力，并具有良好的語言和計算機(jī)運用能力。
4.2 基本要求
使學(xué)生系統(tǒng)地掌握“智能科學(xué)與技術(shù)”的基礎(chǔ)理論知識，以適應(yīng)自動化、智能信息處理與技術(shù)等方面的工作需求；掌握電路與系統(tǒng)的基本理論和實驗技術(shù)，具備分析和設(shè)計電子設(shè)備的能力；掌握信息獲取、處理的基本理論和方法，具有系統(tǒng)設(shè)計、集成、應(yīng)用的基本能力；了解智能科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科前沿、最新進(jìn)展和發(fā)展動態(tài)；了解自動化和信息系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和理論前沿，具有研究開發(fā)新系統(tǒng)、新技術(shù)和各種智能化工程裝備的初步能力。
4.3 主要課程
我?！爸悄芸茖W(xué)與技術(shù)”專業(yè)的主要規(guī)劃課程包括電路、電子技術(shù)、微機(jī)原理、自動控制理論、現(xiàn)代控制理論、嵌入式系統(tǒng)、軟件工程、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號與數(shù)字圖像處理、智能控制、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘、人工智能概論、信息管理系統(tǒng)等。
在課程的設(shè)置上，我校適應(yīng)社會發(fā)展需求，突出“工學(xué)并舉”實踐能力的培養(yǎng)，開展有自身特色的“智能科學(xué)與技術(shù)”本科生教學(xué)。區(qū)別于北京大學(xué)等高校的智能理論算法為主、南開大學(xué)等高校的智能信息處理為主、西安電子科技大學(xué)等高校的通信工程應(yīng)用為主的辦學(xué)主導(dǎo)方向，突出河北工業(yè)大學(xué)地方工科院校的自身特色，以培養(yǎng)學(xué)生研究開發(fā)新系統(tǒng)、新技術(shù)和各種智能化工程裝備的基礎(chǔ)能力為目標(biāo)，設(shè)置相關(guān)的課程。其中，學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)必修課程和專業(yè)選修課程安排如表1～表3所示。
關(guān)鍵詞:智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè);課程體系;教材建設(shè)
繼2004年北京大學(xué)率先在國內(nèi)建立“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)之后,2005年,北京郵電大學(xué)、南開大學(xué)和西安電子科技大學(xué);2006年,首都師范大學(xué)、北京信息科技大學(xué)、武漢工程大學(xué)和西安郵電學(xué)院;2007年,北京科技大學(xué)、廈門大學(xué)和湖南大學(xué);2008年,河北工業(yè)大學(xué)和桂林電子科技大學(xué);2009年,重慶郵電大學(xué)和大連海事大學(xué);2010年,中南大學(xué)和上海理工大學(xué)先后經(jīng)教育部批準(zhǔn)先后設(shè)立了“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)[1-2]。在中國人工智能學(xué)會教育工作委員會的指導(dǎo)下,自2002年起,各相關(guān)專業(yè)教師定期召開智能科學(xué)與技術(shù)教育學(xué)術(shù)研討會,并出版教育論文專輯,大力推進(jìn)了我國智能科學(xué)與技術(shù)教育的健康、快速發(fā)展,并對我國智能科學(xué)技術(shù)的人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)起到了極大的帶動作用。
作為一個發(fā)展中的新興專業(yè),目前各高校仍主要結(jié)合自身基礎(chǔ)和特點建設(shè)該專業(yè)。如南開大學(xué)以智能技術(shù)與智能工程為核心專業(yè)課程[3];北京科技大學(xué)從社會需求角度出發(fā),以提高學(xué)生軟件實踐能力為切入點[4];河北工業(yè)大學(xué)根據(jù)相關(guān)專業(yè)的就業(yè)現(xiàn)狀,以提高學(xué)生硬件實踐能力為著力點[5]。為了解決南開大學(xué)、北京科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)3所高校共同面臨的課程體系和教材建設(shè)等問題,三校教師分別于2010年6月16日和8月2日在南開大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了兩次研討,現(xiàn)將研討成果匯總于此。
1研討背景
“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)自開辦以來,不可避免地要回答如下3個方面的問題:
1) 來自用人單位的問題:“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是做什么的?與其他專業(yè)相比優(yōu)勢何在?
2) 來自學(xué)生及家長的問題:“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)是學(xué)什么的?與其他專業(yè)相比優(yōu)勢何在?
3) 來自教師自身的問題:“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)應(yīng)該教什么?與其他專業(yè)相比優(yōu)勢何在?
無論是做什么、學(xué)什么還是教什么,歸根到底是課程體系和教材內(nèi)容。無論是研究生課程下移(帶來學(xué)生接受知識的困難),還是在其他專業(yè)教學(xué)體系基礎(chǔ)上做簡單的增、刪、改(帶來學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的凌亂),都是不行的,長此以往的后果將是沒有優(yōu)勢,只有劣勢。
南開大學(xué)、北京科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)3所高校的“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)建設(shè)都源于自動化專業(yè)基礎(chǔ),而且都具有典型的工科特色;同時3所高校分別是教育部直屬“985”高校、教育部直屬國家“優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺”建設(shè)項目試點高校和河北省屬“211”高校,3所高校的“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)分別于2006、2007和2008年招生。3所高校在“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)建設(shè)上的異同特點以及地域便利的條件,為優(yōu)勢互補(bǔ)、交流融合提供了機(jī)遇。
2課程體系
根據(jù)研究任務(wù)的不同,智能科學(xué)技術(shù)涵蓋的內(nèi)容可以劃分為智能科學(xué)、智能技術(shù)、智能工程三個層次[6]。
1) 智能科學(xué):主要任務(wù)是研究人的智慧,建立人機(jī)結(jié)合系統(tǒng)理論,并用其模擬人的智慧。
2) 智能技術(shù):在智能科學(xué)的框架內(nèi)創(chuàng)建人機(jī)結(jié)合智能系統(tǒng)所需要的方法、工具和技術(shù)。
3) 智能工程:利用智能科學(xué)的理念和思想,充分運用智能技術(shù)工具創(chuàng)建各種應(yīng)用系統(tǒng)。它是當(dāng)前新技術(shù)、新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向、開發(fā)策略和顯著標(biāo)志。
根據(jù)上述智能科學(xué)技術(shù)的劃分,智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系同樣劃分為理論、技術(shù)與工程應(yīng)用3個層次,具體框架如圖1所示。
需要說明的是,由于課時、學(xué)時等因素的限制,有些課程需要包含未列入課程的部分內(nèi)容。如智能科學(xué)與技術(shù)概論課程內(nèi)含系統(tǒng)論的簡要介紹;智能控制系統(tǒng)包含可編程序控制器、智能傳感器、智能執(zhí)行器等內(nèi)容;智能工程包含若干典型智能系統(tǒng)實例。
3教材建設(shè)
經(jīng)南開大學(xué)、北京科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)3所高校的討論,一致認(rèn)為工科專業(yè)應(yīng)以技術(shù)和工程應(yīng)用兩個層次為核心,并將人工智能導(dǎo)論和智能信息處理兩門課程的教材合并為智能技術(shù)。同時,根據(jù)南開大學(xué)側(cè)重理論、北京科技大學(xué)側(cè)重軟件、河北工業(yè)大學(xué)側(cè)重硬件的原則進(jìn)行分工,編寫對應(yīng)課程的教學(xué)大綱和教材內(nèi)容。
3.1智能技術(shù)
本課程包括智能計算和計算機(jī)視覺兩部分,分別介紹以對人腦的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬為主要特征的聯(lián)接主義智能技術(shù)和以模擬人類視覺處理為主要特征的計算機(jī)視覺兩部分。它是智能技術(shù)的主干內(nèi)容;也是實現(xiàn)智能技術(shù)、組成智能系統(tǒng)的重要工具,屬于本專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過智能技術(shù)的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)能夠掌握智能技術(shù)的基本原理和方法。通過課堂講解、,并配合一定的作業(yè)練習(xí)、上機(jī)實驗等環(huán)節(jié),學(xué)生應(yīng)初步具備運用智能技術(shù)和方法分析和解決問題的能力。本課程擬定90學(xué)時,其中授課54學(xué)時,實驗36學(xué)時。
教材內(nèi)容包括智能計算和計算機(jī)視覺兩部分,智能計算部分包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論和遺傳算法/蟻群算法,計算機(jī)視覺包括計算機(jī)視覺導(dǎo)論、計算機(jī)視覺理論基礎(chǔ)、圖像預(yù)處理、圖像分割、物體識別、圖像理解、雙目立體視覺、三維視覺技術(shù)、主動視覺。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)講授單個神經(jīng)元(感知器)的動作原理,與實際生物神經(jīng)元的對應(yīng)關(guān)系;講授BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成,網(wǎng)絡(luò)的特性和對非線性函數(shù)的模擬功能;介紹BP算法的優(yōu)、缺點;講授H網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu),H網(wǎng)絡(luò)在解決優(yōu)化問題的優(yōu)越性。模糊理論講授模糊集合的概念,建立隸屬度函數(shù)的概念;介紹模糊規(guī)則的建立原則,模糊規(guī)則與模糊系統(tǒng)收入輸出量之間的關(guān)系;介紹模糊化以及模糊量精確化的幾種常用方法。遺傳算法和蟻群算法只作簡要介紹,重點介紹這兩種算法的特點和成功的應(yīng)用實例,使學(xué)習(xí)者有一個感性認(rèn)識,明確這種類型算法的“迭代”特點以及總體最優(yōu)目標(biāo)與個體行為之間的聯(lián)系。
計算機(jī)視覺理論基礎(chǔ)主要介紹Marr的視覺計算理論、圖像的相關(guān)知識、傅立葉變換基礎(chǔ);圖像預(yù)處理主要介紹像素亮度變換、幾何變換、直方圖修正、局部預(yù)處理、圖像復(fù)原;圖像分割主要介紹閾值處理方法、基于邊界的分割方法、基于區(qū)域的分割方法;形狀表示與描述主要介紹鏈碼、使用片斷序列描述邊界、尺度空間方法、基于區(qū)域的形狀表示與描述;物體識別主要介紹知識的表示、統(tǒng)計模式識別、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火、模糊系統(tǒng);圖像理解主要介紹并行和串行處理控制、分層控制、非分層控制;雙目立體視覺主要介紹雙目立體視覺原理、精度分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、立體成像、立體匹配、系統(tǒng)標(biāo)定;三維視覺技術(shù)主要介紹結(jié)構(gòu)光三維視覺原理、光模式投射系統(tǒng)、標(biāo)定方法、光度立體視覺、由紋理恢復(fù)形狀、激光測距法;主動視覺主要介紹從陰影恢復(fù)形狀、從運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)、主動跟蹤。
3.2智能控制理論與技術(shù)
本課程是“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的一門重要專業(yè)課程,目的是使學(xué)生了解智能科學(xué)與控制理論結(jié)合所產(chǎn)生之智能控制理論的基本概念和應(yīng)用價值;使學(xué)生熟知當(dāng)前主流智能控制技術(shù)的種類,并掌握模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及進(jìn)化計算、群體智能的基礎(chǔ)知識,了解智能技術(shù)與傳統(tǒng)控制方法的結(jié)合點;加強(qiáng)MATLAB仿真實驗的訓(xùn)練,以使學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)知識,培養(yǎng)學(xué)生使用高級智能控制方法解決實際控制問題的能力。本課程的學(xué)習(xí)將使學(xué)生加深對控制理論的理解,明晰智能技術(shù)在控制中的應(yīng)用技巧,也為本科生繼續(xù)深造打下基礎(chǔ)。本課程擬定64學(xué)時,其中授課54學(xué)時,實驗10學(xué)時。
教材內(nèi)容包括智能控制概論,介紹智能控制的發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域,簡介幾種重要的智能控制方法;專家控制,簡介專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),講授專家PID控制器的原理與設(shè)計方法;模糊控制,講授模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識、傳統(tǒng)的模糊控制原理和控制器設(shè)計與實現(xiàn)方法、模糊PID控制的兩種形式,特別是PID控制參數(shù)的模糊整定技術(shù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,講授前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中幾種典型的網(wǎng)絡(luò)模型以及學(xué)習(xí)算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性系統(tǒng)辨識技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模控制等;進(jìn)化計算與控制,講授進(jìn)化計算的概念、遺傳算法的原理及其與其他智能方法的結(jié)合,介紹遺傳機(jī)器人學(xué);群體智能與控制,講授蟻群算法的基本原理及其在控制問題中的應(yīng)用,介紹群體機(jī)器人學(xué)。
