基于多尺度CDIO的人工智能新工科人才培养模式

一、 新工科与CDIO

新工科产生于对未来工程活动崭新业态的应对。新工科之新，在于对传统工程专业课程体系、教育理念和教育体制的新革命。

新工科不仅仅是新兴工科，也不仅仅是“应用新技术”的工科，通过新增或改造一些专业就可以建立起来。新工科更需要进行教育范式的变革，在工程教育曾经受到技术范式、现在又深受科学范式影响的历史背景下，亟须重新确立“工程范式”在工程教育中的核心地位和对所有工程教育实践的指导作用，以培养具备更强创新创业能力的工程科技人才。

此外，新工科目标的全面深入实现，还需要教育和产业界的协同配合。高等学校要把人才培养放进真实的工程环境中，“走出去、请进来”，在工程教育的各个环节里向学生展现真实世界的工程需要。

CDIO（Conceive、 Design、 Implement、Operate，即构思、设计、实现、运行）是由美国的麻省理工学院（MIT）和瑞典的皇家理工学院（KTH）、查尔姆斯理工大学（Chalmers 或 CTH）和林雪平大学（LiU）为首，联合全球几十所大学共同实施的工程教育改革方案。

CDIO 是一种培养现代工程技术人才的创新教育模式，通过建立理论与实践相互支撑和有机联系的一体化课程体系，让学生在“构思→设计→实现→运行”现实世界产品或系统的过程中学习工程理论和加强工程实践，使学生掌握专业技术知识和方法，锻炼学生的职业能力、交流和团队合作能力等，培养新一代杰出的工程技术人才。CDIO 工程教育理念与新工科回归工程之内涵具有很强的内部一致性，可以通过建立转换平台实现新工科从理念到行动的转换 。

二、基于CDIO的人工智能专业一体化课程体系

CDIO 人才培养方案的制订要求调研相关行业企业和境内外高校，搜索著名求职招聘网站，从这些外部环境获得行业人才需求情况和已有专业人才培养情况，然后分析本校师资队伍、办学的软硬件条件和教学科研特色等内部因素。

在此基础上，制订专业培养目标和毕业生需要具备的核心能力和素养，通过构造课程能力矩阵设置好专业课程，和三级项目库相互配合，形成一体化的课程体系。培养目标、核心能力素养和一体化的课程体系是人工智能人才培养方案的主要内容。

三、基于多尺度CDIO的人工智能人才培养模式

CDIO 各级项目一般采用自顶而下的顺序设计：一级项目的设计直接针对专业培养目标；二级和三级项目是一级项目培养能力的分解。融合三级项目的一体化课程体系适合用鱼骨图直观表示，每一鱼骨分支上支撑同一个二级项目的一组课程为课程群，每门课程配套的实践活动为三级项目，为顺利进行二级项目作好准备。图 1 所示是一体化课程体系的鱼骨图，从左到右是从大一入学到毕业的时间轴，体现了课程和项目的先后顺序。

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从一级项目到三级项目，项目的规模由大到小，由复杂到简单。各级项目也体现了不同的时间跨度，一级项目跨越整个本科学习阶段，二级项目跨越课程群，三级项目则配套每门课程，在每次理论或实验教学中，也可以实施 CDIO 的方法。由于项目规模和时间跨度的一致性，我们定义不同的 CDIO 尺度为本科全过程尺度、课程群尺度和课程尺度 3 种。在不同尺度的 CDIO 教学中，让学生反复体验设计→实现的过程，培养学生产品、过程和系统的建造能力，在自然环境中培养个人能力和人际交往能力，如团队合作能力等。

3.1 本科全过程尺度

覆盖本科全过程的 CDIO 体验通过一级项目实施。这样的项目直接对接培养目标和实际需求，应该是一个能够反映实际性能的、可操作的原型或一种高级模型，可能需要做商业设计，也可能需要来自不同工科专业甚至商学院的学生。人工智能专业的学生要求掌握人工智能专业知识，具有建造智能系统的能力。智能机器人是最适合综合应用各种智能技术的系统平台，如NAO 机器人等，在其上开发集语音交互、对话和视觉等智能技术的应用系统可以作为很好的一级项目。此外，结合实际应用需求的智能数据分析（如用户画像和精准营销等）也可以作为一级项目。

本科全过程尺度 CDIO 体验的项目应该从大学第一学期开始，在开设的智能科学与技术导论或人工智能导论课程上引导学生对智能机器人应用系统从概念上作定性的构思和设计，并作口头表述和书面报告。在后续学期的教学中，将每个课程群教学的完成作为一级项目的一个里程碑，唤起学生对一级项目的记忆，激发并维持学生的兴趣。在大四第一个学期安排一个月的时间集中完成智能机器人应用的综合实训。在此基础上，安排并指导学生的毕业设计作为最后的 CDIO体验，实现毕业生知识和能力与就业岗位的无缝对接。

