科教融合下的应用型实践课程建设研究

韩 玺，刘元盛，马 楠

（北京联合大学 机器人学院，北京100101）

0 引 言

2016年教育部发布《高等学校“十三五”科学和技术发展规划》中明确指出：“科教融合是现代高等教育的核心理念，支撑人才培养是高校科技工作的内在要求。”科教融合的目的在于培养学生在未来竞争中所需要的发现问题、创造性解决问题的能力与科学素养[1]。近年国内各高校在科教融合道路上积极探索的同时，也产生了许多成绩，如北京师范大学大力建设互联网教育智能技术及应用国家工程实验室，中国科学院大学依托中科院65个研究所（京区38个所、京外27个所）承办了19个科教融合学院等。

智能科学与技术在中国特色的科学和教育体系中，具有聚焦智能培养、呼应创新驱动发展的社会需求，使我国在2030年成为全球人工智能创新中心，具有战略意义[2]。以电子信息工程、软件工程等专业为依托的人工智能研究领域将极大地影响人们未来的生活方式，已成为国家发展的重大战略；而传统的电子系统设计、电子技术课程设计等实践课程实践教学内容比较陈旧，教学方式上也多以“老师教、学生学”相对比较单调的方式进行，这既无法满足现代科学技术的发展需求，也不适合“以学为本”的高等教育人才培养理念，因此，迫切需要开发适应人工智能发展趋势的新的实践教学内容，研究灵活的、适应现代高等教育发展规律的教学方式。

2017年创新工场董事长李开复在“人工智能战略展望会”上表示，在人工智能领域，无人驾驶将成为最会颠覆已有世界的技术。无疑无人驾驶是人工智能领域的重要组成部分，在北京联合大学机器人学院试验区，它既是最主要的科研领域，也是本科教学的重要培养方向，从培养计划、培养方案的制订，到各课程大纲的执行，在强调夯实基础的同时，特别围绕着无人驾驶这一方向打造学校特色。应用型实践是培养学生实际工程能力的重要手段，试验区研发的“小旋风”系列无人驾驶低速场地电动车教学平台已初步应用于本科的人才培养环节中，在科教融合方面积累了一定的经验。

1 科教融合的内涵与主要模式

1.1 科教融合的内涵分析

科教融合，顾名思义是科研与教学的融合，而所谓融合则必然不是简单的结合，而是“你中有我”“我中有你”，是彼此促进、相辅相成。1806年德国洪堡提出的“科研与教学相统一”的原则奠定了大学科教融合思想的基础，1998年美国《博耶报告》强调 “以科教融合重建本科教育”，同时强调实践环节将基础性或应用性的科研与学生兴趣的结合，使学生既完成相应科研项目，同时又能履行社会服务职能[3-4]。人才培养一直是大学的根本任务，大学的教学与科研也均须为这一根本任务服务。但随着科学技术和高等教育的发展变革，大学逐步成为了前沿理论与先进技术的“发动机”。微观上来讲，教师个体在教学和科研两个方面的具体工作中会有所侧重，国内很多高校也将教师岗位类型划分成教学为主型、教学科研型、科研为主型3类；宏观上来看，高校的教学和科研不分伯仲，且教学和科研之间也存在着相互促进的作用。

科教融合是高校在“充分认识开展科学研究对于支撑人才培养和促进质量提升的重要作用”后将“理念转化为实践”的举措，既包括“在科研过程中实现教育”，也包括在教学过程中引入科研成果反哺教育[5-6]。

1.2 科教融合的主要模式

在我国，科教融合以大学为主导，研究院所、行业企业共同促进。世界各国模式的不同主要体现在管理体制上，由于历史的原因，俄国与中国的模式有苏联国家集权体制的痕迹，大学和科研机构均具有科研与教育两项职能[7]。

北京联合大学经过多年办学经验的总结，明确提出了“建设高水平、有特色、首都人民满意的城市型、应用型大学”的发展目标[8]。机器人学院试验区在李德毅院士的带领下，将分隔的垂直学科划分，转变为交叉、协作式的科学研究，采取科学任务带动创新人才培养模式，注重能力导向、科研训练、应用创新的递进式教学过程，注重多学科专业交叉融合、产学研深度结合、全程项目驱动的教学模式。

创建之初，院长李德毅院士就提出了“科学任务带动人才培养，载体汇聚学科”的科教融合教育模式，并在2018年“全国高校人工智能学院院长/系主任论坛”上指出“工科开展人工智能教育是一项使命感紧迫和目的性明确的事业，和专业越分越细相比，北京联合大学机器人学院以明确的载体汇聚不同学科专业，问题导向，跨专业学知识，更学本领，以培养智能机器人产业人才为目标，探索中国智能产业人才的培养体系、课程设置、试验平台、成果转化方法等”。学院以“小旋风”系列低速无人驾驶场地电动车平台（如图1所示）为载体，以兴趣活动的形式贯穿4年本科的新工科教育改革实践。