3.3單片機(jī)原理與應(yīng)用
本課程是“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的一門專業(yè)課程,目的是使學(xué)生了解單片機(jī)的組成原理及常用控制算法的實現(xiàn);掌握51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)和一般匯編程序設(shè)計編寫方法;熟悉常用的單片機(jī)硬件擴(kuò)展技術(shù);在此基礎(chǔ)上,熟練掌握控制算法的單片機(jī)程序編寫與調(diào)試。本課程擬定54學(xué)時,其中授課38學(xué)時,實驗16學(xué)時。
教材內(nèi)容包括單片機(jī)系統(tǒng)概述,介紹單片機(jī)定義、單片機(jī)發(fā)展過程及單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu);單片機(jī)指令系統(tǒng)及程序設(shè)計,介紹指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計;硬件資源及接口技術(shù),介紹硬件資源和接口技術(shù);單片機(jī)使用技術(shù),介紹抗干擾技術(shù)、C語言應(yīng)用程序設(shè)計;依次介紹PID控制器、狀態(tài)反饋控制器、模糊控制器、系統(tǒng)辨識、卡爾曼濾波、滑?？刂破鳌⒆顑?yōu)控制器、魯棒控制器、自適應(yīng)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的歷史沿革、基本原理、常用形式和單片機(jī)具體實現(xiàn)方法。
3.4嵌入式系統(tǒng)
本課程以當(dāng)前主流的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)為背景,以嵌入式系統(tǒng)原理為基礎(chǔ),以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)體系為骨架,以嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)為目標(biāo),較為全面地介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念、軟硬件的基本體系結(jié)構(gòu)、軟硬件開發(fā)方法、相關(guān)開發(fā)工具、應(yīng)用領(lǐng)域、熱門領(lǐng)域的開發(fā)實例以及當(dāng)前的一些前沿動態(tài),為學(xué)生展示較為完整的嵌入式控制系統(tǒng)領(lǐng)域概況。本課程擬定64學(xué)時,其中授課48學(xué)時,實驗16學(xué)時。
教材依據(jù)嵌入式控制系統(tǒng)的特征,將控制算法、嵌入式系統(tǒng)硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序設(shè)計及組態(tài)軟件作為統(tǒng)一的技術(shù)平臺介紹,突出嵌入式技術(shù)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的特點,重點介紹嵌入式控制系統(tǒng)軟硬件、電路、操作系統(tǒng)、實時性、可靠性等特性,從軟件體系結(jié)構(gòu)及開發(fā)的角度出發(fā),強(qiáng)調(diào)實時調(diào)度、Bootloader、BSP、嵌入式實時多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計、交叉開發(fā)與仿真開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù),并特別引入了工業(yè)控制中需要的電磁兼容性設(shè)計和大量的典型嵌入式控制系統(tǒng)實例設(shè)計。通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生不但可以學(xué)會使用工具開發(fā)嵌入式軟硬件,而且可以從總體角度選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法,全面規(guī)劃和設(shè)計嵌入式系統(tǒng)。
3.5智能工程
本課程是“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的一門核心專業(yè)課程。面向智能技術(shù)的實際應(yīng)用,著眼于解決工程應(yīng)用中的技術(shù)問題,從典型系統(tǒng)設(shè)計案例分析出發(fā),通過大量實驗提高學(xué)生的工程實踐能力。本課程擬定36學(xué)時,全部為授課學(xué)時。
教材內(nèi)容包括智能工程概論,介紹智能工程現(xiàn)狀、工程設(shè)計原則和工程實際流程;常用傳感器原理,介紹傳感器一般特性、光電式傳感器和視覺傳感器;典型智能系統(tǒng)設(shè)計案例,包括智能移動機(jī)器人、智能電梯群控電梯等系統(tǒng)。
3.6智能機(jī)器人
課程通過對一個具有代表性的仿人機(jī)器人的拆解,將知識點拆解成6個主要教學(xué)模塊:1)機(jī)器人控制模塊,介紹各類控制模塊的原理與組成;2)機(jī)器人運動系統(tǒng),介紹電機(jī)與舵機(jī)的原理與控制方法;3)機(jī)器人動作系統(tǒng),介紹機(jī)器人各部件的協(xié)調(diào)控制;4)機(jī)器人視覺系統(tǒng),介紹典型的超聲波、影像傳感器的原理與識別算法;5)機(jī)器人表現(xiàn)系統(tǒng)原理,介紹人與機(jī)器人的交互原理;6)機(jī)器人通信系統(tǒng)原理,介紹機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)與信息傳遞方法。學(xué)生學(xué)習(xí)時,能夠與基礎(chǔ)知識相聯(lián)系,并能掌握機(jī)器人這門技術(shù),為從事機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)工作打下堅實的基礎(chǔ)。本課程擬定54學(xué)時,其中授課44學(xué)時,實驗10學(xué)時。
教材面向“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè),同時兼顧信息類專業(yè)學(xué)生編寫,根據(jù)這類專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和特點組織內(nèi)容。從具體的機(jī)器人控制需求出發(fā),將自動控制的基本理論和機(jī)器人控制特點相結(jié)合,講授機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成、規(guī)律、特點和設(shè)計方法。理論上反映當(dāng)前的最新進(jìn)展,內(nèi)容上考慮初學(xué)者的需求,側(cè)重普及性、實用性和新穎性,結(jié)構(gòu)體系符合信息類和控制類專業(yè)學(xué)生的特點,力求簡潔、清楚,對技術(shù)的敘述遵循目標(biāo)、問題、理論依據(jù)、實現(xiàn)方法、實際情況、發(fā)展方向的方式。做到重點突出,符合實際,滿足需要,指導(dǎo)性強(qiáng)。
3.7智能控制系統(tǒng)
本課程是“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的一門專業(yè)課程,使學(xué)生了解智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識;掌握智能控制系統(tǒng)中最新的智能傳感技術(shù)、智能控制器、智能執(zhí)行能執(zhí)行器及智能網(wǎng)絡(luò)與接口技術(shù);掌握智能控制系統(tǒng)中多個關(guān)鍵硬件裝置的識別及其使用。通過學(xué)習(xí)多個智能控制系統(tǒng)的開發(fā)實例,學(xué)生應(yīng)掌握智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法與技術(shù),堅實地掌握最新智能控制系統(tǒng)知識,提高理論聯(lián)系實際的能力,并為學(xué)習(xí)其他課程的打下堅實基礎(chǔ)。本課程擬定64學(xué)時,其中授課48學(xué)時,實驗16學(xué)時。
教材內(nèi)容包括概述,介紹智能控制系統(tǒng)的基本概念、基本內(nèi)容和機(jī)構(gòu)及其發(fā)展趨勢;智能傳感系統(tǒng),講授智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)、傳感器智能化的數(shù)據(jù)處理方法、多傳感器信息融合的方法、智能傳感器實現(xiàn)方法與典型實例;智能控制器設(shè)計,講授基于單片機(jī)的智能控制器設(shè)計及其應(yīng)用、基于高性能嵌入式ARM的智能控制器設(shè)計及其應(yīng)用、基于PLC的智能控制器設(shè)計及其應(yīng)用;智能電動執(zhí)行器,講授智能電動執(zhí)行器的硬件實現(xiàn)技術(shù),軟件設(shè)計技術(shù)以及典型的智能電動執(zhí)行器實例及其應(yīng)用;智能網(wǎng)絡(luò)與接口技術(shù),講授無線傳感器智能網(wǎng)絡(luò),工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)以及智能傳感器、智能控制器和智能執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)技術(shù);智能控制系統(tǒng)設(shè)計實例,綜合利用前面的知識設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化智能壓力傳感器的系統(tǒng)設(shè)計、基于聲音定位的智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計、基于微機(jī)電慣性傳感器的汽車多路況智能防撞系統(tǒng)的設(shè)計、大型設(shè)備的PLC智能控制系統(tǒng)設(shè)計。
4結(jié)語
通過南開大學(xué)、北京科技大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)3所高校的研討,我們凝練出較完整的“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)課程體系,體現(xiàn)出本專業(yè)的特色;提出可供3所高校共同使用的教學(xué)大綱和教材內(nèi)容,體現(xiàn)出學(xué)生培養(yǎng)的工程實踐導(dǎo)向。這些研究成果可以為開辦“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的兄弟院校進(jìn)一步研討提供藍(lán)本,也可以為籌建該專業(yè)的高校所參考。
注:本文受到北京科技大學(xué)教學(xué)研究會第六批教學(xué)研究課題、北京科技大學(xué)教育教學(xué)研究基金青年教師教育教學(xué)研究立項項目、河北工業(yè)大學(xué)教改項目(2010-12)支持。
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A Study on the Course System and Textbook Construction for the Discipline of
Intelligence Science and Technology
YANG Peng1, ZHANG Jian-xun2, LIU Ji-wei3, ZHANG Lei1
(1. Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2.Nankai University, Tianjin 300071, China;
3. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
（大連東軟信息學(xué)院電子工程系，遼寧大連116023）
摘要：從智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，探討構(gòu)建不斷線的浸入式雙語課程教學(xué)體系，闡述雙語課程在課程設(shè)計、授課方法和手段、課程資源建設(shè)、師資隊伍培養(yǎng)、課程評估評價等方面的思考和實踐。
關(guān)鍵詞 ：雙語教學(xué)；智能科學(xué)技術(shù)；浸入式；C語言
基金項目：2014年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目“浸入式的C語言程序設(shè)計課程雙語教學(xué)模式探索與實踐”( UPRP20140592)。
第一作者簡介：申華，男，教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，shenhua@neusoft．edu．cn。
0 引 言
智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是面向前沿高新技術(shù)的基礎(chǔ)性本科專業(yè)，是國際上公認(rèn)的最具發(fā)展前景的專業(yè)之一，在激烈競爭的國際環(huán)境下，先掌握智能科學(xué)技術(shù)，就有可能掌握制勝的主導(dǎo)權(quán)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，智能科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用層出不窮，與國際先進(jìn)的智能科學(xué)技術(shù)發(fā)展接軌，對于推進(jìn)我國智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)的發(fā)展以及培養(yǎng)高層次智能科學(xué)技術(shù)人才尤為重要。
在教育國際化、科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展全球化的趨勢下，我國對精通專業(yè)知識和外語的復(fù)合型人才需求不斷增加。教育部2001年頒布的《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》指出——按照“教育面向現(xiàn)代化、面向世界、面向未來”的要求，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化和科技革命的挑戰(zhàn)，本科教育要創(chuàng)造條件使用英語等外語進(jìn)行公共課和專業(yè)課教學(xué)——這就明確提出了高等院校雙語教學(xué)的要求。《2010-2020國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》再次提出要擴(kuò)大教育開放，提高國際交流合作水平，擴(kuò)大政府間學(xué)歷學(xué)位互認(rèn)，支持中外大學(xué)間的教師互派、學(xué)生互換、學(xué)分互認(rèn)和學(xué)位互授。雙語教學(xué)已成為我國教育改革與國際接軌以及現(xiàn)代化高等教育未來發(fā)展的重要組成部分。
開展雙語教學(xué)，是培養(yǎng)具有國際合作意識、國際交流與競爭能力的高素質(zhì)外向型專業(yè)人才的重要手段。一般雙語教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)包括：閱讀最新的外文技術(shù)資料和資訊，對外文文獻(xiàn)的理解以及面對面與外國同行直接進(jìn)行信息交流等。概而言之，就是培養(yǎng)學(xué)生的外語應(yīng)用能力，保持與國外先進(jìn)知識與技術(shù)的同步。