3.2 课程群尺度

一级项目需要关键专业知识点和技能的支持，它们通过课程群和二级项目实现，如智能机器人应用系统需要机器人运动控制、视觉和语言等关键知识点和技能，视觉和语言依赖机器学习与模式识别，最终依赖于程序设计语言、数据结构和算法分析与设计。图 1 设计了 4 个课程群和对应的二级项目，即数据结构与算法实践、机器学习与数据挖掘实践、计算机视觉与自然语言处理实践和机器人模拟仿真。

二级项目的知识和技能需求要贯穿整个课程群，能够有效地把相关联的课程知识点有机结合、灵活运用起来。二级项目是实际产品、流程和系统某方面功能的原型和高级仿真，一般通过课程设计或寒暑假小学期实施。值得注意的是，这里的课程设计不只是针对单门课程，而是针对整个课程群，需要一定的综合性和复杂性。由于有一定规模和难度，持续时间一般 1~2 周，因此，该尺度的 CDIO 体验是培养学生个人能力和人际交往能力的重要时机。表 1 列出了各二级项目的内容、实施方式和时间。

3.3 课程尺度

三级项目以单门课程为基础，根据课程知识点的教学需要设立小规模、低复杂度和短学时的实践项目，通过 CDIO 的体验，加深和强化学生对课程知识点的理解，培养相应的工程实践能力。该类项目是针对少量相关甚至单个知识点设计的，是这些知识点在某种产品原型中的仿真和应用再现。这种 CDIO 体验的典型形式是实验课，一般具有规模小、时间短的特点，主要使学生掌握相关知识点，培养相应的技能，对人际交往能力培养的作用不显著。

实施 CDIO 方法的一种误区是该方法不适合大一新生使用。因为大一新生主要学习数学、英语和思想政治课程，涉及的专业课极少且比较初级浅显，还不具备建造产品、过程和系统的知识储备和能力。在这种情况下，可以针对简单产品或者概念产品来设计三级 CDIO 项目，使学生体验“设计→实现”的工程实施过程，如在人工智能导论课上，可让学生从概念上定性地设计、实现一些人工智能应用产品。

实施 CDIO 方法的另一种误区是该方法不适合理论课。实际上，课本中的每个概念、公理和定理都是在建造某种产品、流程和系统的过程中，为了解决某个问题而提出的，从而形成该课程的理论体系。从这个角度来看，理论课上让学生体验 CDIO 的产品“设计→实现”过程有利于掌握建造该产品的知识和能力，提高学生的学习兴趣。

理论课上实施 CDIO 适宜采用主动学习和经验学习的方法。主动学习方法要求避免让学生被动接受信息的满堂灌方式，主张教师创设问题解决的情境，引导学生直接参与思考和解决问题的过程，培养学生主动获取知识的能力，养成深入探索的习惯。收集授课疑点的 Muddy 卡、以多项选择题形式了解学生是否理解教学内容并纠正错误的概念问题、收集和显示课堂反馈的电子反馈系统和针对问题系统解决的自选讲题等是主动学习经常采用的方法。

体验学习方法让学生在教学活动中通过工程实践模拟体验各种工程师角色，达到对工程活动的深入理解。典型模式有基于项目的教学、虚拟仿真和案例分析等。近年来，多媒体动画、虚拟现实和课堂互动反馈系统极大地方便了主动学习和体验学习方法的实施，如课堂平台，将互动反馈功能无缝嵌入广泛使用的 powerpoint 课件中，通过平台的线上功能，极大地方便了教师在课堂上使用概念问题和电子反馈系统等主动学习方法。

四、结语

自从 2017 年提出新工科的理念以来，广大专家学者积极探索新工科的内涵以及实施途径和方法。人工智能作为典型的新工科专业，是培养新工科人才的重要领域。

本文以 CDIO 工程教育改革理论指导人工智能人才的培养，以融合CDIO 三级项目的一体化课程体系为基础，从本科全过程、课程群和课程 3 个由大到小的尺度培养人工智能新工科人才。这是 CDIO 工程教育理论到新工科人才培养的一个具体转化方案，具有重要的理论和实践意义。

该方案已在智能科学与技术专业 2019 和 2020 级学生的培养中广泛使用，学生学习积极性高，兴趣浓厚，动手实践能力和沟通能力得到了极大提高。在以后的教学中，我们将进一步丰富和完善这一方案，提供更多的具体教学实例，为人工智能人才培养做出贡献。

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