人工智能本科专业知识体系与课程设置_郑南宁主编_9787302537052

内容简介
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序言
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目录

本书针对高等学校人工智能本科专业人才培养的专业内涵、定位和知识体系,设置了数学与统
计、科学与工程、计算机科学与技术、人工智能核心、认知与神经科学、先进机器人技术、人工智能与
社会、人工智能工具与平台等课程群,重点介绍了八大课程群中各门课程的概况和知识点,为培养具
有科学家素养的工程师奠定知识和能力的基础。
本书可为各类学校人工智能专业构建宽口径和学科交叉的课程体系提供参考和引导示范,同时
也可为研究生相关课程体系建设和专业学习提供指引。

本书作为人工智能人才培养极为关键的本科阶段课程体系的指引，希望使学生能掌握扎实的人工智能基础理论与方法，拥有特色的学科交叉背景，具有开启人工智能终极智慧之门的潜质，为中国培养高层次人工智能人才奠定坚实的基础，做出具有历史性意义的贡献！
2. 国内首次披露辐射环境模拟和结合集成电路仿真的多层次辐射效应数值仿真技术。
3. 国内首次介绍基于商用CMOS集成电路工艺的集成电路的抗辐射加固设计方法学。
4. 理论和实际相结合，系统总结了经典CMOS集成电路的抗辐射加固设计策略和电路。

PREFACE

前言

40亿年以来,地球上的生命遵循着最基本的自然进化法则缓慢地演化。然而,随着人工智能等科学技术的发展,人类历史上将会出现按照有机化学规则演变的生命和无机的智慧生命并存的形态,或者说人类有可能利用计算机和人工智能去设计生命。目前,尽管我们无法描述人工智能技术在未来几十年后会形成什么样的具体形态,但可以确定的是,人工智能技术的发展一定会给人类带来革命性的变化,并且这个变化

一定会远超人类过去千年所发生的变化。人工智能将成为未来30年影响最大的技术革命。

近年来,布局发展人工智能已经成为世界许多国家的共识与行动。中国高度重视人工智能的发展,习近平总书记多次重要讲话强调加快人工智能发展的重要性和紧迫性,强调人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量,加快发展新一代人工智能是事关我国能否抓住新一轮科技革命和产业变革机遇的战略问题要加强人才队伍建设,以更大的决心、更有力的措施,打造多种形式的高层次人才培养平台,加强后备人才培养力度,为科技和产业发展提供更加充分的人才支撑。

2017年起,人工智能已连续三年写入《政府工作报告》,加快新一代人工智能发展已成为国家重大战略。2017年7月,国务院正式发布《新一代人工智能发展规划》,将我国人工智能技术与产业的发展上升为国家重大发展战略,提出要完善人工智能教育体系。2018年4月,为贯彻落实国家《新一代人工智能发展规划》,教育部印发了《高等学校人工智能创新行动计划》,明确提出了设立人工智能专业、推动人工智能领域一级学科建设、建立人工智能学院以及完善人工智能领域人才培养体系等重要任务。今年3月,教育部批准全国35所大学建设首批人工智能新本科专业。

早在1986年,西安交通大学率先在人工智能领域成立了我国第一个专职科研机

人工智能与机器人研究所(简称人机所),依托模式识别与智能系统国家重点二级学科开展教学、科研和人才培养工作,并逐步形成了独特的育人文化,培养了一批学术界和产业界的领军人才,成为高水平创新人才培养的重要基地。30余年来,人机所始终坚持人工智能,特别是计算机视觉与模式识别的应用基础理论研究,并积极与国家重大需求相结合,培养了以人工智能领域世界一流科学家孙剑为代表的一大批

人工智能本科专业知识体系与课程设置

优秀人才,取得了一系列重大科研成果,获国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金首批资助,成为视觉信息处理与应用国家工程实验室、教育部和国家外国专家局机器视觉与认知计算高等学校学科创新引智基地、教育部混合增强智能示范中心、认知科学与工程国际研究中心的支撑单位,为西安交通大学在人工智能领域奠定了坚实的基础,有力支撑了我国人工智能发展。