1 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的雙語課程體系規(guī)劃
智能信息產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)和知識更新快、新產(chǎn)品層出不窮的特點，學(xué)生畢業(yè)后從事產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和科研都不可避免地要接觸國外先進(jìn)技術(shù)，查閱外文技術(shù)資料等，若讀研深造，更要經(jīng)常查閱大量英文資料和科技論文，參加國際學(xué)術(shù)會議進(jìn)行技術(shù)交流等，而目前工科學(xué)生普遍欠缺應(yīng)用英語進(jìn)行專業(yè)知識交流的能力。為培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用英語學(xué)習(xí)和迅速了解國外先進(jìn)智能技術(shù)、進(jìn)行技術(shù)交流的能力，造就國際化智能工程技術(shù)人才，在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實施雙語課程教學(xué)是十分必要的。
目前國內(nèi)高校的專業(yè)英語教學(xué)可歸納為以下兩種情況：
(1)理工類專業(yè)中，專業(yè)英語是歷史悠久、開設(shè)較為廣泛的一門課程，一般由英語教師教授。該類課程的主要問題是英語教師不具備相關(guān)理工專業(yè)的知識，所選用的科技類通俗內(nèi)容與學(xué)生所學(xué)專業(yè)相距甚遠(yuǎn)，普遍處于教師不愿教、學(xué)生無意學(xué)的尷尬局面。
(2)近年來，各高校普遍嘗試開設(shè)針對部分學(xué)生（如“快班”學(xué)生）的專業(yè)課程雙語教學(xué)，由理工科專業(yè)教師講授。這些雙語課程絕大多數(shù)是將某門專業(yè)課改為雙語教學(xué)，很少有高校從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)人手，系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)建雙語課程體系。
正如語言的學(xué)習(xí)需要一個緩慢、長期、漸進(jìn)的過程一樣，外語應(yīng)用能力的培養(yǎng)也需要通過一系列雙語課程的學(xué)習(xí)逐步開展和提升。從智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，構(gòu)建大學(xué)期間雙語課程不斷線、面向全體學(xué)生的雙語教學(xué)體系，通過有針對性的雙語課程立體化培養(yǎng)，使學(xué)生既達(dá)成專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，又符合國際化復(fù)合型人才的需求。
基于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程體系，考慮英文在課程中的應(yīng)用比例，兼顧雙語課程實施的難度，可設(shè)計軟件開發(fā)和硬件開發(fā)兩條專業(yè)課程主線（如圖1所示），實現(xiàn)學(xué)生雙語能力的系統(tǒng)化培養(yǎng)。
根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，雙語課程的軟件主線主要選擇程序設(shè)計類課程，這是因為程序本身必須符合英文語法規(guī)則，再加上程序編譯器、編譯信息提示和幫助文檔皆為英文，非常適合以英文為工作環(huán)境；硬件主線選擇以電路圖、芯片手冊等作為主要技術(shù)資料的核心課程，這些知識內(nèi)容以直觀的圖表作為載體，雙語教學(xué)中語言障礙帶來的影響可以被降至最低。
2 雙語教學(xué)師資隊伍的建設(shè)與培養(yǎng)
教師是雙語教學(xué)最直接的實施者，教師的語言水平和教學(xué)能力直接關(guān)系到雙語教學(xué)的成敗。從實際教學(xué)活動上看，雙語課程的授課教師要有豐富的教學(xué)經(jīng)驗、扎實的學(xué)科知識以及深厚的學(xué)術(shù)造詣和研究能力，能充分理解運用原版教材，把握學(xué)科前沿；同時還要求具備較高的外語水平，能在課堂上熟練地在雙語之間進(jìn)行切換，準(zhǔn)確地表達(dá)專業(yè)知識。也就是說，承擔(dān)雙語授課的教師不僅專業(yè)精深、英語好，還要能用英語表述專業(yè)知識、解析專業(yè)詞匯，并具備良好的教育教學(xué)管理能力。
目前，我國高校還沒有學(xué)科專業(yè)或機(jī)構(gòu)專門針對雙語師資進(jìn)行培養(yǎng)，而雙語教師的匱乏已成為制約雙語教學(xué)發(fā)展的瓶頸。為更好鼓勵雙語教學(xué)，培養(yǎng)雙語師資隊伍，大連東軟信息學(xué)院2012年就制定頒布了《雙語教學(xué)管理辦法》，從教師的口語培訓(xùn)、雙語課程級別的認(rèn)定、雙語課程的建設(shè)、雙語課程的獎勵和雙語課程的效果評估等多個方面，對雙語課程的教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和管理。
師資培訓(xùn)采取脫崗培訓(xùn)、在崗培養(yǎng)等方式，選拔英語基礎(chǔ)較好、教學(xué)經(jīng)驗豐富、教學(xué)效果好的教師有計劃地開展外語培訓(xùn)，提高教師的英文水平并學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的教學(xué)理念。同時，引進(jìn)高水平的雙語教學(xué)人才，優(yōu)化師資隊伍的學(xué)歷結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)和知識結(jié)構(gòu)，形成雙語教師梯隊。還應(yīng)鼓勵教師間互相聽課，定期開展研討，在課程負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)下采用導(dǎo)師制幫助新教師進(jìn)步與成長。
雙語課程實施根據(jù)難易程度，劃分為A、B、C三個級別，均采用外文原版教材及外文課件。A級課程課堂教學(xué)中全部使用外語，課程考核全部使用外文并要求學(xué)生用外文作答；B級課程課堂教學(xué)中使用外語授課達(dá)到50%以上，至少50%的課程考核使用外文并要求學(xué)生用外文作答；C級課程課堂教學(xué)中使用外語授課達(dá)到30%以上，至少30%的課程考核使用外文并要求學(xué)生用外文作答。根據(jù)教師雙語授課能力、課程難易程度以及授課對象的接受程度，各個專業(yè)選擇申請開設(shè)相應(yīng)級別的雙語教學(xué)課程，學(xué)校設(shè)有專門的雙語課程評估委員會對申請進(jìn)行評估，并安排試講。
3 雙語課程的教學(xué)設(shè)計
雙語教學(xué)的實施存在兩個難點，一個是課程知識目標(biāo)的達(dá)成，另一個是引入雙語教學(xué)后對學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)帶來的影響，克服語言障礙實現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成是實施雙語教學(xué)的最大挑戰(zhàn)。針對不同類型的雙語課程，須精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容的講授既符合專業(yè)知識的特點，又能有效減輕語言障礙帶來的困擾。
程序設(shè)計類課程因其自身特點使得雙語教學(xué)這種新的教學(xué)形式實施起來更加有效。很多程序設(shè)計語言（如C語言、C++語言、Java語言等），其語言表述、語法結(jié)構(gòu)和算法邏輯與英語思維較接近，而且程序的開發(fā)環(huán)境也是以英文版本居多，即使是漢化的中文版界面，程序在設(shè)計調(diào)試過程中的編譯信息和錯誤提示信息也都是用英文表達(dá)。在學(xué)習(xí)這些語言時，不需要進(jìn)行漢語的翻譯，只需對其英文本意進(jìn)行直譯，這是該類課程適合雙語教學(xué)的最主要原因和最大優(yōu)勢。另外，程序類課程中采用雙語教學(xué)，學(xué)生在對專業(yè)知識的相關(guān)術(shù)語和英文表述有了一定的了解和掌握后，當(dāng)程序設(shè)計和調(diào)試過程中遇到問題時，可以較好地理解提示信息，大大提高程序調(diào)試效率。因此，雙語教學(xué)對程序設(shè)計類課程的學(xué)習(xí)有明顯的幫助和促進(jìn)作用。
以第一門雙語課程C語言程序設(shè)計為例，根據(jù)該課程培養(yǎng)目標(biāo)的定位，學(xué)生需要掌握基本的C語言語法，并應(yīng)用C語言進(jìn)行編程實踐，解決實際問題?；谠撃繕?biāo)，須對課程理論知識和實踐內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，綜合C語言程序設(shè)計的知識點，將C程序作為C語法的載體，以編程實踐貫穿整個教學(xué)過程；同時，基于課程內(nèi)容的不同模塊，可安排與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密、由簡入繁的程序設(shè)計項目，設(shè)計出符合學(xué)生理解能力和認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)內(nèi)容；此外，兼顧知識銜接和教學(xué)學(xué)時等方面的要素，合理安排章節(jié)內(nèi)容，將理論授課和編程實踐有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生理解、掌握基本理論知識并進(jìn)行編程實踐。
4 雙語課程教學(xué)方法與手段
雙語教學(xué)對于學(xué)生來說最大難度在于外語環(huán)境的適應(yīng)，包括聽、說、讀、寫等多個方面。經(jīng)過幾年的探索，筆者在雙語課程中采用浸入式( Immersion)教學(xué)模式，取得了較好的效果。浸入式教學(xué)模式最早起源于加拿大的一種外語教學(xué)模式，教師在課堂上不但用第二語言教授第二語言，而且用第二語言講授部分學(xué)科課程。也就是說，第二語言不僅是學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而且是學(xué)習(xí)的工具。浸入式教學(xué)使傳統(tǒng)的、孤立的外語教學(xué)向外語與學(xué)科知識教學(xué)相結(jié)合的方向轉(zhuǎn)變。
專業(yè)課程的雙語教學(xué)就是要使用外語作為工具來開展專業(yè)學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，因此，采用浸入式的教學(xué)模式極為適合。當(dāng)然，鑒于學(xué)生的外語接受能力以及教師用外語描述專業(yè)知識的難度，初步可以采用中英文混合式教學(xué)。首先，教師使用常用英語組織課堂、管理課堂；其次，課程中涉及到的各種教學(xué)儀器、圖表、
關(guān)鍵詞 匯等用英語來表達(dá)；再次，課程所涉及的專業(yè)術(shù)語用英語介紹給學(xué)生。而其他的重點知識內(nèi)容，可以中文表述為主，英文表述為輔。隨著雙語教學(xué)進(jìn)程的推進(jìn)，學(xué)生慢慢適應(yīng)雙語教學(xué)課堂氛圍后，教師可以逐漸加大使用英語講解學(xué)科知識內(nèi)容的比例，最終達(dá)到完全使用英語進(jìn)行專業(yè)知識教學(xué)。
以C語言程序設(shè)計課程為例，遵循浸入式雙語教學(xué)的基本思路，課程內(nèi)容回顧、課程內(nèi)容小結(jié)、一些圖文并茂的應(yīng)用性內(nèi)容的講解、課堂提問等環(huán)節(jié)均采用全英文授課方式，但一些理論性較強(qiáng)、較難理解的內(nèi)容，則應(yīng)視學(xué)生的掌握情況減少英語講解的比例。同時，作業(yè)、習(xí)題、實驗、試題和開發(fā)環(huán)境( Turbo C)也全部采用英文。這樣，學(xué)生在課內(nèi)和課外的所有學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中主動或被動地浸入到純英文的學(xué)習(xí)環(huán)境中，從不適應(yīng)到適應(yīng)，從不習(xí)慣到習(xí)慣，學(xué)生也逐漸適應(yīng)雙語學(xué)習(xí)的形式，甚至覺得英文對專業(yè)知識的表述更加簡單、直接，易于理解。
從具體的教學(xué)手段上，理論知識可以借助多媒體和計算機(jī)技術(shù)開展教學(xué)，比如使用多媒體和動畫等手段使知識內(nèi)容形象化展現(xiàn)，提高課堂教學(xué)效率。同時采用Turbo C編譯器對程序進(jìn)行在線編譯、調(diào)試，將程序運行過程實時展示給學(xué)生，既有助于學(xué)生理解程序語法的功能，又能直觀動態(tài)地反映程序的執(zhí)行過程。在實驗和實踐環(huán)節(jié)，運用案例教學(xué)和程序設(shè)計項目教學(xué)，以提高程序設(shè)計能力為重點，精講多練，引導(dǎo)學(xué)生運用C語言編程解決實際問題。
5 雙語課程教學(xué)資源開發(fā)
雙語教學(xué)的基本原則是盡量使用原版外文教材和參考資料。原版外文教材的內(nèi)容體現(xiàn)了理論的前瞻性，有利于學(xué)生了解專業(yè)前沿理論知識和最新發(fā)展動態(tài)。另外，選擇原版外文教材給學(xué)生營造了一個全面接觸專業(yè)外語的環(huán)境，包括準(zhǔn)確使用專業(yè)詞匯、準(zhǔn)確表達(dá)專業(yè)內(nèi)容。只有使用原版外文教材，才能真正使雙語教學(xué)從形式和內(nèi)容上與世界主流技術(shù)和專業(yè)思想保持一致。
當(dāng)然，由于國外教材是根據(jù)西方的文化習(xí)慣和思維方式編寫的，直接閱讀可能會對大部分學(xué)生造成很大學(xué)習(xí)壓力，甚至?xí)蛊涿允в诿ＣＳ⒄Z海洋中，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)專業(yè)課程的積極性。為此，在使用英文原版教材的基礎(chǔ)上，最好由授課教師開發(fā)基于原版外文教材的純英文電子課件，作為原版教材的簡化版本學(xué)習(xí)資料，這樣學(xué)生以電子課件為綱，再閱讀原版教材就會很容易把握知識的難重點。此外，還可根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計純英文的實驗項目和習(xí)題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不得不“浸入”到英文環(huán)境中去，隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，語言障礙就會越來越小，部分學(xué)生甚至在學(xué)習(xí)過程中會逐漸形成英語思維習(xí)慣。
以大連東軟信息學(xué)院電子工程系開設(shè)的C語言程序設(shè)計雙語課程為例，課程選擇Michael Vine的《C Programming for the Absolute Beginner》作為教材，該教材以程序講述語法，同時精選大量程序范例，在保持知識系統(tǒng)性的同時增加趣味性，尤其適合初次學(xué)習(xí)C語言的讀者使用。課程組基于該教材開發(fā)了全套英文課件，編寫了涵蓋各個章節(jié)的全英文實驗指導(dǎo)書，開發(fā)了基于萬維考試系統(tǒng)的C語言全英文試題庫，還基于網(wǎng)絡(luò)給學(xué)生提供大量豐富的外文參考資料以及與課程有關(guān)的電子文檔和視頻資料，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。