图1 “小旋风”系列低速无人驾驶场地电动车平台

2 应用型大学科教融合的特征

在科教融合、校企联合的理念下审视应用型大学的核心竞争能力，应是学生的知识应用和创新能力[9]。与研究型大学不同，应用型大学更注重培养学生理论知识在实践中的运用能力，因此，其科教融合也有着自身的特征，如支持力度强、学生参与度高、科研成果更加适宜工程应用等。

2.1 支持力度强

在国家相关政策的引导下，省部级、一些地方政府以及高校自身在高校教师科技创新方面加大了投入并予以一定的科研奖励。与研究型大学相比，应用型大学在人、财、物的投入上相对更侧重于教学。而对于科教融合的研究型高校中往往是以教研项目或教改项目予以支持，换句话说，科研上的支持一般仅用于科研，而教学上的支持既包括教学本身也包括促进教学的其他手段，无疑科教融合是其中的一个重要组成部分。因此，应用型大学对于科教融合在政策、经费、配套服务等方面的支持力度更大，学校的重视程度更高。从另一个视角来看，科教融合本身也是科研应用于教育的体现，符合应用型大学的办学定位。

2.2 学生参与度高

与研究型大学不同，应用型大学的科教融合并不进行高深理论的研究与再创新，因此，对学生的理论功底要求相对低一些。学生在参与教师科研项目过程中，往往通过结合行业实际应用，能够更直观、更清晰、更透彻地理解知识应用的过程，进而转化为工程能力。相较研究型大学，应用型大学的学生基础薄弱是客观事实，他们不能更不愿去进行繁杂艰深的理论推导、仿真计算等工作，而对实际工程应用表现出更大的兴趣。北京联合大学机器人学院“小旋风”兴趣活动小组学生的参与度超过了50%，且每一组都是由电子信息工程、软件工程、自动控制等跨专业的学生组队，各组均由学校智能车团队一线教师统筹指导，学生在参与项目掌握技术的同时，也逐步形成了团队协作意识和奉献精神。

2.3 科研成果更加贴近工程应用

应用型大学中虽然不乏一些学校在部分学科上以前沿理论研究为主攻方向，但总体来说，还是以贴近行业的工程应用项目和突破关键技术问题的研究项目为主。因此，应用型大学的科研成果往往和产业需求更为贴合，更接地气，其科研产出的表现形式往往是行业应用，而不是高水平学术论文，这样的成果对于应用型大学的人才培养来说，也更适宜转变为教案、讲义、实践教学内容等课程资源。

3 科教融合下的应用型实践课程建设思路与实施步骤

科教融合下的应用型实践课程重点在于合适的科研成果的合理转化，北京联合大学机器人学院“小旋风”兴趣活动小组贯穿相关专业4年本科生涯，但这一人才培养模式的实施也需要其他课程的“保驾护航”，特别是实践类课程更直接影响到学生对于“小旋风”相关无人驾驶技术的掌握情况。因此，以“小旋风”无人驾驶低速场地电动车科研成果为依托，构建应用型实践课程有着非常重要的意义。

3.1 设计实践教学方案

通过梳理无人驾驶相关技术，遴选出适合转化为实践教学内容的部分，并应用于各实践类课程中。

无人驾驶技术主要包括感知、决策、控制和交互4个部分，感知包括雷达（激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等）、卫星定位导航系统（GNSS-RTK差分定位系统，IMU/INS惯导系统等）、图像（单目相机、双目相机、红外相机等）等传感器系统，决策涉及传感器融合、路径规划、障碍物识别等诸多算法，控制包括横向控制（转向系统）、纵向控制（油门、档位、制动等）和辅助控制（灯光、座椅调节、车门、雨刷、空调等），交互涉及语音识别、语义解析、远程互动、手势识别等。可见，无人驾驶涉及技术较为庞杂，转化为实践教学内容需要根据授课对象和目标课程特点进行开发。图2给出了一种分解无人驾驶技术并映射到应用型实践类课程中的方案。

图2 无人驾驶技术到应用型实践课程的映射

3.2 实践教学案例开发

在对无人驾驶相关技术进行梳理分解的基础上，综合考虑专业特点、学时、学生接受度、教学载体可行性等诸多要素，设计教学案例。在实践教学中，注重学生已掌握的基础理论知识与无人驾驶技术工程实际的有机结合，注重前沿技术的最新进展对实践教学案例的丰富与补充，注重教学案例对学生团队协作意识的培养，注重学生实际动手能力与动脑能力的并行提升。