为满足国家重大战略需求,服务国家和地方社会经济发展,紧抓人工智能发展的重大历史机遇,充分发挥西安交通大学在人工智能方向上的学科发展和人才培养优势,加快人工智能创新人才培养,2017年由中国工程院院士郑南宁教授领衔,在学校的大力支持下,创办了人工智能拔尖人才培养试验班,探索培养人工智能方向本科生,并于2018年招收第一批本科生。2018年11月在人机所的基础上成立了人工智能学院,2019年3月获教育部首批人工智能本科新专业建设资格。

人工智能具有多学科综合、高度复杂的特征以及渗透力和支撑性强等特点,其课程体系必须以学科交叉为重要指导思想。因此,人工智能人才培养具有高度的挑战性。人工智能专业的建设目标是培养扎实掌握人工智能基础理论、基本方法、应用工程与技术,熟悉人工智能相关交叉学科知识,具备科学素养、实践能力、创新能力、系统思维能力、产业视角与国际视野,未来能在我国人工智能学科与产业技术发展中发挥重要作用,并有潜力成长为一流的人工智能领域人才。

2017年初开始,历经两年多的深入研讨和推敲,借鉴国际一流大学人工智能方向的课程设置和培养理念,最终形成了包括数学与统计、科学与工程、计算机科学与技术、人工智能核心、认知与神经科学、人工智能与社会、先进机器人技术、人工智能工具与平台等八大课程群计37门课程,其中必修25门、选修12门(完成所需学分须选修其中7门)。在实践方面,特设了专业综合性实验课程群,培养学生综合运用所学知识动手解决实际问题的能力,使学生培养达到脑与手相结合的目标。

经过严格遴选,教学团队以西安交通大学人工智能学院教师为主体,特聘校内其他院系的优秀教师以及国内外知名高校、科研机构和人工智能企业的知名专家。例

,计算机科学与人工智能的数学基础将由具有数学教育背景,并从事人工智能领域研究的教授讲授;理论计算机科学的重要思想特邀在国内理论计算机领域享有著名声誉的南京大学教授主讲;认知心理学基础特聘了陕西师范大学心理学院知名教授授课;人工智能的科学理解将由在科研与教学有着丰富实践和深刻洞见的资深教授讲授;机器学习工具与平台将由微软亚洲研究院专家参与授课等。

在当前第四次技术革命的背景下,中国不仅需要培养出更多的人工智能领域人才,更要培养出高层次乃至世界顶尖的人工智能人才。本书作为人工智能人才培养极

前言

为关键的本科阶段课程体系的指导,希望使学生能掌握扎实的人工智能基础理论与方法,拥有特色的学科交叉背景,具有开启人工智能终极智慧之门的潜质,为中国培养高层次人工智能人才奠定坚实的基础,做出具有历史性意义的贡献!

本书难免还存在一些缺点和不足,殷切希望广大国内同仁和读者批评指正!

西安交通大学人工智能学院

本科专业知识体系建设与课程设置工作组

2019年7月

郑南宁,1952年12月19日出生于江苏省南京市，人工智能、计算机视觉与模式识别专家，IEEE fellow。1975年毕业于西安交通大学电机工程系,1981年获西安交通大学工学硕士学位，1985年获日本庆应大学工学博士学位。曾任国家高技术研究发展计划（即863计划）信息领域首席科学家、国家信息化第一届专家咨询委员会委员、西安交通大学校长（2003年8月2014年4月）。现任西安交通大学人工智能与机器人研究所教授、视觉信息处理及应用国家工程实验室理事长、国务院学位委员会委员、中国自动化学会理事长、中国认知科学学会创会副理事长、国际模式识别协会（IAPR）中国代表、国家科技重大专项核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品（即核高基）咨询专家委员会主任（2011年），曾任陕西省科学技术协会主席(2002年2014年)。[1]
1999年当选为中国工程院院士。