6 雙語課程的教學(xué)效果評估與反饋
雙語課程作為一種新的教學(xué)類型，在實施過程中須采取全流程的監(jiān)控措施對教學(xué)效果進(jìn)行評估，以保證雙語課程教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提高與改善。教學(xué)質(zhì)量管理與保障部專門成立雙語教學(xué)督導(dǎo)教師隊伍，針對雙語課程，系統(tǒng)地收集和分析資料，進(jìn)行課程效果評估，分析判斷雙語課程教學(xué)質(zhì)量的高低、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法的有效程度，并給出相應(yīng)的反饋用于指導(dǎo)今后的教學(xué)活動。具體可從以下兩個方面全程監(jiān)控雙語教學(xué)質(zhì)量：
1)雙語教學(xué)過程監(jiān)控。
通過每學(xué)期3次網(wǎng)上調(diào)查問卷，了解學(xué)生對雙語教學(xué)的滿意程度，收集大量關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)的反饋信息。督導(dǎo)教師進(jìn)課堂聽課，通過文字記錄、課堂錄音等形式，對課堂情況（包括外語發(fā)音、表達(dá)、語速、課堂感染力、學(xué)生專注程度等）進(jìn)行記錄和評估．并通過教學(xué)質(zhì)量管理平臺將相關(guān)信息及時反饋給授課教師和開課系部，以便掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，及時調(diào)整和優(yōu)化雙語教學(xué)活動。
2)雙語教學(xué)效果評估。
跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，了解雙語授課對學(xué)生專業(yè)能力的提高程度。從短期目標(biāo)來看，要關(guān)注學(xué)生經(jīng)過雙語課程學(xué)習(xí)后掌握的技能及其掌握程度，可通過課程考核來分析；從長期目標(biāo)來看，應(yīng)關(guān)注畢業(yè)生在工作中的外語應(yīng)用能力、國際化工作環(huán)境的適應(yīng)能力以及運用外語解決問題的能力等是否得到提升。
7 結(jié)語
雙語教學(xué)要遵循“循序漸進(jìn)、因材施教”的原則，根據(jù)學(xué)生的外語認(rèn)知水平，選擇適合的教學(xué)方法和手段，逐步開展和提升；要注重實效，不能以犧牲學(xué)生專業(yè)能力為代價，單純追求雙語課程的開設(shè)率；還須深入研究雙語課程的特點，從師資隊伍建設(shè)、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)方法與手段、教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)效果評價與反饋等多個維度探索適宜的雙語教學(xué)模式，順利推進(jìn)雙語教學(xué)，保證學(xué)生既獲得先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和前瞻性的專業(yè)知識，又系統(tǒng)培養(yǎng)專業(yè)外語應(yīng)用能力和獲取新知識、新資源的能力，以培養(yǎng)全面發(fā)展的復(fù)合型、國際化人才，為全球化經(jīng)濟(jì)改革建設(shè)服務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；智能；計算；應(yīng)用研究
中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)20-30326-02
Application of Neural Network Forefront
LI Bing-fu1,2
(1.Zhanjiang Normal College, Zhanjiang 524048, China; 2.Chongqing University, Master of the Computer College, Chongqing 400030, China)
Abstract: The rise of neural networks, has been on the cognitive and intellectual nature of the computer industry and basic research has produced an unprecedented excitement and great role. Therefore, in all fields has greatly applied research.
Key words: Neural Networks; Intelligent; Computing; Applied Research
1 引言
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一門模仿人類神經(jīng)中樞――大腦構(gòu)造與功能的智能科學(xué)，利用物理器件來模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能，即由許多功能簡單的神經(jīng)元互聯(lián)起來，形成一種能夠模擬人的學(xué)習(xí)、決策和識別等功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。他具有快速反映能力，便于對事物進(jìn)行適時控制與處理；善于在復(fù)雜的環(huán)境下，充分逼近任意非線形系統(tǒng)，快速獲得滿足多種約束條件問題的最優(yōu)化答案；具有高度的魯棒性和容錯能力等優(yōu)越性能。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的崛起，已對認(rèn)知和智力的本質(zhì)的基礎(chǔ)研究乃至計算機(jī)產(chǎn)業(yè)都產(chǎn)生了空前的刺激和極大的推動作用。因此在各個領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用研究。
2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的研究內(nèi)容
1) 理論研究：ANN模型及其學(xué)習(xí)算法，試圖從數(shù)學(xué)上描述ANN的動力學(xué)過程，建立相應(yīng)的ANN模型，在該模型的基礎(chǔ)上，對于給定的學(xué)習(xí)樣本，找出一種能以較快的速度和較高的精度調(diào)整神經(jīng)元間互連權(quán)值，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，滿足學(xué)習(xí)要求的算法；2) 實現(xiàn)技術(shù)的研究：探討利用電子、光學(xué)、生物等技術(shù)實現(xiàn)神經(jīng)計算機(jī)的途徑；3) 應(yīng)用的研究：探討如何應(yīng)用ANN解決實際問題，如模式識別、故障檢測、智能機(jī)器人等。
3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究
3.1 智能機(jī)器領(lǐng)域的應(yīng)用研究
智能機(jī)器領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要是進(jìn)一步研究調(diào)節(jié)多層感知器的算法，使建立的模型和學(xué)習(xí)算法成為適應(yīng)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有力工具，構(gòu)建多層感知器與自組織特征圖級聯(lián)想的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，是增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)解決實際問題能力的一個有效途徑。重視聯(lián)結(jié)的可編程性問題和通用性問題的研究，從而促進(jìn)智能科學(xué)的發(fā)展。通過不斷探索人類智能的本質(zhì)以及聯(lián)結(jié)機(jī)制，并用人工系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)或部分復(fù)現(xiàn)，制造各種智能機(jī)器，可使人類有更多的時間和機(jī)會從事更為復(fù)雜、更富創(chuàng)造性的工作。
智能的產(chǎn)生和變化經(jīng)過了漫長的進(jìn)化過程，我們對智能處理的新方法的靈感主要來自神經(jīng)科學(xué)，例如學(xué)習(xí)、記憶實質(zhì)上是突觸的功能，人類大腦的前額葉高度發(fā)育，它幾乎占了30%大腦的表面積，在其附近形成了人類才出現(xiàn)的語言運動區(qū)，它與智能發(fā)育密切相關(guān)，使神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育同環(huán)境的關(guān)系更加密切，腦的可塑性很大，能主動適應(yīng)環(huán)境還能主動改造環(huán)境，人類向制造智能工具方向邁進(jìn)正是這種主動性的反映。腦的可塑期越長，經(jīng)驗對腦的影響就越大，而人類的認(rèn)知過程很大程度上不僅受經(jīng)驗主義的影響，而且還接受理性主義的模型和解釋。因此，對于智能和機(jī)器的關(guān)系，應(yīng)該從進(jìn)化的角度，把智能活動看成動態(tài)發(fā)展的過程，并合理的發(fā)揮經(jīng)驗的作用。同時還應(yīng)該從環(huán)境與社會約束以及歷史文化約束的角度加深對它的理解與分析。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量處理單元組成的非線性、自適應(yīng)、自組織系統(tǒng)，它是在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上提出的，試圖模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加工、記憶信息的方式，設(shè)計一種新的機(jī)器，使之具有人腦風(fēng)格的信息處理能力。智能理論所面對的課題來自“環(huán)境－問題－目的”，有極大的誘惑力與壓力，它的發(fā)展方向就將是，把基于聯(lián)結(jié)主義的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、基于符號主義的人工智能專家系統(tǒng)理論和基于進(jìn)化論的人工生命這三大研究領(lǐng)域，在共同追求的總目標(biāo)下，自發(fā)而有機(jī)的結(jié)合起來。在21世紀(jì)初，智能的機(jī)器實現(xiàn)問題的研究將有新的進(jìn)展和突破。
3.2 神經(jīng)計算和進(jìn)化計算的應(yīng)用研究
計算和算法是人類自古以來十分重視的研究領(lǐng)域，本世紀(jì)30年代，符號邏輯方面的研究非?；钴S。例如Church、Kleene、Godel、Post、Turing等數(shù)學(xué)家都給出了可計算性算法的精確數(shù)學(xué)定義，對后來的計算和算法的發(fā)展影響很大。50年代數(shù)學(xué)家Markov發(fā)展了Post系統(tǒng)。80年代以后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在計算理論方面取得了引人注目的成果，形成了神經(jīng)計算和進(jìn)化計算新概念，激起了許多理論家的強(qiáng)烈興趣，大規(guī)模平行計算是對基于Turing機(jī)的離散符號理論的根本性的沖擊，但90年代人們更多的是批評的接受它，并將兩者結(jié)合起來，近年來，神經(jīng)計算和進(jìn)化計算領(lǐng)域很活躍，有新的發(fā)展動向，在從系統(tǒng)層次向細(xì)胞層次轉(zhuǎn)化里，正在建立數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。隨著人們不斷探索新的計算和算法，將推動計算理論向計算智能化方向發(fā)展，在21世紀(jì)人類將全面進(jìn)入信息社會，對信息的獲取、處理和傳輸問題；對網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化問題；對數(shù)據(jù)安全和保密問題等等將有新的要求，這些將成為社會運行的首要任務(wù)，因此，神經(jīng)計算和進(jìn)化計算與高速信息網(wǎng)絡(luò)理論聯(lián)系將更加密切，并在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用，建立具有計算復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)容錯性和堅韌性的計算理論。
基于人類的思維方式的轉(zhuǎn)變：線性思維轉(zhuǎn)到非線性思維。神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都具有非線性、非局域性、非定常性、非凸性和混沌等特性，故此在計算智能的層次上進(jìn)行非線性動力系統(tǒng)、 混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)理研究。從而進(jìn)一步研究自適應(yīng)性子波、非線性神經(jīng)場的興奮模式、神經(jīng)集團(tuán)的宏觀力學(xué)等。因為，非線性問題的研究是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論發(fā)展的一個最大動力，也是它面臨的最大挑戰(zhàn)。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與各種控制方法有機(jī)結(jié)合具有很大發(fā)展前景，建模算法和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等研究仍為熱點問題，而容忍控制、可塑性研究可能成為新的熱點問題。開展進(jìn)化并行算法的穩(wěn)定性分析及誤差估計方面的研究將會促進(jìn)進(jìn)化計算的發(fā)展。把學(xué)習(xí)性并行算法與計算復(fù)雜性聯(lián)系起來，分析這些網(wǎng)絡(luò)模型的計算復(fù)雜性以及正確性，從而確定計算是否經(jīng)濟(jì)合理。因而關(guān)注神經(jīng)信息處理和腦能量兩個方面以及它們的綜合分析研究的最新動態(tài)，吸收當(dāng)代腦構(gòu)象等各種新技術(shù)和新方法是十分重要的。
離散符號計算、神經(jīng)計算和進(jìn)化計算相互促進(jìn)或者最終導(dǎo)致這3種計算統(tǒng)一起來，這算得上是我們回避不了的一個重大難題。預(yù)計在21世紀(jì)初，關(guān)于這個領(lǐng)域的研究會產(chǎn)生新的概念和方法。尤其是視覺計算方面會得到充分地發(fā)展。我們應(yīng)當(dāng)抓住這個機(jī)會，力求取得重大意義的理論和應(yīng)用成果。
3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和神經(jīng)元芯片的應(yīng)用研究
