新工科的興起與智能復(fù)合人才培養(yǎng)的研究

孫 紅，王瑞琪，付東翔，巨志勇，尹 鐘

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)工科已無法滿足市場的需求。面對(duì)以人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)及量子通信為代表的第四次工業(yè)革命帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我們即將迎來一個(gè)全新的世界，而新工科建設(shè)的提出與興起則為我們指明了方向。我們需要探討新工科的智能人才培養(yǎng)方法，特別是“人工智能+X”人才培養(yǎng)的理念和方法。

1 人工智能的教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1.1 人工智能的定義與發(fā)展

一般認(rèn)為，智能主要指一種解決新問題、理性行為行動(dòng)與像人一樣行動(dòng)的能力，即感知認(rèn)識(shí)客觀事物及運(yùn)用知識(shí)解決問題的綜合能力。人工智能則是一門研究如何使用人工方法模擬和實(shí)現(xiàn)人類智能的科學(xué)與工程，是一種以機(jī)器為載體的人類智能和生物智能。

至今，人們對(duì)人工智能的研究主要經(jīng)歷了三次比較大的飛躍階段。人工智能掀起的第一次浪潮開始于1956 年夏季達(dá)特茅斯大學(xué)的學(xué)術(shù)研討會(huì)，符號(hào)主義學(xué)派提出了“人工智能AI（Artificial Intelligence）”這一術(shù)語及研究范疇，從而讓機(jī)器能夠像人一樣認(rèn)知、思考和學(xué)習(xí)，用機(jī)器模擬人類智能的學(xué)科，即人工智能誕生了。符號(hào)主義主要主張采用知識(shí)表達(dá)和邏輯符號(hào)系統(tǒng)來模擬人類的智能，試圖對(duì)智能進(jìn)行宏觀研究。由于人類的理性智能是以知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與推理能力為基礎(chǔ)的，因此符號(hào)推理模型適合模擬人類的理性行為。在第一階段，符號(hào)主義一直在人工智能中處于主導(dǎo)地位，但由于缺乏理論支撐及泛化能力不強(qiáng)，阻礙了符號(hào)推理理論與方法的發(fā)展與大規(guī)模應(yīng)用，引起了人工智能在一段時(shí)間的停滯與挫折。人工智能的第二個(gè)階段始于20 世紀(jì)80 年代聯(lián)結(jié)主義學(xué)派提出的Hopfield 網(wǎng)絡(luò)模型及BP 網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)結(jié)主義認(rèn)為人工智能源于仿生學(xué)，是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)間聯(lián)結(jié)機(jī)制的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論與方法[1]。BP網(wǎng)絡(luò)的提出使多層網(wǎng)絡(luò)的理論模型有所突破，加上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型適用于模擬人類的感知，由于它們能夠處理和利用大數(shù)據(jù)，在圖像處理、模式識(shí)別等方面獲得的廣泛應(yīng)用及其表現(xiàn)出的優(yōu)勢，引起了研究熱潮。然而，通過它們構(gòu)建的系統(tǒng)往往具有不可解釋性、脆弱性、需要大量數(shù)據(jù)等弱點(diǎn)，使其只能在特定場景下使用，且由于計(jì)算資源不足，難以滿足產(chǎn)業(yè)的需求。經(jīng)過幾十年的徘徊與曲折前進(jìn)，人工智能在21 世紀(jì)初期迎來以深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)云計(jì)算為主導(dǎo)的第三次浪潮，計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別、自然語言處理等技術(shù)頻頻取得突破，且準(zhǔn)確率大大提升，逐漸在真實(shí)的商業(yè)市場中熱門起來，扮演起重要的角色。2016 年中國計(jì)算機(jī)大會(huì)提出當(dāng)前已進(jìn)入后深度學(xué)習(xí)時(shí)代，即建立可解釋、強(qiáng)健的人工智能新理論與方法、發(fā)展安全與可信的人工智能新技術(shù)、推動(dòng)人工智能的創(chuàng)新應(yīng)用。