CONTENTS

第1章

1.1

1.2

1.3

第2章

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

第3章

3.1

3.2

3.3

人工智能及人才培养定位

人工智能

人才培养国家需求

本科专业人才培养定位

培养方案

培养目标

培养方式

专业知识体系

专业课程设置

学期安排

毕业要求

数学与统计课程群

工科数学分析教学大纲

3.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

3.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

3.1.5 实验环节(Experiments)

线性代数与解析几何教学大纲

3.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

3.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

计算机科学与人工智能的数学基础教学大纲

001

002

003

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005

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009

010

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024

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028

035

人工智能本科专业知识体系与课程设置

3.4

3.5

3.6

3.7

第4章

4.1

3.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.3.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
3.3.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

概率统计与随机过程教学大纲

3.4.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.4.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.4.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
3.4.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

复变函数与积分变换教学大纲

3.5.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.5.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.5.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
3.5.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

博弈论教学大纲

3.6.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.6.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.6.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
3.6.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

信息论教学大纲

3.7.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

3.7.2 课程基本情况(CourseArrangements)

3.7.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
3.7.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

科学与工程课程群

大学物理(含实验)教学大纲

4.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

4.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

035

038

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075

085

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088

099

101

10

目录

4.2

4.3

4.4

第5章

5.1

4.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
4.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

4.1.5 实验环节:大学物理实验(PhysicsExperiments)

电子技术与系统教学大纲

4.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

4.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

4.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
4.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

4.2.5 实验环节(Experiments)

数字信号处理教学大纲

4.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

4.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

4.3.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
4.3.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

4.3.5 实验环节(Experiments)

现代控制工程教学大纲

4.4.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

4.4.2 课程基本情况(CourseArrangements)

4.4.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
4.4.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

4.4.5 实验环节(Experiments)

计算机科学与技术课程群

计算机程序设计教学大纲

5.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

5.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

5.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
5.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

5.1.5 实验环节(Experiments)

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103

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160

172

11

人工智能本科专业知识体系与课程设置

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

数据结构与算法课程大纲

5.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

5.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

5.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

5.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

5.2.5 实验环节(Experiments)

计算机体系结构课程大纲

5.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

5.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

5.3.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

5.3.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

理论计算机科学的重要思想课程大纲

5.4.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

5.4.2 课程基本情况(CourseArrangements)

5.4.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

5.4.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

3D 计算机图形学教学大纲

5.5.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

5.5.2 课程基本情况(CourseArrangements)

5.5.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

5.5.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

5.5.5 实验环节(Experiments)

智能感知与移动计算课程大纲

5.6.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

5.6.2 课程基本情况(CourseArrangements)

5.6.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

5.6.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

5.6.5 实验环节(Experiments)

173

175

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231

12

目录

第6章

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

人工智能核心课程群

人工智能的现代方法课程大纲

6.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
6.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

自然语言处理课程大纲

6.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
6.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

6.2.5 实验环节(Experiments)

计算机视觉与模式识别课程大纲

6.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.3.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
6.3.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

6.3.5 实验环节(Experiments)

强化学习与自然计算课程大纲

6.4.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.4.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.4.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
6.4.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

人工智能的科学理解课程大纲

6.5.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.5.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.5.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
6.5.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

233

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292

293

13

人工智能本科专业知识体系与课程设置

6.6

6.7

第7章

7.1

7.2

7.3

游戏 AI设计与开发课程大纲

6.6.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.6.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.6.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)
6.6.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

6.6.5 实验环节(Experiments)

虚拟现实与增强现实课程大纲

6.7.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

6.7.2 课程基本情况(CourseArrangements)

6.7.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

6.7.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

6.7.5 实验环节(Experiments)

认知与神经科学课程群

认知心理学基础教学大纲

7.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

7.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

7.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

7.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

7.1.5 实验环节(Experiments)

神经生物学与脑科学教学大纲

7.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

7.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

7.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

7.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

计算神经工程教学大纲
7.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

7.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

7.3.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

7.3.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

299

301

302

308

309

310

311

312

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323

332

334

336

337

344

346

347

14

目录

第8章

8.1

8.2

8.3

8.4

第9章

9.1

先进机器人技术课程群

机器人学基础教学大纲

8.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

8.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

8.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

8.1.4 教学内容及安排(SylabusandKeyPoints)