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)以及成功地實現(xiàn)應(yīng)用的前提，又是優(yōu)越的物理前提。它體現(xiàn)了算法和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，是硬件和軟件的混合體，這種硬軟混合結(jié)構(gòu)模型可以為意識的作用和基本機(jī)制提供解釋。未來的研究主要是針對信息處理功能體，將系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電路、 器件和材料等方面的知識有機(jī)結(jié)合起來，建構(gòu)有關(guān)的新概念和新技術(shù)，如結(jié)晶功能體、最子效應(yīng)功能體、高分子功能體等。在硬件實現(xiàn)上，研究材料的結(jié)構(gòu)和組織，使它具有自然地進(jìn)行信息處理的能力，如神經(jīng)元系統(tǒng)、自組織系統(tǒng)等。神經(jīng)計算機(jī)的主要特征是具有并行分布式處理、學(xué)習(xí)功能，這是一種提高計算性能的有效途徑，使計算機(jī)的功能向智能化發(fā)展，與人的大腦的功能相似，并具有專家的特點，比普通人的反應(yīng)更敏捷，思考更周密。光學(xué)神經(jīng)計算機(jī)具有神經(jīng)元之間的連接不僅數(shù)量巨大而且結(jié)合強(qiáng)度可以動態(tài)控制，因為光波的傳播無交叉失真，傳播容量大，并可能實現(xiàn)超高速運算，這是一個重要的發(fā)展領(lǐng)域，其基礎(chǔ)科學(xué)涉及到激光物理學(xué)、非線性光學(xué)、光紊亂現(xiàn)象分析等，這些與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間在數(shù)學(xué)構(gòu)造上存在著類似性。近年來，人們采用交叉光互連技術(shù)，保證了它們之間沒有串?dāng)_，它有著廣闊的發(fā)展前景。在技術(shù)上主要有超高速、大規(guī)模的光連接問題和學(xué)習(xí)的收斂以及穩(wěn)定性問題，可望使之得到突破性進(jìn)展；另一種是采用LSI技術(shù)制作硅神經(jīng)芯片，以及二維VLSI技術(shù)用于處理具有局部和規(guī)則連接問題。在未來一、二十年里半導(dǎo)體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 芯片仍將是智能計算機(jī)硬件的主要載體，而大量的神經(jīng)元器件，如何實現(xiàn)互不干擾的高密度、高交叉互連，這個問題可望盡早得到解決。此外，生物器件的研究正處于探索之中，研究這種模型的理論根據(jù)是當(dāng)硅集成塊和元件間的距離如果接近0.01微米時，電子從鄰近元件逸入的概率將很有限，便產(chǎn)生“隧道效應(yīng)”的現(xiàn)象，它是高集成電路塊工作不可靠的原因之一。而生物芯片由于元件是分子大小的，其包裝密度可成數(shù)量級增加，它的信號傳播方式是孤電子，將不會有損耗，并且?guī)缀醪划a(chǎn)生熱。因此，它有更誘人的前景。隨著大量神經(jīng)計算機(jī)和神經(jīng)元芯片應(yīng)用于高科技領(lǐng)域，給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和方法賦予新的內(nèi)容，同時也會提出一些新的理論課題，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展的一個動力。
4 結(jié)束語
近年來，我國“863”計劃、攻關(guān)計劃、“攀登”計劃和國家自然科學(xué)基金等，都對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究給予了資助，吸引了大量的優(yōu)秀青年人才從事神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究工作，并促進(jìn)我國能在這個領(lǐng)域取得世界上的領(lǐng)先地位。在21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展征程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展將與日俱增。
參考文獻(xiàn)：
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人工智能作為一門課程［1］，開設(shè)時間距今只有40多年，但發(fā)展極為迅猛。人工智能課程的內(nèi)容涉及計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、控制科學(xué)、信息科學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、語言學(xué)等等，幾乎所有科學(xué)工作者都可以在人工智能中找到自己感興趣的問題。目前，國內(nèi)外已有眾多高校指定人工智能為計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的主修專業(yè)基礎(chǔ)課程，它在拓展計算機(jī)和自動控制的研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面有著極其誘人的學(xué)科發(fā)展前景。自2003年起，國內(nèi)諸多高等院校陸續(xù)開設(shè)“智能科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)，同時也有更多高校在傳統(tǒng)信息類專業(yè)中加大了人工智能課程的課時比重，因此如何提高人工智能課程的教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要。?
本文結(jié)合人工智能課程的特點以及自己教學(xué)與研究的實踐，對本課程的教學(xué)進(jìn)行一些探討，以期改進(jìn)人工智能課程教學(xué)方法，達(dá)到提高本課程教學(xué)質(zhì)量的目的。??
一、兼顧課程內(nèi)容的統(tǒng)一性和差異性??
人工智能課程的核心內(nèi)容主要集中在對基本概念、基本原理、基本方法和重要算法及其應(yīng)用的認(rèn)識和理解上，盡管各種基本概念、原理、方法和算法在一定程度上自成體系，但是它們之間又存在著許多內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。從這一點來看，人工智能課程與其他很多計算機(jī)課程是不同的，這就要求人工智能課程的授課要具有自己的特色。?
知識表示、知識推理、知識應(yīng)用是人工智能課程的三大內(nèi)容，解決任何一個人工智能問題都離不開兩個步驟，即知識表示和問題求解。由此，人工智能課程從總體結(jié)構(gòu)上就有了一個比較清晰的脈絡(luò)，即首先必然要學(xué)習(xí)各種知識表示方法，然后是利用這些知識進(jìn)行推理，進(jìn)而實現(xiàn)知識應(yīng)用，最終達(dá)到問題求解的目的。問題求解又分為基本的問題求解方法和高級問題求解方法。圖搜索策略、啟發(fā)式搜索、消解原理以及規(guī)則演繹系統(tǒng)等都屬于基本的問題求解方法。計算智能、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動規(guī)劃等屬于高級問題求解方法。?
同時，人工智能課程某些章節(jié)或者某些方法算法在一定程度上又自成體系。例如，各種不同的知識表示方法不管是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還是表示形式都完全不相同。又例如，人工智能有許多不同的學(xué)派［2］，本課程往往同時會介紹不同學(xué)派的算法，這些學(xué)派在人工智能的基礎(chǔ)理論和方法、技術(shù)路線等方面是完全不同的，甚至是對立的。?
這些都要求我們在教學(xué)過程中不僅要強(qiáng)調(diào)人工智能課程理論的統(tǒng)一性和完整性，又要兼顧各學(xué)派的特點，尊重甚至調(diào)動學(xué)生們對不同人工智能學(xué)派及其方法的興趣。在編寫和選用教材時也要注重這一點，我們選用的是蔡自興教授編寫的《人工智能及其應(yīng)用》系列教材［1,2］，該教材以邏輯主義學(xué)派為主線，兼顧引進(jìn)其他學(xué)派的精華內(nèi)容，具有較強(qiáng)的科學(xué)性。
??二、實施分層次教學(xué)??
各高校一般同時為計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生開設(shè)了人工智能課程，甚至有的非計算機(jī)類專業(yè)也開設(shè)有人工智能課程。不同層次的學(xué)生對人工智能課程要求掌握的程度不同，我們首先明確本科生和研究生以及非計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容，做到分層次設(shè)計人工智能課程教學(xué)?過程。?
本科階段的人工智能課程課時量較少，本科層次只需要做到對大部分人工智能概念和算法了解、認(rèn)識，少部分達(dá)到理解層次。本科生一般都是在高年級（三年級下期或者四年級上期）開設(shè)人工智能課程，這時已有不少學(xué)生準(zhǔn)備繼續(xù)讀研或者已經(jīng)被保研，因此在兼顧全體學(xué)生教學(xué)層次的同時，要注意給這部分學(xué)生足夠的相關(guān)參考書目，讓他們能夠利用課余時間廣泛深入了解人工智能相關(guān)算法，老師在課后還應(yīng)和他們進(jìn)行充分討論，培養(yǎng)他們對人工智能的特別興趣。?
非計算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生往往需要學(xué)習(xí)如何利用人工智能知識解決該專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的問題，因此在教學(xué)中要盡量有專業(yè)針對性地進(jìn)行教學(xué)。例如針對農(nóng)科類專業(yè)，在教學(xué)專家系統(tǒng)過程中，我們要求學(xué)生參考北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心開發(fā)的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)平臺（paid5?0）理解并開發(fā)與本專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的簡易農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。?
給研究生開設(shè)人工智能課程要求做到概念理解，基本算法精通，即要求全面、系統(tǒng)地掌握人工智能的基本概念、基本原理、典型方法和若干應(yīng)用實例，并且能靈活運用所學(xué)知識闡述解決實際問題的方法和途徑。課程教學(xué)中要致力于培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，要求研究生將人工智能方法與自己的研究方向相結(jié)合，用人工智能方法解決所研究課題中的實際問題，并撰寫相關(guān)的課程論文，以小型研討會的形式進(jìn)行報告交流。實踐證明，我們的研究生的人工智能教學(xué)效果明顯提升，成效突出。
??三、案例驅(qū)動，寓教于樂??
采用案例教學(xué)是為了充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性［3］。通過案例教學(xué)能把枯燥的人工智能理論知識具體化、形象化，可以使學(xué)生更加感性地理解課堂教學(xué)內(nèi)容。這些案例都是以教師所從事的科研項目中的實際應(yīng)用環(huán)境為背景進(jìn)行闡述的，讓學(xué)生能在實際環(huán)境中理解概念和知識，學(xué)會利用人工智能知識去分析和解決實際問題。在教學(xué)過程中要選擇學(xué)生容易接受的案例，體現(xiàn)理論聯(lián)系實際的特色，激發(fā)學(xué)生的興趣。?
例如，在講授“計算智能”內(nèi)容時，我們結(jié)合黃河三門峽和小浪底水庫水沙聯(lián)合智能調(diào)度系統(tǒng)［4］進(jìn)行講解。綜合三門峽水庫和小浪底水庫防洪運用的基本原則、歷年調(diào)度方案、專家的經(jīng)驗、歷年數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的調(diào)水調(diào)沙數(shù)學(xué)模型，分別利用模糊決策、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及綜合集成方法來實現(xiàn)三門峽、小浪底水庫水沙聯(lián)合調(diào)度。?
又例如為了讓學(xué)生走近機(jī)器人，我們進(jìn)行了一場機(jī)器人展示課，將研究所現(xiàn)有的MOROCS?1（中南一號智能移動機(jī)器人）、ASR（廣茂達(dá)）、AmigoBot（自主移動機(jī)器人）、CanDroid（罐頭機(jī)器人）、MD?375 Rover（人控漫游車）、Fokker D7（人控飛機(jī)，1:72）、Rockit OWI?769K（聲按、壓控火牛機(jī)器人）、Hexapod Monster（六足爬行機(jī)器人）、Hubo（多機(jī)能歌舞機(jī)器人）等各類機(jī)器人全部拿出來給學(xué)生做了功能演示［5］。親眼看到這么多機(jī)器人，同學(xué)們都非常興奮，對人工智能課程的興趣高漲。?
在進(jìn)行案例教學(xué)時，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題和求知欲望深入理論的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在案例中尋找問題的答案并獲取知識。在講授利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水庫調(diào)度時，引導(dǎo)學(xué)生分析如何確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入端數(shù)據(jù)，什么是泛化能力以及如何提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。?
為了鞏固所學(xué)內(nèi)容，可以讓學(xué)生組成討論小組對教師提出的論題進(jìn)行討論，分小組闡述自己的觀點，這樣有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，還有助于培養(yǎng)學(xué)生思考問題的能力和提高理論教學(xué)的效果。案例教學(xué)的關(guān)鍵在于引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)到的理論知識去解釋、分析和解決現(xiàn)實案例中的問題，以達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生理論運用和深入理解理論知識的目的。?
此外，我們挑選了機(jī)器人足球、拖拉機(jī)撲克牌、中國象棋、五子棋等普遍受人喜愛的智能游戲，讓學(xué)生親手設(shè)計小型智能游戲軟件，在設(shè)計的過程中掌握高深的人工智能理論知識，讓學(xué)生學(xué)得會、用得上、記得牢。
??四、結(jié)語??
以上談到的一些教學(xué)方法是我們在教學(xué)過程中總結(jié)體會比較深刻的方面，以供探討。事實上，要進(jìn)一步提高人工智能課程的教學(xué)質(zhì)量，還有很多方面需要改革和加強(qiáng)。如不斷強(qiáng)調(diào)人工智能教師的專業(yè)素質(zhì)，要求他們在講授好人工智能課程的同時，努力提升出自身的專業(yè)素質(zhì)，給學(xué)生一個良好的專業(yè)素質(zhì)導(dǎo)向。其次，在人工智能課程教學(xué)過程中還需要有培養(yǎng)實用型人才的教學(xué)理念，特別是注重培養(yǎng)有創(chuàng)新意識的實用型人才。注重培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力，只有通過質(zhì)疑和提出問題，學(xué)生的創(chuàng)新意識才能夠得到不斷強(qiáng)化，創(chuàng)新思維能力才能夠得以不斷提高。?
