新工科與大數(shù)據(jù)

言 十

編者按：上期刊發(fā)了《新工科建設(shè)與系統(tǒng)能力培養(yǎng)》，針對(duì)新工科建設(shè)中數(shù)量最多、影響最大的計(jì)算機(jī)類專業(yè)中的系統(tǒng)能力培養(yǎng)進(jìn)行探討，引起很大反響，受到讀者的廣泛歡迎。本期繼續(xù)以新工科建設(shè)為背景，探討“新”的涵義，分析“新”時(shí)代的特征、面臨的“新”問題及解決方法。

0 引言

所謂工科，是指應(yīng)用科學(xué)原理、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐所積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)而發(fā)展起來的學(xué)科[1]。主要特征有三：一是依據(jù)一定的科學(xué)技術(shù)原理；二是造出人工物（機(jī)器）；三是解決實(shí)際問題。

現(xiàn)在我們談?wù)撔鹿た?，就得在新字上下工夫，這個(gè)“新”的含義是什么？ 通常而言，任何影響工科要素的改變都可能帶來新的變化，也就是說任何基礎(chǔ)科學(xué)原理的重大突破、人工物載體的變化或者需要解決問題的變化都可能帶來新的巨變。

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”[2-3]，并發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，形成了影響全國的新工科建設(shè)運(yùn)動(dòng)。這里面，既有中國教育界不甘人后、積極探索工程教育的中國模式和中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)乃至領(lǐng)跑全球工程教育的沖動(dòng)，又有教育界主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略實(shí)施的真實(shí)愿望。新工科并不一定緣于科學(xué)原理方面的重大突破而產(chǎn)生。

根據(jù)這一判斷，新工科的“新”主要體現(xiàn)在：我們面臨的問題是新的，需要制造的工具是新的，歸根結(jié)底是由于時(shí)代的變化引起的。為此，我們有必要分析一下這個(gè)時(shí)代的新特征、面臨的新問題以及解決問題的新方法是什么，而通過分析這些新特征、新問題和新方法可以發(fā)現(xiàn)，每一件與社會(huì)息息相關(guān)的事情都離不開大數(shù)據(jù)。

1 新時(shí)代：數(shù)字社會(huì)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)

雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)明到今天才70多年，但是計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響是深遠(yuǎn)的，因?yàn)樗沟眯畔⒛鼙槐磉_(dá)、存儲(chǔ)、傳輸、處理，這使得信息如同物理世界的物體一樣，成為一個(gè)感受得到的真實(shí)存在?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的信息通訊技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，我們所處的時(shí)代正迅速進(jìn)入信息時(shí)代。就全球擁有的信息總量來看，我們已經(jīng)進(jìn)入ZB級(jí)階段，而且存儲(chǔ)的信息總量還在以指數(shù)級(jí)的速度增長。以BAT公司為例，他們所擁有的數(shù)據(jù)總量都在1000 PB以上。黨的十九大明確提出“數(shù)字中國”的概念，國務(wù)院積極推行“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)綱要、大數(shù)據(jù)行動(dòng)綱要等，無不指向這樣一個(gè)事實(shí)，那就是互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)給我們的社會(huì)生活帶來深遠(yuǎn)的影響，而且今后還會(huì)越來越大。數(shù)字經(jīng)濟(jì)是這個(gè)時(shí)代給予我們的歷史機(jī)遇，抓住了這個(gè)機(jī)遇，中華民族的偉大復(fù)興之夢就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

為什么數(shù)字社會(huì)這么重要呢？關(guān)鍵就在于數(shù)據(jù)是這個(gè)時(shí)代的新動(dòng)能（power）！我們都知道電是工業(yè)社會(huì)的動(dòng)能，幾乎一切的機(jī)械設(shè)備都需要電提供能源和動(dòng)力；同樣，數(shù)據(jù)是新時(shí)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的新動(dòng)能，新的機(jī)械設(shè)備需要數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)。這種乍聽起來天方夜譚的事情，其實(shí)背后有著深刻的合理邏輯。