8.1.5 实验环节(Experiments)

多智能体与人机混合智能教学大纲

8.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

8.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

8.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

8.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

8.2.5 实验环节(Experiments)

认知机器人教学大纲

8.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

8.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

8.3.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

8.3.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

仿生机器人教学大纲

8.4.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

8.4.2 课程基本情况(CourseArrangements)

8.4.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

8.4.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

人工智能与社会课程群

人工智能的哲学基础与伦理教学大纲

9.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

351

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354

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15

人工智能本科专业知识体系与课程设置

9.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

9.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesand BasicRequirements)

9.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

9.2 人工智能的社会风险与法律教学大纲

9.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasicContent)

9.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

9.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

9.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

第10章人工智能工具与平台课程群

10.1 机器学习工具与平台教学大纲

10.1.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasic Content)

10.1.2 课程基本情况(CourseArrangements)

10.1.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

10.1.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

10.1.5 实验环节(Experiments)

10.2 三维深度感知教学大纲

10.2.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasic Content)

10.2.2 课程基本情况(CourseArrangements)

10.2.3 教学目的和基本要求(TeachingObjectivesandBasic Requirements)

10.2.4 课程大纲和知识点(SylabusandKeyPoints)

10.2.5 实验环节(Experiments)

10.3 人工智能芯片设计导论教学大纲

10.3.1 课程目的和基本内容(CourseObjectivesandBasic Content)

10.3.2 课程基本情况(CourseArrangements)

389

390

394

396

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402

403

409

411

413

414

416

417

418

16

目录

10.4

第 11章

11.1

11.2

11.3

1033 教学目的和基本要求(
.. Requirements TeachingObjectivesandBasic 419
.. )
SylabusandKeyPoints 419
1034 课程大纲和知识点( )
.. Experiments 421
1035 实验环节( )
无人驾驶平台教学大纲 CourseObjectivesandBasic 422
..
1041 课程目的和基本内容(
Content 423
.. )
CourseArrangements 425
1042 课程基本情况( )
.. TeachingObjectivesandBasic
1043 教学目的和基本要求(
Requirements 426
10.4.4 )
SylabusandKeyPoints 427
课程大纲和知识点( )

专业综合性实验 432
机器人导航技术实验教学大纲 432
1111 课程目的和基本内容(
.. CourseObjectivesandBasic
Content 432
.. )
CourseArrangements 433
1112 课程基本情况( )
.. ExperimentObjectivesandBasic
1113 实验目的和基本要求(
Requirements 434
.. )
ExperimentSylabusandKeyPoints
1114 实验大纲和知识点( )434
自主无人系统实验教学大纲 437
.. CourseObjectivesandBasic
1121 课程目的和基本内容(
Content 438
.. )
CourseArrangements 439
1122 课程基本情况( )
.. ExperimentObjectivesandBasic
1123 实验目的和基本要求(
Requirements 439
.. )
ExperimentSylabusandKeyPoints
1124 实验大纲和知识点( )440
虚拟现实与仿真实验教学大纲 441
.. CourseObjectivesandBasic
1131 课程目的和基本内容(
Content 442
.. )
CourseArrangements 443
1132 课程基本情况( )
.. ExperimentObjectivesandBasic
1133 实验目的和基本要求(

17

人工智能本科专业知识体系与课程设置
Requirements 443
.. )
ExperimentSylabusandKeyPoints
. 1134 实验大纲和知识点( )444
脑信号处理实验教学大纲 447
114 CourseObjectivesandBasic
..
1141 课程目的和基本内容(
Content 447
.. )
CourseArrangements 448
1142 课程基本情况( )
.. ExperimentObjectivesandBasic
1143 实验目的和基本要求(
Requirements 449
.. )
SylabusandKeyPoints 449
1144 实验大纲和知识点( )
后记 452

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