人工智能學(xué)科是一門非常年輕、又非常前沿的學(xué)科，有其自身的突出特點，人工智能課程教學(xué)必然與其他計算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)不同，需要更多的從事人工智能教學(xué)的教師在自身的教學(xué)實踐中不斷積累經(jīng)驗，進(jìn)行廣泛的教學(xué)交流。
參考文獻(xiàn)?
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人工智能技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展歷史雖然只有短短的50余年，但是它作為信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域，對社會經(jīng)濟(jì)和發(fā)展的影響卻越來越大。在基礎(chǔ)教育課程改革的大潮中，許多國家意識到基礎(chǔ)教育領(lǐng)域開展人工智能教育的必要性，努力把人工智能列入技術(shù)類教育的教學(xué)內(nèi)容中。作為師范類院校，教授人工智能課是有必要的。?
（1）為部分優(yōu)秀的學(xué)生將來做更深入的研究打堅實的基礎(chǔ)。在面向知識經(jīng)濟(jì)的今天，研究獲取、表示和使用知識的人工智能學(xué)科越來越受到人們的重視。目前人工智能研究被列為中國高技術(shù)領(lǐng)域的重點之一。以專家系統(tǒng)為代表的智能化系統(tǒng)在信息技術(shù)中也占有重要地位。因此在高等教育中開展人工智能教育和智能化系統(tǒng)的研發(fā)，不僅是計算機(jī)科學(xué)的應(yīng)用，也是促進(jìn)各學(xué)科服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。為使人工智能的理論、方法和技術(shù)的研究與應(yīng)用普及和深入，教育重心必須要下移，即從研究生教育向本科教育普及。開展本科層次人工智能普及教育的有效途徑之一是在本科高年級開設(shè)相關(guān)選修課。開展人工智能教育，不僅能夠更好地發(fā)揮高等院校的育人和科學(xué)研究功能，而且能為學(xué)生拓寬專業(yè)路徑，擴(kuò)大自主學(xué)習(xí)空間和發(fā)展個性創(chuàng)造條件，同時也為營造一個使學(xué)生不僅有寬厚、扎實的理論基礎(chǔ)，且具綜合分析和解決問題能力的環(huán)境。?
（2）為將來從教的學(xué)生積聚大量的知識。英國早在1999年，人工智能課程已經(jīng)作為選修課出現(xiàn)在中學(xué)的信息與通訊技術(shù)（ICT）課程中。許多中小學(xué)還通過機(jī)器人競賽活動來激發(fā)中小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的興趣，使學(xué)生不僅提高了用信息技術(shù)解決問題的能力，而且培養(yǎng)了多種思維方式，獲得了更多的創(chuàng)新空間。美國現(xiàn)行的中學(xué)信息技術(shù)課程設(shè)置中，將人工智能的內(nèi)容作為“媒體與技術(shù)”層面對12年級學(xué)生的要求。澳大利亞的部分中學(xué)開設(shè)的信息處理與技術(shù)課程，人工智能、信息系統(tǒng)、算法和程序設(shè)計、社會和倫理道德、計算機(jī)系統(tǒng)分別作為5個主題共同構(gòu)成了該課程的教學(xué)內(nèi)容。在該課程的大綱中規(guī)定，人工智能部分的教學(xué)內(nèi)容在高中第3學(xué)期為12年級的學(xué)生開設(shè)，教學(xué)時間為10周。?
在我國，多年以來中學(xué)奧林匹克信息學(xué)競賽中一直包含有人工智能相關(guān)的題目，涉及啟發(fā)式搜索、博弈、智能程序設(shè)計等問題。2003年4月，我國教育部正式頒布《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》，首次在信息技術(shù)科目中設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊，標(biāo)志著我國高中人工智能課程的正式起步。?
我國的新課程標(biāo)準(zhǔn)頒布后，教育部評審并通過了分別由教育科學(xué)出版社、廣東高教出版社、地圖出版社、上海科技教育出版社和浙江教育出版社出版的5套高中《人工智能初步》教材，并開發(fā)了相應(yīng)的教輔材料，包括教師用書和配套光盤等。為了配合中學(xué)人工智能課程的實施，國內(nèi)也推出了一些適合中學(xué)生學(xué)習(xí)與體驗的人工智能軟件和網(wǎng)絡(luò)資源。另一方面，一些高校的本科生、研究生也逐步關(guān)注中學(xué)人工智能教育的開展并將其作為畢業(yè)論文的研究選題。一些師范院校適應(yīng)形勢要求，已為師范生開設(shè)了與此相關(guān)的選修課程。?
2 人工智能的教育及教學(xué)條件現(xiàn)狀?
通過對本人多年的教學(xué)過程進(jìn)行總結(jié)，我校的《人工智能》課程教育現(xiàn)狀可總結(jié)為如下幾點：?
（1)理論知識充裕。但與實踐相脫節(jié)，特別是在智能科學(xué)技術(shù)的教育教學(xué)方面。盡管知識面相當(dāng)廣泛，而人工智能理論的普及教育以及智能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用仍然十分滯后。?
(2)同其它普通高等院校一樣，在本校，人工智能技術(shù)的研究與應(yīng)用尚未普及，甚至比不上其它院校。這不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣及創(chuàng)造精神。?
（3）缺乏配套實驗教材，實驗教學(xué)內(nèi)容缺乏，無法培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力。只有開設(shè)實驗項目，才能使人工智能的相關(guān)知識具有研究性和綜合性。?
（4）對中小學(xué)智能教育的深度及教學(xué)方式、教學(xué)特點缺乏研究。做為師范類院校，我認(rèn)為在對學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)知識教育的基礎(chǔ)上，要緊抓中小學(xué)智能教育的特點對師范類學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的教育與培訓(xùn)。?
相對于教育現(xiàn)狀，我校的《人工智能》課程教學(xué)條件現(xiàn)狀要稍好一些，其狀態(tài)如下：?
（1）教材使用國家級規(guī)劃教材，此教材非常系統(tǒng)地介紹了人工智能的基本原理、方法和應(yīng)用技術(shù)，適合本科及研究生使用。在我們的授課過程中，也會適當(dāng)為學(xué)生提供相關(guān)的國內(nèi)其他先進(jìn)教材，如中南大學(xué)蔡自興教授的《人工智能及其應(yīng)用》等。?
（2）為了促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，我們準(zhǔn)備了多種類型的擴(kuò)充性學(xué)習(xí)資料，加強(qiáng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識，包括：課程相關(guān)雜志和書籍目錄，以及部分重要的參考文獻(xiàn)，與人工智能相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源如優(yōu)秀BBS、新聞組、網(wǎng)址等。 它們包括了大量的文獻(xiàn)資料、本領(lǐng)域研究的前沿動態(tài)等。 使用表明，學(xué)生非常樂于查閱這些資源。 使學(xué)生能通過使用這些資源進(jìn)行一些人工智能程序設(shè)計，探討一些問題，在課堂討論中展示他們的收獲。?
(3）校園網(wǎng)的普及與不斷優(yōu)化使本課程有優(yōu)良的實踐性教學(xué)環(huán)境，能充分滿足教學(xué)需要。我們擁有較充足的多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)教室，為實現(xiàn)本課程教學(xué)提供了物質(zhì)保障。在網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)方面，全校辦公室、教室、學(xué)生宿舍和教師宿舍都以寬帶網(wǎng)相連，這些硬件設(shè)備對本課程教學(xué)發(fā)揮了重要作用，使本課程教學(xué)質(zhì)量得以明顯提高。?
3 人工智能教學(xué)方法及手段的改革?
針對我們現(xiàn)在所采取的教學(xué)方法，我認(rèn)為存在許多不足，如教學(xué)方式比較單一，教學(xué)內(nèi)容偏重理論講解等，為此，提出以下教學(xué)方法的改革：?
（1）通過多種途徑激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程的學(xué)習(xí)效果，直接受到學(xué)生興趣和參與意識的影響。一般來講，《人工智能》作為一門前沿課程，開始學(xué)生學(xué)習(xí)興趣很大，當(dāng)開始接觸到抽象理論知識及部分算法時，學(xué)生往往感到不易接受。 我們通過各種途徑和方法， 激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，包括鼓勵學(xué)生參與某部分知識的擴(kuò)充性資料查找,預(yù)留一定時間請學(xué)生負(fù)責(zé)對此內(nèi)容進(jìn)行講解，布置學(xué)生對某個基本成型的實驗進(jìn)行糾錯及驗證，降低問題解決的難度。學(xué)生因此產(chǎn)生興趣從而做更深度研究。?
(2）進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)。 我們可以嘗試在教學(xué)過程中不斷提出問題請學(xué)生思考，啟發(fā)學(xué)生求解這些問題，鼓勵學(xué)生提出自己的猜想和解決方案，然后擺出教材中的解決方案，并與同學(xué)所提出的觀點進(jìn)行分析和比較，這足以加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動意識和參與意識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。?
(3）課堂辯論與交互式教學(xué)。 組織課堂辯論，討論的議題可定位為譬如人工智能是否能超過人類智能等有爭議的問題。學(xué)生通過對這些問題展開激烈爭論，激發(fā)了學(xué)習(xí)潛能，明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)。當(dāng)然師生間的交流方式還有很多，如郵件互發(fā)、QQ留言等，也可在課程網(wǎng)站中的互動平臺進(jìn)行交流。?
(4）分層次因材施教。 在授課過程中，通過對每個具體學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、課堂作業(yè)情況進(jìn)行及時評估，對學(xué)生提出進(jìn)一步的學(xué)習(xí)建議和指導(dǎo)， 實現(xiàn)個性化的教學(xué)。 對優(yōu)秀學(xué)生探討，可以在教學(xué)設(shè)計和實驗設(shè)計中要求其選作部分探索性、創(chuàng)新性的功課和實驗，以發(fā)揮學(xué)生個性優(yōu)勢。對于有意于將來從事中小學(xué)教育的學(xué)生可以在機(jī)器人及人工智能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀等知識層面對其做問題講解。而那些看似缺乏興趣的學(xué)生，我們可以用多媒體手段如播放人工智能相關(guān)電影及科學(xué)小片引起其興趣，實行逐步引導(dǎo)的教學(xué)過程。?
另外，我們可以嘗試雙語教學(xué)。 采用中文教材和講授的同時，注重在課程中的關(guān)鍵詞同時用英文表示，并適當(dāng)指定英文參考短文和英文參考書。使學(xué)生能夠接觸國外文獻(xiàn)資料，加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，獲得更寬廣的知識。我們也可以在教學(xué)內(nèi)容安排上，注重理論聯(lián)系實際，將一些人工智能網(wǎng)絡(luò)上的虛擬實驗給學(xué)生進(jìn)行課外上網(wǎng)練習(xí)，從而使學(xué)生了解算法的具體運行過程， 通過參與達(dá)到知識的理解，掌握基本方法和技術(shù)。?
根據(jù)現(xiàn)有的條件，我們在教學(xué)中可以采用多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)相結(jié)合的方法，充分利用多媒體的豐富表現(xiàn)形式，利用網(wǎng)絡(luò)課程的交互性、情景化等特點，構(gòu)筑以學(xué)生為主體的《人工智能》課程現(xiàn)代教學(xué)模式。 對于抽象知識，可通過動畫和視頻演示，通過聲音和圖像展示人工智能的歷史、人物和前景，做到學(xué)生直接而深刻地看到知識的內(nèi)涵外延。網(wǎng)絡(luò)課程能較好地實現(xiàn)交互并使學(xué)習(xí)過程情景化，通過網(wǎng)絡(luò)課程的課堂練習(xí)和章節(jié)練習(xí)，教師可以評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并給學(xué)生提出學(xué)習(xí)建議，從而提高學(xué)生的研究力和創(chuàng)新力。我們也可以給學(xué)生播放中學(xué)《人工智能》課程課堂教學(xué)錄像，以使學(xué)生看到初高中學(xué)生的知識范圍及深度；同時給學(xué)生播放現(xiàn)有的《人工智能》科學(xué)成果，讓學(xué)生看到理論背后的實踐；也可以播放科幻片，激發(fā)學(xué)生想象的翅膀從而有興趣把人工智能作為將來深造的方向。《人工智能》是一門較新的課程，改進(jìn)教學(xué)方法和手段不僅要靠教師，也應(yīng)增加硬件設(shè)備的投入。如果人工智能能采用智能輔助教學(xué)系統(tǒng)或機(jī)器人輔助教學(xué)過程逼真、形象，一目了然，這樣可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，尤其是提高學(xué)生的觀察判斷能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。?