1.2 中國人工智能教育的發(fā)展

近年來，我國人工智能已發(fā)展成國家戰(zhàn)略，人工智能技術(shù)將會(huì)推動(dòng)關(guān)聯(lián)技術(shù)和新興科技、新興產(chǎn)業(yè)的深度融合，是智能制造不可或缺的核心技術(shù)，勢必會(huì)成為我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要支點(diǎn)。1981 年9 月，全國性人工智能組織中國人工智能學(xué)會(huì)（CAAI）成立，標(biāo)志著我國人工智能學(xué)科的誕生。2005 年，北京大學(xué)開設(shè)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)已發(fā)展到全國近30 多所大學(xué)，培養(yǎng)了大批智能專業(yè)人才[2]。2017 年，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出面向2030年我國新一代人工智能發(fā)展的指導(dǎo)思想、戰(zhàn)略目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施；2018 年，教育部關(guān)于印發(fā)《高等教育人工智能創(chuàng)新行動(dòng)》的通知，引導(dǎo)高校需瞄準(zhǔn)當(dāng)前世界科技發(fā)展的前沿，不斷提高其在人工智能領(lǐng)域的科技創(chuàng)新、智能人才培養(yǎng)和國際合作交流等能力，為我國新一代人工智能發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐[3]。目前我國正在建立與規(guī)范各級(jí)人工智能教育，完善人工智能教育體系，鼓勵(lì)高校在原有基礎(chǔ)上拓寬人工智能專業(yè)教育內(nèi)容，著力于培訓(xùn)高素質(zhì)人工智能的人才，且已把人工智能人才培養(yǎng)上升為國家的教育重點(diǎn)。

2 高校傳統(tǒng)工科建設(shè)存在的問題與挑戰(zhàn)

在我國，高校的傳統(tǒng)工科專業(yè)設(shè)置與教學(xué)建設(shè)模式主要存在以下問題：傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式過多，即教師通過粉筆和黑板進(jìn)行授課與講解，憑借教師的口頭講述、板書及肢體語言等進(jìn)行系統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)，而在實(shí)訓(xùn)課程中學(xué)生又缺少工業(yè)級(jí)的真實(shí)行業(yè)案例實(shí)踐，且實(shí)驗(yàn)設(shè)施相對(duì)落后，缺少大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支持。因此，在教學(xué)活動(dòng)中教師占有絕對(duì)的中心地位，學(xué)生獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)較少而處于被動(dòng)地位，教學(xué)模式很難走出“偏真理，少實(shí)戰(zhàn)”的怪圈。在傳統(tǒng)工科建設(shè)中，專業(yè)教學(xué)設(shè)置大多自成體系、過于獨(dú)立，各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域之間的相互關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，缺少多學(xué)科之間的交叉融合性，無法使學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)和了解目前該專業(yè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)市場上的綜合應(yīng)用與發(fā)展。同時(shí)，教材更新較慢，無法緊跟時(shí)代經(jīng)濟(jì)與技術(shù)發(fā)展的步伐，教學(xué)活動(dòng)也缺少貼近市場案例及企業(yè)實(shí)戰(zhàn)需求的教材，使學(xué)生無法深入體會(huì)現(xiàn)有知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

以上問題已嚴(yán)重影響了我國智能專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，也阻礙了學(xué)生發(fā)展面對(duì)新型社會(huì)市場需求的能力及學(xué)生個(gè)人素質(zhì)的進(jìn)一步提高。在當(dāng)今熱門的人工智能時(shí)代，人工智能的發(fā)展需要大量復(fù)合型工科人才，高校的培養(yǎng)教育急切需要對(duì)學(xué)生的能力進(jìn)行重塑和再造，使學(xué)生有創(chuàng)新思維能力、批判思維能力、邏輯分析能力、工程實(shí)踐能力及跨界合作能力等。因此，高校教育必須對(duì)工業(yè)化時(shí)代建立起來的教育體系進(jìn)行重組和重塑，即傳統(tǒng)工科的設(shè)置與建設(shè)急需面臨轉(zhuǎn)型與改革。