舉個(gè)例子，最近馬云在一個(gè)活動(dòng)中講到，服務(wù)業(yè)是制造業(yè)，制造業(yè)也是服務(wù)業(yè)。他的邏輯如下：服務(wù)業(yè)（如餐飲）除了最后一道工序體現(xiàn)的是服務(wù)之外，其他所有環(huán)節(jié)，包括原材料進(jìn)貨、食品加工和配送等都是典型的制造業(yè)；同樣，現(xiàn)代制造業(yè)如果不考慮服務(wù)的因素，就不具有競爭力，例如，服裝生產(chǎn)是典型的制造業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)可以量身定制，可以根據(jù)客戶的個(gè)性化需求進(jìn)行生產(chǎn)制造，這難道不是服務(wù)業(yè)嗎？這種制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的融合，前提就是因?yàn)橛谢ヂ?lián)網(wǎng)的支撐和大數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)。新工科是為這個(gè)時(shí)代服務(wù)的，這個(gè)時(shí)代的“機(jī)器”一定是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的。

還有一個(gè)理解數(shù)字經(jīng)濟(jì)中數(shù)據(jù)重要性的角度是“數(shù)字孿生”的概念。所謂數(shù)字孿生，是指一個(gè)物理世界的對(duì)象（機(jī)器）在數(shù)字空間中可以有一個(gè)數(shù)字孿生體存在，通過各種傳感器，可以實(shí)時(shí)地捕獲物理世界對(duì)象的狀態(tài)并在數(shù)據(jù)空間中反映出來；同樣，數(shù)字孿生的任何改變，都可以通過控制器等影響物理世界對(duì)象的行為。這種虛實(shí)結(jié)合融為一體的狀況將是未來數(shù)字社會(huì)的一種普遍現(xiàn)象，數(shù)據(jù)在其中扮演越來越重要的角色。

2 新問題：大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、利用和治理

數(shù)字社會(huì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)帶來的新問題是什么？核心就是大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、利用、治理等全生命周期中的問題。這些問題既有作為信息技術(shù)的共通問題，又有領(lǐng)域特殊問題，特別是如何利用的問題，關(guān)乎領(lǐng)域的核心價(jià)值。如果從工程學(xué)科的角度看，新問題就是如何構(gòu)建和利用數(shù)字孿生體的問題。

以風(fēng)電制造業(yè)為例，如果只考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造生產(chǎn)，這就是傳統(tǒng)的制造業(yè)，但是我們都知道風(fēng)電很難利用，屬于“垃圾能源”，需要的時(shí)候沒風(fēng)，電發(fā)不出來，風(fēng)大的時(shí)候又可能不需要用電。因此，如果不能很好地解決風(fēng)電需求預(yù)測與風(fēng)力預(yù)測的問題，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)難以發(fā)展壯大。現(xiàn)在有了大數(shù)據(jù)，這個(gè)問題就可以迎刃而解。如果我們不僅僅制造出風(fēng)機(jī)，還造出風(fēng)機(jī)的數(shù)字孿生體，不僅僅擁有單一的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，還包括風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，并與電力使用情況和天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行連接，那么通過對(duì)電力需求數(shù)據(jù)和天氣情況的預(yù)測，就可以科學(xué)安排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行；同時(shí)，通過對(duì)數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)（風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況）分析，可以預(yù)防和排除可能的故障，減少運(yùn)營中的不確定性風(fēng)險(xiǎn)?？梢哉f，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為風(fēng)機(jī)生產(chǎn)制造和運(yùn)維中不可或缺的重要組成部分。在專業(yè)教育中，相關(guān)的專業(yè)人才培養(yǎng)尤其需要面對(duì)這些產(chǎn)業(yè)中的新問題，并學(xué)會(huì)如何解決這些新問題。

3 新方法：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的解決問題方法

數(shù)據(jù)科學(xué)（data science）被認(rèn)為是繼實(shí)驗(yàn)觀察、理論推導(dǎo)、計(jì)算機(jī)模擬后的第四科學(xué)研究范式，已經(jīng)對(duì)天文學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究產(chǎn)生了重要的影響，如基因測序所形成的基因大數(shù)據(jù)，將生命科學(xué)的研究從實(shí)驗(yàn)科學(xué)帶進(jìn)數(shù)據(jù)科學(xué)。不僅如此，對(duì)于社會(huì)科學(xué)而言，用數(shù)學(xué)的方法難以精確建立模型，取而代之，大數(shù)據(jù)是社會(huì)系統(tǒng)非常自然的模型。馬克思說人是一切社會(huì)關(guān)系的總和，而社會(huì)關(guān)系就是人通過“勞動(dòng)”與外界交互而形成的。如果有能力記錄人的全部交互行為，在很大程度上就可以描述人和社會(huì)，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的研究進(jìn)展也充分地說明了這一點(diǎn)。Science上曾刊登過一個(gè)研究成果[4]，利用從文獻(xiàn)中獲得的歐洲歷史上名人的出生地和死亡地的數(shù)據(jù)，得出了“條條道路通羅馬”的結(jié)論，也就是很多名人出生地沒有什么規(guī)律，但是死亡地都是在羅馬。無疑，羅馬就是歷史上歐洲的中心。這是大數(shù)據(jù)在歷史學(xué)研究中的一個(gè)具體例子。因此，數(shù)據(jù)科學(xué)是新的研究范式。