4 人工智能實踐教學(xué)設(shè)計的探討?
我們可以在教學(xué)過程中，適量開設(shè)一些實驗和設(shè)計，提高學(xué)生的動手能力，并加深他們對理論知識的理解，降低理論的抽象度，提升理論的實用性。在近兩年的教學(xué)過程中，我們會適量加入一些人工智能語言的教學(xué)過程。例如，在講解了“野人與傳教士過河”等問題后，我們可以讓學(xué)生使用Visual Prolog或者C ?++?對算法進(jìn)行實現(xiàn)；在講解 TSP 問題的遺傳算法解決案例后，指出編碼方案、初始種群大小、進(jìn)化代數(shù)、交叉率變異率等因素對求解結(jié)果的影響，并要求學(xué)生通過實驗的方式來分析、理解這些問題，并提出“尋找更有利的解決方案”等問題。把學(xué)生的興趣激發(fā)后，為解決這些問題，學(xué)生會在課外主動查閱相關(guān)文獻(xiàn)、相互討論以實現(xiàn)他們所設(shè)計的方案，這樣既培養(yǎng)了學(xué)生善于鉆研和勇于創(chuàng)新的精神又提高了學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。?
參考文獻(xiàn)：?
［1］ 熊德蘭,李梅蓮,鄢靖豐.人工智能中實踐教學(xué)的探討［J］.宿州學(xué)院學(xué)報,2008(1).?
［2］ 何元烈,汪玲.“Visual C ?++?”在“人工智能”教學(xué)中的應(yīng)用與探討［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2008(8).?
【關(guān)鍵詞】情感計算；適應(yīng)性學(xué)習(xí)；適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)
【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009―8097 (2008) 12―0091―03
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)（或?qū)W習(xí)系統(tǒng)）雖然可以在web環(huán)境下實現(xiàn)認(rèn)知層面的個性化教學(xué)，但往往只重視學(xué)習(xí)內(nèi)容的適應(yīng)性，忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出來的情感狀態(tài)，以致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏情感投入，造成嚴(yán)重的情感缺失，甚至產(chǎn)生反感情緒，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的效果。一個真正個性化的適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)不僅應(yīng)當(dāng)是有智能的，而且還應(yīng)當(dāng)是有情感的。
情感是人類的基本經(jīng)驗，它同理性思維和邏輯推理能力一樣，在我們的日常生活、工作、交流、處理事務(wù)和決策中扮演著重要的角色[1]。情感在認(rèn)知和人機(jī)交互中起著關(guān)鍵性的作用，讓計算機(jī)具有情感實質(zhì)上就是讓計算機(jī)在與人的交互中具有智能和敏感的能力。如果計算機(jī)具備了類似于人類的情感能力，能夠感知和表達(dá)情感，那么人與自然、人與計算機(jī)就能達(dá)成一種和諧。因此，可以說情感計算是建立這種和諧人機(jī)環(huán)境的基礎(chǔ)之一。
所謂的情感計算是與情感相關(guān)、來源于情感或能夠?qū)η楦惺┘佑绊懙挠嬎鉡2]。情感計算技術(shù)將有助于改變目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的情感缺失問題，是解決目前網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)適應(yīng)問題的有效突破口。
一 適應(yīng)性學(xué)習(xí)理論及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)適應(yīng)性現(xiàn)狀
適應(yīng)性學(xué)習(xí)（Adaptive Learning）是指為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的適應(yīng)性，通過學(xué)習(xí)環(huán)境的自身調(diào)整來適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個性特征和認(rèn)知水平，滿足學(xué)習(xí)者個別需要的學(xué)習(xí)過程。因此，適應(yīng)性學(xué)習(xí)主要包括：（1）學(xué)習(xí)者可以選擇學(xué)習(xí)支持工具來定制自己喜歡的學(xué)習(xí)環(huán)境。（2）根據(jù)學(xué)習(xí)者的需要，適應(yīng)性學(xué)習(xí)可以提供靈活的學(xué)習(xí)方法，動態(tài)地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容[3]?，F(xiàn)階段主流的適應(yīng)性學(xué)習(xí)模式主要包括3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：學(xué)習(xí)診斷、學(xué)習(xí)內(nèi)容的動態(tài)組織和學(xué)習(xí)策略的選擇[4]。
適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究以人工智能科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和思維科學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過研究人類學(xué)習(xí)思維的特征和過程，來尋求學(xué)習(xí)認(rèn)知的模式[5]。在適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生能夠自己組織、制訂并執(zhí)行學(xué)習(xí)計劃，能控制整個學(xué)習(xí)過程，對學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評估。學(xué)習(xí)系統(tǒng)要能夠滿足學(xué)生進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)的需求，提供適應(yīng)性的學(xué)習(xí)診斷、適應(yīng)性的導(dǎo)航及適應(yīng)性的內(nèi)容呈現(xiàn)。學(xué)生在系統(tǒng)提供的環(huán)境中，可以自由選擇學(xué)習(xí)方式。系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生與系統(tǒng)的交互情況及學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、歷史記錄，適時地給學(xué)生以引導(dǎo)，幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。同時還應(yīng)該適時地對學(xué)習(xí)者的情感狀態(tài)做出反應(yīng)，使學(xué)習(xí)者快樂地學(xué)習(xí)，防止由于情感交流缺失造成情感障礙問題。適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)要充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)行為的個性化特征和情感需要，給學(xué)生提供個性化、和諧的人機(jī)交互環(huán)境，最終達(dá)到因材施教的目的。但目前所設(shè)計的“適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)”或“適應(yīng)性教學(xué)系統(tǒng)”往往忽略學(xué)習(xí)者情感這一重要因素，僅僅實現(xiàn)了認(rèn)知層面的個性化教學(xué)，出現(xiàn)了大量學(xué)習(xí)適應(yīng)不良問題等，情感缺失問題尤為嚴(yán)重。所謂情感缺失[6]，就是指由于教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生分離，使得學(xué)生和學(xué)生不能像常規(guī)教育那么及時地、面對面地交流，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的某些問題得不到解決，在心理上存在困惑而得不到幫助。這樣，如果學(xué)生長時間面對冷漠的電腦屏幕而感受不到交互的樂趣和情感的激勵時，就會產(chǎn)生反感情緒，從未造成各種各樣的學(xué)習(xí)適應(yīng)問題。
二 基于情感計算的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)理論模型
在教與學(xué)的過程中，人類的表情和語言是豐富的，當(dāng)教師講授的內(nèi)容學(xué)生能夠理解和接受的時候，會出現(xiàn)情緒高漲的狀態(tài)，學(xué)生會用微笑的表情或歡快的語言來表示。反之，情緒會低落，學(xué)生可能會用眉頭緊鎖、目光呆滯、低沉喪氣等方式來表示他們無法理解講授的知識。學(xué)生的這些情感表現(xiàn)是很重要的反饋信號，為了在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境中，有效地解決情感交流匾乏問題，本文提出了基于情感計算技術(shù)的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)理論模型，如圖1所示。該系統(tǒng)將對學(xué)生的情感信號進(jìn)行捕捉和識別，并以此作為重要依據(jù)，判定學(xué)生的情感狀態(tài)和對所學(xué)知識的接受情況。系統(tǒng)通過訪問學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)庫和相關(guān)知識庫，主動收集、分析來自學(xué)生的反饋信息，從而給出合理的、個性化的學(xué)習(xí)方案，并能不斷地調(diào)整和修正學(xué)習(xí)方案，實現(xiàn)和諧人機(jī)交互功能和真正的學(xué)習(xí)自適應(yīng)。
上述模型是在傳統(tǒng)的適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上加入了情感計算技術(shù)，系統(tǒng)更加具有智能性和友好性，能更好地反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和情感狀態(tài)，最終提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：對學(xué)生的情感信息進(jìn)行捕捉和識別，并以此作為動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)策略的重要依據(jù)；情感虛擬教師可以與學(xué)生進(jìn)行情感交流，實現(xiàn)人機(jī)情感交互；根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)時的情感表現(xiàn)和學(xué)習(xí)歷史，適時調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和內(nèi)容的難度等，真正實現(xiàn)適應(yīng)性學(xué)習(xí)。
該系統(tǒng)分為五大模塊：用戶登錄模塊、情感交互模塊、評價模塊、適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程模塊及數(shù)據(jù)庫模塊。
1 用戶登錄模塊
這部分是用戶與計算機(jī)的接口，主要負(fù)責(zé)用戶的身份驗證。學(xué)習(xí)者初次登錄系統(tǒng)時要進(jìn)行注冊，這是實現(xiàn)適應(yīng)性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。獲取的用戶信息存儲在用戶特征數(shù)據(jù)庫中，主要包括注冊用戶的基本情況（如注冊號、姓名、性別、年齡等）、受教育背景（如學(xué)歷、學(xué)位、進(jìn)修情況）等。同時，初次登陸系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者還必須進(jìn)行學(xué)習(xí)風(fēng)格測試和知識的前測，收集的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格特征和知識特征信息被記錄到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。
2 情感交互模塊
該模塊由可進(jìn)行情感交互的虛擬教師和情感識別兩部分組成，是本系統(tǒng)模型的特色部分。情感教師可以在用戶學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)人機(jī)的情感交互，情感計算服務(wù)器對收集到的情感信息分別進(jìn)行情感識別，涉及到的情感識別技術(shù)主要包括面部表情識別，語音情感識別、姿態(tài)情感識別和生理指標(biāo)情感識別。系統(tǒng)通過統(tǒng)計方法計算出學(xué)習(xí)者在該學(xué)習(xí)階段中所表現(xiàn)出來的情感種類和比例，識別出學(xué)習(xí)者的整體情感反應(yīng)，并做出合理的情感評價和認(rèn)知評價。
用戶的整個學(xué)習(xí)過程是通過與可進(jìn)行情感交流的虛擬教師（智能）進(jìn)行交互而進(jìn)行的，系統(tǒng)將學(xué)生的交互信息分為“獎勵”和“懲罰”兩種信號，這些信號作為系統(tǒng)的輸入信息，通過虛擬教師的情感模型刺激系統(tǒng)產(chǎn)生出符合人類情感變化規(guī)律的情感信號，并用動畫的效果進(jìn)行表情輸出，從而改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的呆板界面，實現(xiàn)和諧的人機(jī)交互。
3 評價模塊
該模塊的評價信息來自四個方面：
（1） 用戶首次登錄時，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者填寫的學(xué)習(xí)風(fēng)格測試問卷和知識前測問卷得出學(xué)生的認(rèn)知風(fēng)格特征和知識掌握情況，并對此做出認(rèn)知評價。
（2） 情感計算終端實時監(jiān)測學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的情感表現(xiàn)，并將收集到的人臉表情、語音情感、姿態(tài)信息以及生理指標(biāo)信息等傳遞給情感計算服務(wù)器。在一段學(xué)習(xí)結(jié)束后，自動統(tǒng)計出所出現(xiàn)的情感種類及各種情感所占比例，系統(tǒng)在認(rèn)知心理學(xué)理論的支持下形成情感評價和認(rèn)知評價。
（3） 系統(tǒng)根據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中的學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格、知識特征以及情感數(shù)據(jù)等信息對學(xué)習(xí)者的狀態(tài)做出適時評價。
（4） 學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，對自己的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果的滿意程度做出自我評價（即反思的過程）。
4 適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程模塊