3 新工科的興起及對(duì)智能人才的需要

一門學(xué)科的產(chǎn)生，部分原因是為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的步伐。因此，一門學(xué)科的發(fā)展建設(shè)應(yīng)以當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢為向?qū)?，必須順?yīng)社會(huì)發(fā)展進(jìn)行創(chuàng)新改革，才能滿足社會(huì)市場對(duì)人才的需求。從行業(yè)情況來看，大多傳統(tǒng)工科的就業(yè)情況相比往年有下滑的趨勢，這是由市場經(jīng)濟(jì)決定的。而當(dāng)傳統(tǒng)工科與新經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫節(jié)、難以應(yīng)對(duì)當(dāng)今時(shí)代的變革時(shí)，則應(yīng)按需求設(shè)立專業(yè)，使工科專業(yè)朝著復(fù)合程度較好的方向發(fā)展以培養(yǎng)高素質(zhì)的復(fù)合型人才，即不僅要有傳統(tǒng)工科的扎實(shí)基礎(chǔ)底蘊(yùn)，也要對(duì)其他學(xué)科鄰域的知識(shí)有所了解，滿足及適應(yīng)不斷變化的市場需求，這也是“新工科”興起的重要任務(wù)。計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)在教育體系變革中像一個(gè)樞紐和橋梁，它既是傳統(tǒng)工科中的組成成員，也是新工科的領(lǐng)頭人，將傳統(tǒng)工科中的很多問題用一種高效便捷的、科學(xué)準(zhǔn)確的方式解決，同時(shí)幫助傳統(tǒng)工科不斷發(fā)展演化，轉(zhuǎn)型成為新工科。

狹義上，新工科面對(duì)的是新技術(shù)、新經(jīng)濟(jì)和新產(chǎn)業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能等新興數(shù)字技術(shù)為核心，針對(duì)人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等工科專業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新。針對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)及現(xiàn)有的工科專業(yè)，面對(duì)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需要，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展為導(dǎo)向，改革面對(duì)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新形態(tài)和新業(yè)態(tài)，通過信息化、智能化或其他方式轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)更新后的工科專業(yè)。與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。

廣義上，新工科是一種全新的、變革型的教育理念，是未來工科教育適應(yīng)新型科技革命和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的改革方向，涉及全部工程及相關(guān)鄰域?qū)W科專業(yè)的一種整體性變革。新工科著眼于學(xué)科體系間的交叉綜合和更寬廣更深入的鏈條式創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)文理相融、理工協(xié)同、跨界融合。

4 新工科的智能復(fù)合人才培養(yǎng)

日前，教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱《計(jì)劃》），要求推出新工科建設(shè)，重視人工智能與計(jì)算機(jī)、控制、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、社會(huì)學(xué)、法學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合，形成“人工智能+X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式，到2020 年建設(shè) 100 個(gè)“人工智能+X”復(fù)合特色專業(yè)，建立50 家人工智能學(xué)院、研究院或交叉研究中心[3]。《計(jì)劃》指出，對(duì)于新工科的智能人才培養(yǎng)，高校要準(zhǔn)確把握新工科建設(shè)所需的目標(biāo)和要求，在規(guī)劃學(xué)科建設(shè)時(shí)統(tǒng)籌考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，加大力度培養(yǎng)在新興領(lǐng)域工程中的智能科技人才，改造升級(jí)原有的傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)，并創(chuàng)新教學(xué)的建設(shè)組織形式，促進(jìn)形成“理工”“工醫(yī)”“工農(nóng)”“工文”等多學(xué)科交叉的模式。