3.3 沉浸式、互动式的教学方式

和谐有效的教学具有动态性的特征，实践教学在教学载体上有客观性的特征，在授课对象上有自觉能动性的要求，因此，教学方式的可接受度直接影响教学效果。现代教育观点认为高等教育应“以学为本”而不是“以教为本”，强调学生在学习过程中的主体作用，因而对于应用型实践教学的设计，如何调动学生的主观能动性尤为重要。无人驾驶相关技术在转化为教学内容时，需要充分考虑学生的兴趣点以及对学生未来深造、就业的影响。沉浸式教学能够更好地调动学生的主观能动性，学生可以利用实践教学案例，“扮演”开发人员、测试人员、标杆司机、黑客、乘客等多种角色，全方面多视角地理解无人驾驶涉及的关键技术以及当前阶段尚未解决的问题。

“多维讨论”（教学内容、技术发展、团队合作、实践效果等多个维度）式的互动教学，使学生在了解相关技术最新进展的同时，也加深对实践内容的掌握与理解，了解相关技术的发展趋势、应用前景。

4 应用型实践课程实施科教融合的难点

科教融合的重要性和必要性无须赘言，然而在其应用于实践课程的具体实施过程当中，客观存在着诸多难点，至少包括以下几个方面。

4.1 教师综合能力的高要求

科教融合的实施对教师在科研能力和教学水平两个方面都提出了比较高的要求，此外还须掌握一定的技巧将两者融会贯通。事实上，对于高校教师而言，无论是科研还是教学，任何一个方面能做好都需要付出足够的时间和精力，教师很难做到适宜合理的均衡，往往是专注于科研的在教学理念、教学方法、教学内容上缺乏深耕，醉心于教学的在科研成果上差强人意。然而也应当意识到，科研和教学并非是割裂的或者是矛盾的，而是存在着相辅相成、能够互相促进的关系，且在更深层次的思维方式上，科研与教学也有着相通之处，诚如宋代教育家程颐所说“天下之理一也，途虽殊而其归则同，虑虽百而其致则一”。

高校教师在科研和教学上的侧重点不同，必然导致相应的经验、能力也不同，科教融合的实施虽对教师的综合能力提出了更高的要求，但也可以通过构建“科研能力强或教学经验丰富”的复合型教师队伍来开展，而不是一味寻求“科研能力强且教学经验丰富”的复合型教师。

4.2 科教融合点的选取

科教融合点的选取在应用型实践课程中是一个需要直接面对的难点。由科研成果转化的课程资源既要涵盖课程所须传授的知识点，又要能够培养学生相应的动脑动手能力和工程实践能力；既要体现前沿性、先进性，又不能超出学生的接受能力范围；既要考虑与先修课程、后续课程的衔接性，又要保证实践教学内容的完整性、可持续性；既要确保教学过程的严谨性，又不可抹杀学生的好奇心、求知欲。

因此，科教融合点的选取应当在分析授课对象特点和科研成果适应性特征的基础上，制定相应的选取原则，将科研成果进行有效分解、转化，使其成为可操作、能吸收、好营养的优质课程资源。

4.3 现有教学体系的兼容性

科教融合本质上仍是一种人才培养的途径，仍须与现有教学体系兼容，而现有教学体系一般是基于专业的。一方面，社会分工的加剧，导致知识的分类日益深化、专门化，教学体系的制定也是围绕着各自专业人才培养的目标和特点；另一方面，科研成果往往是基于更为复杂的、跨学科的知识取得。教学体系会在某一专业方向的纵深上循序渐进地展开，而应用型科研成果的形成却经常是跨专业、横向延展的，这一现象使得科研成果和教学体系间并不是一种紧密贴合的关系，而是在若干知识点、技术点上产生交集，进而导致由科研成果衍生的实践课程资源与现有教学体系存在兼容性的问题。

这一问题很难通过广义上调整教学体系来适应科教融合，一方面教学体系的制定和修订需要统筹考量诸多要素，另一方面各校的教学体系也存在制度经济学中的“路径依赖”（即一旦进入某一路径，就可能对这种路径产生依赖，惯性力量会使这一选择不断自我强化，轻易走不出去，严重者甚至出现制度“锁定”）。然而面对科教融合与现有教学体系的兼容性问题，从治标角度来看，可以考虑根据科研成果的具体情况设置跨专业的应用型实践课程，也可以将科研成果碎片化，化繁为简、以简驭繁，配合不同专业的教学体系。

科教融合下的应用型实践课程建设除上所述难点之外，还有诸如评价机制的客观性与导向性、课程管理、跨专业知识重构等问题，但是作为创新人才培养的重要途径，深化和加强科教融合教学模式是高等教育的必然选择。

5 结 语

科教融合有利于高校优化人才培养模式，教师在将科研成果转化为应用型实践课程资源的过程中，也必将提升自身科研和教学的业务能力，学生作为直接受益者，将得到更为优质的教育，贴合行业背景的应用型实践课程将使学生更容易获得企业的认可。事实证明，作为现代高等教育的核心理念，科教融合已经成为当今时代大科学、大教育发展的基本趋势。在实施科教兴国、建设科技强国、创新驱动发展等一系列国家战略框架中，应用型大学应当树立和坚持科教融合理念，可持续地进行政策支持与激励，全面提高高等教育质量。