初次登錄時，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格特征被記錄到學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫中，知識特征記錄到學(xué)生的知識特征庫中。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者選擇的學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)歷史記錄進(jìn)行自適應(yīng)診斷學(xué)習(xí)的起點，學(xué)習(xí)起點的確定為后面的學(xué)習(xí)內(nèi)容的適應(yīng)性呈現(xiàn)提供了依據(jù)。起點確定之后，學(xué)習(xí)者就進(jìn)入了學(xué)習(xí)狀態(tài)。在學(xué)習(xí)過程中需要為學(xué)生配置一個攝像頭，系統(tǒng)會通過情感識別技術(shù)分析攝像頭所捕獲的學(xué)生的情感信息，并根據(jù)情感模型判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，然后給出相應(yīng)的提示和合理的建議。如果學(xué)生的情緒為煩躁不安，則可能是學(xué)習(xí)內(nèi)容難度過大，這時就應(yīng)該提示學(xué)生注意調(diào)整一下學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度。
學(xué)習(xí)開始，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)習(xí)者的知識模型來提供適應(yīng)性的導(dǎo)航和幫助，引導(dǎo)著學(xué)習(xí)者瀏覽合適的頁面內(nèi)容。比如，對己經(jīng)掌握的知識點的鏈接添加相應(yīng)的標(biāo)志，還沒有學(xué)習(xí)的知識點的鏈接可以不用展開或隱藏起來，即將學(xué)習(xí)的知識點的鏈接也可以用相應(yīng)的標(biāo)志來標(biāo)注，以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方向。
在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的情況適當(dāng)?shù)男薷淖约旱膶W(xué)習(xí)風(fēng)格特征和知識特征，以使系統(tǒng)更好的適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個性化需求。在學(xué)習(xí)過程中，如果學(xué)習(xí)者遇到困難可以向在線幫助模塊發(fā)出請求，如果系統(tǒng)中己經(jīng)存在問題的解決方案，則系統(tǒng)會給學(xué)習(xí)者提供反饋信息，從而為學(xué)習(xí)者提供幫助。如果系統(tǒng)的常見問題中沒有發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)者問題相似的問題，系統(tǒng)則會根據(jù)學(xué)習(xí)者知識模型為困難學(xué)生找到對這部分的內(nèi)容已經(jīng)掌握的其他學(xué)習(xí)者，以幫助他進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣就避免了傳統(tǒng)的協(xié)作學(xué)習(xí)中的盲目性。
為了檢驗學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，及時地更新學(xué)生的知識特征庫，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行自適應(yīng)測試，系統(tǒng)會自動引導(dǎo)學(xué)習(xí)者繼續(xù)學(xué)習(xí)新內(nèi)容或?qū)]有掌握的舊知識進(jìn)行補(bǔ)習(xí)。
學(xué)習(xí)系統(tǒng)的適應(yīng)性引擎模塊會追蹤學(xué)習(xí)者的整個學(xué)習(xí)過程，并記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，如學(xué)習(xí)歷史記錄、學(xué)習(xí)路徑、掌握情況等，以不斷更新學(xué)習(xí)者知識特征。
5 數(shù)據(jù)庫模塊
該模塊主要包括四個部分：
（1） 學(xué)生情感數(shù)據(jù)庫：即學(xué)生的動態(tài)情感數(shù)據(jù)資源，包括面部表情、語音情感、姿態(tài)情感和生理指標(biāo)等；
（2） 學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫：存儲了學(xué)生的通用信息以及學(xué)習(xí)風(fēng)格、知識水平和偏好的學(xué)習(xí)策略等；
（3） 學(xué)生知識特征庫：學(xué)生的認(rèn)知能力、認(rèn)知風(fēng)格、領(lǐng)域知識掌握情況的表征；
（4） 領(lǐng)域知識庫：按照不同形式組織的教學(xué)最小單元及其屬性的集合。
其中，學(xué)生情感數(shù)據(jù)庫、學(xué)生學(xué)習(xí)特征庫和學(xué)生知識特征庫是該系統(tǒng)中學(xué)生模型的基本組成部分。
上述適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)融入了情感建模、情感識別及情感表達(dá)等情感計算的相關(guān)技術(shù)，從而使傳統(tǒng)的適應(yīng)性學(xué)習(xí)更加個性化和人性化，使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)這種學(xué)習(xí)方式成為學(xué)習(xí)者獲取知識的主渠道。
三 結(jié)束語
情感計算技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，還處于初級階段，面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。情感計算技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的新技術(shù)，迄今為止，相關(guān)研究在人臉表情識別，姿態(tài)分析、語言情感表達(dá)和識別等方面取得了一定的進(jìn)展，提高了人機(jī)界面、人機(jī)交互的和諧性[7]。但由于缺乏大規(guī)模動態(tài)情感數(shù)據(jù)資源，情感計算的發(fā)展受到了一定的限制。本文所構(gòu)建的基于情感計算技術(shù)的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型也只是在理論層面提出的，還需要相關(guān)技術(shù)的支持。但我們相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，能夠理解人的情感，與人進(jìn)行自然、親切交互的情感計算機(jī)在不久的將來將會出現(xiàn)。將情感計算融入到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中，通過與學(xué)習(xí)者“對話”給予學(xué)習(xí)者情感鼓勵和情感補(bǔ)償，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的情感反應(yīng)，適時幫助學(xué)習(xí)者調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)策略，是必要的，也是可行的。我們下一步的工作將是基于本文所構(gòu)建理論模型，運用相關(guān)情感計算技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開發(fā)出具有適應(yīng)和情感交互能力的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
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葛先雷 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院
【摘 要】在機(jī)器人避障問題中，為了便對周圍的事物和環(huán)境作出判斷，機(jī)器人在不同的方向上都安裝有傳感器。由于不同的傳感器上接受著不同的信息，傳感器越多，對同一事物反饋的信息越多，必然會引起沖突現(xiàn)象的發(fā)生，直接影響了機(jī)器人對周圍事物的正確判斷和避障的效率。因此，沖突分解能力的好壞就成了機(jī)器人準(zhǔn)確、高效避障的關(guān)鍵。在各種沖突分解算法中，樹形算法是一種較有效的分解方法，所以本文以輪式機(jī)器人的避障問題作為研究對象，在對典型障礙物避障試驗中大量試驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，使用了二叉樹沖突分解的方法對避障問題進(jìn)行了分析和研究，運用基于二叉樹沖突分解的避障方法，并且在單片機(jī)輪式機(jī)器人上進(jìn)行了實驗驗證。
【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；避障；沖突分解；樹形算法；二叉樹
1.引言
機(jī)器人作為人類的新型生產(chǎn)工具，在減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，改變生產(chǎn)模式，把人從危險、惡劣、繁重的工作環(huán)境下解放出來等方面，顯示出極大的優(yōu)越性。機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。
2.硬件設(shè)計
2.1 機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成
基于傳感器路徑規(guī)劃的機(jī)器人是一面行走，一面規(guī)劃。當(dāng)碰到未知障礙物時就進(jìn)行回避[2]。機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成。機(jī)器人的外貌有的像人，有的卻并不具有人的模樣，但其組成與人很相似。機(jī)構(gòu)部分包括機(jī)械手和移動機(jī)構(gòu)，機(jī)械手相當(dāng)于人手一樣，可完成各種工作；移動機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人的腳，機(jī)器人靠它來”走路”。感知機(jī)器人自身或外部環(huán)境變化信息的傳感器是它的感覺器官，相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚等，它包括內(nèi)傳感器和外傳感器。電腦是機(jī)器人的指揮中心，相當(dāng)于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機(jī)器人各部位協(xié)調(diào)動作；信息處理裝置（電子計算機(jī)），是人與機(jī)器人溝通的工具，可根據(jù)外界的環(huán)境變化、靈活變更機(jī)器人的動作。
2.2 單片機(jī)控制原理介紹和分析
單片微型計算機(jī)就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。因此，一塊芯片就構(gòu)成了一臺計算機(jī)。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機(jī)。
在單片機(jī)機(jī)器人中，單片機(jī)相當(dāng)于機(jī)器人的大腦和指揮中心，是機(jī)器人中最重要的部分。在內(nèi)部它控制機(jī)器人上各個部件的協(xié)調(diào)動作；對外部，通過采集和分析機(jī)器人上的各種傳感器傳回的數(shù)據(jù)，隨著外部環(huán)境變化，不斷的進(jìn)行信息反饋和調(diào)整，以便靈活調(diào)整機(jī)器人的動作，順利完成預(yù)定的任務(wù)。下面是AVR單片機(jī)結(jié)構(gòu)方塊圖（圖1），也是大多數(shù)單片機(jī)機(jī)器人大腦的基本結(jié)構(gòu)。
圖1 AVR單片機(jī)結(jié)構(gòu)方塊圖
2.3 輪式尋跡機(jī)器人各組成部件控制原理
2.3.1 伺服電動機(jī)的控制原理
機(jī)器人控制的電機(jī)一般分為“閉環(huán)控制”和“開環(huán)控制”兩大類，開環(huán)常用的是步進(jìn)電機(jī)，閉環(huán)控制上常用的是伺服電機(jī)。伺服電動機(jī)是一種根據(jù)控制信號的要求而執(zhí)行動作的電動機(jī)。在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行原件。它將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度，因此非常適合于單片機(jī)控制。標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服電動機(jī)有三條控制線，分別為電源、地及控制線。電源線和地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)和控制線路所需的能量，電壓一般在4V～6V之間。
2.3.2 光柵位移檢測傳感器控制原理
光柵是等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件，也可說是一種在基體上刻制有等間距的均勻分布條紋的光學(xué)元件。光柵的表面刻有規(guī)則排列和規(guī)則形狀的刻線，這些刻線可以是透光的（透射式）或不透光的（反射式）。常用的光柵傳感器的刻線多屬于黑白型的，這種刻線（或稱柵線）的白色寬度為a，黑色寬度為b，通常情況下a=b。一般a+b稱為光柵柵距，或稱為光柵常數(shù)。
當(dāng)光柵運動時，光電元件測條紋的移動，通過脈沖計數(shù)得到位移的度量。
光電傳感器原理：電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測電路。
圖2 光電傳感器原理圖
2.4 移動機(jī)器人實驗各組成部分介紹平臺組成
2.4.1 平臺組成
機(jī)器人實驗平臺由底盤、兼容51平臺AVR-ISP下載實驗板（帶ATmega8515L）、2個紅外線避障傳感器、232串口、1個尋跡傳感器、PS/2鍵盤口、低慣性強(qiáng)力減速電機(jī)、車輪編碼盤組合、蜂鳴器、七段數(shù)碼LED顯示器等部件組成[1]，如圖3。
圖3 機(jī)器人實驗平臺
2.4.2 程序設(shè)計
編程環(huán)境：
Microsoft Windowns XP sp2操作系統(tǒng)
ATMEL CodeVisionAVR單片機(jī)編程開發(fā)環(huán)境Version 1.24.1d standard
AVR-ISP編程下載程序PonyProg2000 Version 2.06c Beta
首先我們將S10、S01、S00三種情況先看作成功避障，未成功避障（），首先我們先建立如下的規(guī)則：
①S00、S10、S01、S11四種情況的優(yōu)先等級所示：
②當(dāng)優(yōu)先等級相同的情況出現(xiàn)時，隨機(jī)選擇向左或向右旋轉(zhuǎn)。
③在任何情況下，如果碰到S00出現(xiàn)，則選擇S00分支，不再進(jìn)行判斷，直接跳出循環(huán)。
④α定義為探測角，β定義為旋轉(zhuǎn)角，且β=2α
⑤右手法則：如果出現(xiàn)S10的情況，即左側(cè)光感檢測到障礙物，右側(cè)光感沒有檢測到障礙物，則機(jī)器人向右旋轉(zhuǎn)β度角。左手法則：如果出現(xiàn)S01的情況，即左側(cè)光感沒有檢測到障礙物，右側(cè)光感檢測到障礙物，則機(jī)器人向左旋轉(zhuǎn)β度角。
⑥當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)內(nèi)容相同的同優(yōu)先級情況時，后幾次的旋轉(zhuǎn)方向與第一次相同。
圖4 成功避障程序流程圖
機(jī)器人避障實驗結(jié)果的軌跡如圖5場景1～場景5。
圖5 機(jī)器人避障實驗結(jié)果的軌跡
3.總結(jié)
在避障過程中，移動機(jī)器人常會面臨無法事先預(yù)測的復(fù)雜環(huán)境以及環(huán)境本身的瞬息變化。目前移動機(jī)器人基本上都是依靠傳感器來對外界的環(huán)境進(jìn)行感知和判斷，由于使用單光感收集到的信息量太少，經(jīng)常不能對周圍的環(huán)境和障礙物進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。為了準(zhǔn)確的判斷機(jī)器人所處的環(huán)境和障礙物的情況，在當(dāng)前的移動機(jī)器人上，一般都使用多個傳感器同時對環(huán)境和障礙物進(jìn)行感知和判斷。由于多個傳感器的同時存在，每個傳感器發(fā)回處理器的信息存在沖突的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生而且不可避免，嚴(yán)重影響了機(jī)器人的避障效率和準(zhǔn)確性，導(dǎo)致在避障問題上還存在不少問題。本文使用二叉樹沖突分解的方法對機(jī)器人避障的問題進(jìn)行研究和分析，實現(xiàn)機(jī)器人的高效和安全避障，是在這一領(lǐng)域有益的探索。
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