從單純“以學(xué)科為基礎(chǔ)”向注重“以市場為導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變，應(yīng)該成為高校各類學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)的共識(shí)。這不僅是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高等教育提出的要求，也是高等教育引領(lǐng)社會(huì)進(jìn)步所必須承擔(dān)的責(zé)任和義務(wù)。對(duì)于新工科智能人才的培養(yǎng)，主要包括以下幾個(gè)方面。

4.1 專業(yè)課程核心體系的建設(shè)

專業(yè)課程建設(shè)是學(xué)科建設(shè)的重要方面，是學(xué)科建設(shè)實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)功能的平臺(tái)，而人才培養(yǎng)的質(zhì)量取決于學(xué)科發(fā)展水平的高低，高質(zhì)量的人才培養(yǎng)又促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展水平的提升。新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)社會(huì)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科智能復(fù)合人才。按照新工科的理念，課程內(nèi)容應(yīng)繼承原有的閃光點(diǎn)，融入創(chuàng)新元素，始終面向技術(shù)和科技的前沿，訂制課程及教材內(nèi)容，在課程體系的設(shè)置上應(yīng)體現(xiàn)出人工智能多學(xué)科交叉的相生共融，并在培養(yǎng)方案上強(qiáng)化在一線企業(yè)的創(chuàng)新實(shí)踐和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)。這樣，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與智能科學(xué)技術(shù)來解決實(shí)際問題的能力，并提高學(xué)生在科學(xué)研究、項(xiàng)目開發(fā)、組織管理、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、技術(shù)創(chuàng)新及市場開拓等方面的綜合素質(zhì)。

4.2 新工科與數(shù)字素養(yǎng)教育

數(shù)字素養(yǎng)是在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代中有效參與社會(huì)發(fā)展而具備的基本能力，即利用信息與通信技術(shù)檢索、理解、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造和交流數(shù)字信息的能力，以及在整個(gè)利用數(shù)字信息的過程中必備的認(rèn)知能力及處理技能。它既包括對(duì)數(shù)字資源的接收能力，也包括對(duì)數(shù)字資源的給予能力。在人工智能時(shí)代，數(shù)字素養(yǎng)的三維度模型包括：通識(shí)素養(yǎng)，即具有熟練使用基本的數(shù)字化工具的能力，例如辦公自動(dòng)化軟件、圖像處理軟件、云應(yīng)用、網(wǎng)頁編輯工具等；創(chuàng)新素養(yǎng)，即在已有的通識(shí)素養(yǎng)基礎(chǔ)上掌握一些具有挑戰(zhàn)性的技能，例如音視頻創(chuàng)建與編輯、動(dòng)畫制作、編程、硬件設(shè)備知識(shí)等，進(jìn)而拓展參與創(chuàng)新活動(dòng)的能力；跨學(xué)科素養(yǎng)，即根據(jù)不同學(xué)科的特點(diǎn)進(jìn)行課程融合培養(yǎng)后達(dá)到的能力，例如，計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)字媒體可融入從辦公應(yīng)用到程序設(shè)計(jì)和視頻編輯的任何內(nèi)容，社會(huì)學(xué)可融入在線人際社交行為，心理學(xué)和商學(xué)可融入計(jì)算機(jī)媒介的人機(jī)交互等。