不僅如此，數(shù)據(jù)科學(xué)也是新的工作方式。當(dāng)遇到復(fù)雜問題的時(shí)候，可以求助于大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)是歷史經(jīng)驗(yàn)的積累，通過歷史經(jīng)驗(yàn)，我們可以挖掘規(guī)律、學(xué)習(xí)模型、預(yù)測監(jiān)測、決策判斷，甚至將人納入整個(gè)系統(tǒng)中，成為人機(jī)物融合系統(tǒng)的一部分，這是傳統(tǒng)自動(dòng)化機(jī)器系統(tǒng)所不具備的。舉個(gè)例子，旅行路線規(guī)劃問題是典型的圖論中的最短路徑問題，但是，當(dāng)圖的規(guī)模變得越來越大時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)算法就不靈了。如果記錄了日常旅行的路徑，這是人的智慧的積累，這個(gè)時(shí)候只要做些簡單的統(tǒng)計(jì)，找到適當(dāng)?shù)姆诸?，就可以提供可行的旅行路徑?guī)劃建議……這就是大數(shù)據(jù)方法，與傳統(tǒng)的研究方法不一樣。新時(shí)代的人才不僅僅要掌握傳統(tǒng)的科學(xué)研究范式，還需要掌握新的基于大數(shù)據(jù)的研究范式。

4 新能力：掌握大數(shù)據(jù)方法是新工科學(xué)生必須具備的一種能力

如果掌握大數(shù)據(jù)方法是未來新工科人才需要具備的基本素質(zhì)，那么怎樣才能培養(yǎng)這種素質(zhì)呢？這是一個(gè)大問題，需要所有的教育工作者認(rèn)真研究和實(shí)踐才能給出好的答案。我們姑且在這里提出一個(gè)初步而籠統(tǒng)的框架。

首先，需要一門數(shù)據(jù)科學(xué)的基礎(chǔ)課程，利用一種工具（如python）的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)科學(xué)的基本概念，熟悉數(shù)據(jù)處理的過程，特別是數(shù)據(jù)分析的基本技術(shù)手段，養(yǎng)成解決問題需要求助大數(shù)據(jù)的習(xí)慣（當(dāng)然并不是所有問題都需要大數(shù)據(jù)，對(duì)于那些模型難以建立和傳統(tǒng)的科學(xué)方法還無能為力的復(fù)雜問題才適用大數(shù)據(jù)方法）。

其次，需要一門數(shù)據(jù)科學(xué)的高級(jí)應(yīng)用課程，結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一門物理系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)融合的新課程，體現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法在其中的作用。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生可以培養(yǎng)運(yùn)用大數(shù)據(jù)解決工程領(lǐng)域復(fù)雜問題的新能力。

最后，要營造“產(chǎn)教結(jié)合、協(xié)同育人”的大數(shù)據(jù)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，結(jié)合大數(shù)據(jù)領(lǐng)域或大數(shù)據(jù)行業(yè)的典型應(yīng)用問題，開展問題導(dǎo)向的案例式、啟發(fā)式、互動(dòng)式及探究式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決大數(shù)據(jù)領(lǐng)域或大數(shù)據(jù)行業(yè)實(shí)際問題的思維能力和動(dòng)手能力。

5 結(jié)語

新工科建設(shè)要面向數(shù)字社會(huì)發(fā)展的需求，為數(shù)字社會(huì)培養(yǎng)人才。數(shù)據(jù)是數(shù)字社會(huì)的新動(dòng)能，要充分認(rèn)識(shí)大數(shù)據(jù)在新工科建設(shè)中的作用，自覺運(yùn)用大數(shù)據(jù)的能力是新時(shí)代人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)之一。