新工科專業(yè)需要培養(yǎng)在人工智能時(shí)代適應(yīng)新技術(shù)革命的發(fā)展、符合新數(shù)字經(jīng)濟(jì)和新產(chǎn)業(yè)需求的智能人才。因此，不失時(shí)機(jī)地開展以數(shù)據(jù)素養(yǎng)及人工智能素養(yǎng)為核心的數(shù)字素養(yǎng)教育顯得尤為必要。在實(shí)施數(shù)字素養(yǎng)的教育活動(dòng)建設(shè)時(shí)，應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：建立數(shù)字素養(yǎng)教育框架，即以社會(huì)市場中的公眾生活需求以及技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要為出發(fā)點(diǎn)，建立出符合我國國情發(fā)展的數(shù)字素養(yǎng)教育框架；實(shí)施數(shù)字素養(yǎng)評(píng)測評(píng)估系統(tǒng)，即構(gòu)建衡量數(shù)字素養(yǎng)的量化指標(biāo)體系，通過設(shè)計(jì)和開發(fā)數(shù)字素養(yǎng)評(píng)測評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)施針對(duì)不同教育層次、不同學(xué)科與專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行數(shù)字素養(yǎng)能力評(píng)測評(píng)估；構(gòu)建數(shù)字素養(yǎng)知識(shí)體系，即將知識(shí)體系細(xì)化為不同的知識(shí)單元，構(gòu)建出可裁剪、積木式的知識(shí)模塊；進(jìn)行數(shù)字素養(yǎng)教學(xué)建設(shè)，即基于數(shù)字素養(yǎng)評(píng)測評(píng)估結(jié)果，實(shí)施針對(duì)數(shù)字素養(yǎng)教育的智能人才培養(yǎng)方案改革轉(zhuǎn)型、課程教材的更新；對(duì)教師進(jìn)行數(shù)字素養(yǎng)的培養(yǎng)，即教師在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)不僅要全面、熟練地掌握對(duì)學(xué)生培養(yǎng)教育所需的數(shù)字素養(yǎng)技術(shù)、方法和理論，而且要能將數(shù)字能力、技術(shù)和知識(shí)深入地貫穿于人才培養(yǎng)的全過程。

4.3 以項(xiàng)目為中心，與工程實(shí)踐教學(xué)體系的無縫融入

新工科培養(yǎng)的質(zhì)量指標(biāo)之一是工程實(shí)踐能力，這是學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決較為復(fù)雜工程問題的重要體現(xiàn)。采用項(xiàng)目案例教學(xué)可將智能工程實(shí)踐的各種實(shí)際情況引入課堂，使學(xué)生融入真實(shí)的工程項(xiàng)目情境中，激發(fā)學(xué)習(xí)研究的興趣[4]。同時(shí)，教師可將人工智能針對(duì)不同課程的教學(xué)大綱分解成多層次的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)子項(xiàng)目，各子項(xiàng)目之間既相對(duì)獨(dú)立又互有關(guān)聯(lián)，學(xué)生可以選擇一個(gè)明確的跨學(xué)科課程和項(xiàng)目組成一個(gè)學(xué)科串，而課程和項(xiàng)目的基礎(chǔ)仍來自學(xué)生本專業(yè)的要求。由于學(xué)科串跨越了專業(yè)的邊界，學(xué)生組成了一個(gè)圍繞共同項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)，可提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，開闊就業(yè)視野。在教師開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)，通過充分考查學(xué)生個(gè)體的認(rèn)知風(fēng)格、學(xué)習(xí)方式等差異，應(yīng)選擇最適合學(xué)生個(gè)體發(fā)展的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)探索與自學(xué)能力，采取項(xiàng)目學(xué)習(xí)、小組學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作、信息化教學(xué)、智慧學(xué)習(xí)等手段，為學(xué)生成為引領(lǐng)未來工程發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

綜上所述，面對(duì)未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求與未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的形態(tài)，新工科的建設(shè)與興起是十分必要且迫切的，其具有很大的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。目前，新工科相關(guān)工作也已呈現(xiàn)從理念到行動(dòng)的轉(zhuǎn)變。對(duì)于新工科的智能復(fù)合人才培養(yǎng)教育，本文也給出了相應(yīng)的建議措施，需要以多學(xué)科交叉融合為指導(dǎo)，不斷面對(duì)學(xué)生及社會(huì)的發(fā)展變化情況進(jìn)行創(chuàng)新探究來完善教學(xué)質(zhì)量，以滿足當(dāng)今社會(huì)人才市場的需求，為科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更加充分的人才支撐。