新工科的兴起与智能复合人才培养的研究

孙 红，王瑞琪，付东翔，巨志勇，尹 钟

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引 言

随着科学技术与社会经济的发展，传统工科已无法满足市场的需求。面对以人工智能、虚拟现实及量子通信为代表的第四次工业革命带来的机遇与挑战，我们即将迎来一个全新的世界，而新工科建设的提出与兴起则为我们指明了方向。我们需要探讨新工科的智能人才培养方法，特别是“人工智能+X”人才培养的理念和方法。

1 人工智能的教育与产业发展

1.1 人工智能的定义与发展

一般认为，智能主要指一种解决新问题、理性行为行动与像人一样行动的能力，即感知认识客观事物及运用知识解决问题的综合能力。人工智能则是一门研究如何使用人工方法模拟和实现人类智能的科学与工程，是一种以机器为载体的人类智能和生物智能。

至今，人们对人工智能的研究主要经历了三次比较大的飞跃阶段。人工智能掀起的第一次浪潮开始于1956 年夏季达特茅斯大学的学术研讨会，符号主义学派提出了“人工智能AI（Artificial Intelligence）”这一术语及研究范畴，从而让机器能够像人一样认知、思考和学习，用机器模拟人类智能的学科，即人工智能诞生了。符号主义主要主张采用知识表达和逻辑符号系统来模拟人类的智能，试图对智能进行宏观研究。由于人类的理性智能是以知识、经验与推理能力为基础的，因此符号推理模型适合模拟人类的理性行为。在第一阶段，符号主义一直在人工智能中处于主导地位，但由于缺乏理论支撑及泛化能力不强，阻碍了符号推理理论与方法的发展与大规模应用，引起了人工智能在一段时间的停滞与挫折。人工智能的第二个阶段始于20 世纪80 年代联结主义学派提出的Hopfield 网络模型及BP 网络，联结主义认为人工智能源于仿生学，是基于神经网络及网络间联结机制的统计学习理论与方法[1]。BP网络的提出使多层网络的理论模型有所突破，加上人工神经网络模型适用于模拟人类的感知，由于它们能够处理和利用大数据，在图像处理、模式识别等方面获得的广泛应用及其表现出的优势，引起了研究热潮。然而，通过它们构建的系统往往具有不可解释性、脆弱性、需要大量数据等弱点，使其只能在特定场景下使用，且由于计算资源不足，难以满足产业的需求。经过几十年的徘徊与曲折前进，人工智能在21 世纪初期迎来以深度学习与大数据云计算为主导的第三次浪潮，计算机视觉、语音识别、自然语言处理等技术频频取得突破，且准确率大大提升，逐渐在真实的商业市场中热门起来，扮演起重要的角色。2016 年中国计算机大会提出当前已进入后深度学习时代，即建立可解释、强健的人工智能新理论与方法、发展安全与可信的人工智能新技术、推动人工智能的创新应用。

1.2 中国人工智能教育的发展

近年来，我国人工智能已发展成国家战略，人工智能技术将会推动关联技术和新兴科技、新兴产业的深度融合，是智能制造不可或缺的核心技术，势必会成为我国经济结构转型升级的重要支点。1981 年9 月，全国性人工智能组织中国人工智能学会（CAAI）成立，标志着我国人工智能学科的诞生。2005 年，北京大学开设智能科学与技术专业，现已发展到全国近30 多所大学，培养了大批智能专业人才[2]。2017 年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，提出面向2030年我国新一代人工智能发展的指导思想、战略目标、重点任务和保障措施；2018 年，教育部关于印发《高等教育人工智能创新行动》的通知，引导高校需瞄准当前世界科技发展的前沿，不断提高其在人工智能领域的科技创新、智能人才培养和国际合作交流等能力，为我国新一代人工智能发展提供战略支撑[3]。目前我国正在建立与规范各级人工智能教育，完善人工智能教育体系，鼓励高校在原有基础上拓宽人工智能专业教育内容，着力于培训高素质人工智能的人才，且已把人工智能人才培养上升为国家的教育重点。

2 高校传统工科建设存在的问题与挑战

在我国，高校的传统工科专业设置与教学建设模式主要存在以下问题：传统的理论教学模式过多，即教师通过粉笔和黑板进行授课与讲解，凭借教师的口头讲述、板书及肢体语言等进行系统的教学活动，而在实训课程中学生又缺少工业级的真实行业案例实践，且实验设施相对落后，缺少大数据实验环境的支持。因此，在教学活动中教师占有绝对的中心地位，学生独立思考的机会较少而处于被动地位，教学模式很难走出“偏真理，少实战”的怪圈。在传统工科建设中，专业教学设置大多自成体系、过于独立，各个专业领域之间的相互关联性不强，缺少多学科之间的交叉融合性，无法使学生深刻领会和了解目前该专业在社会经济市场上的综合应用与发展。同时，教材更新较慢，无法紧跟时代经济与技术发展的步伐，教学活动也缺少贴近市场案例及企业实战需求的教材，使学生无法深入体会现有知识的实际应用价值。

以上问题已严重影响了我国智能专业人才的培养质量，也阻碍了学生发展面对新型社会市场需求的能力及学生个人素质的进一步提高。在当今热门的人工智能时代，人工智能的发展需要大量复合型工科人才，高校的培养教育急切需要对学生的能力进行重塑和再造，使学生有创新思维能力、批判思维能力、逻辑分析能力、工程实践能力及跨界合作能力等。因此，高校教育必须对工业化时代建立起来的教育体系进行重组和重塑，即传统工科的设置与建设急需面临转型与改革。

3 新工科的兴起及对智能人才的需要

一门学科的产生，部分原因是为了适应社会发展和社会进步的步伐。因此，一门学科的发展建设应以当前的科学技术与经济社会发展趋势为向导，必须顺应社会发展进行创新改革，才能满足社会市场对人才的需求。从行业情况来看，大多传统工科的就业情况相比往年有下滑的趋势，这是由市场经济决定的。而当传统工科与新经济发展脱节、难以应对当今时代的变革时，则应按需求设立专业，使工科专业朝着复合程度较好的方向发展以培养高素质的复合型人才，即不仅要有传统工科的扎实基础底蕴，也要对其他学科邻域的知识有所了解，满足及适应不断变化的市场需求，这也是“新工科”兴起的重要任务。计算机等相关专业在教育体系变革中像一个枢纽和桥梁，它既是传统工科中的组成成员，也是新工科的领头人，将传统工科中的很多问题用一种高效便捷的、科学准确的方式解决，同时帮助传统工科不断发展演化，转型成为新工科。

狭义上，新工科面对的是新技术、新经济和新产业，以互联网和工业智能等新兴数字技术为核心，针对人工智能、虚拟现实、机器人、物联网等工科专业进行创新。针对传统工科专业及现有的工科专业，面对产业未来发展的需要，以促进经济高质量发展为导向，改革面对未来经济发展的新形态和新业态，通过信息化、智能化或其他方式转型、改造和升级更新后的工科专业。与传统工科相比，新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通讯、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合。

广义上，新工科是一种全新的、变革型的教育理念，是未来工科教育适应新型科技革命和经济转型升级的改革方向，涉及全部工程及相关邻域学科专业的一种整体性变革。新工科着眼于学科体系间的交叉综合和更宽广更深入的链条式创新，强调文理相融、理工协同、跨界融合。

4 新工科的智能复合人才培养

日前，教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》（简称《计划》），要求推出新工科建设，重视人工智能与计算机、控制、数学、统计学、物理学、生物学、心理学、社会学、法学等学科专业教育的交叉融合，形成“人工智能+X”复合专业培养新模式，到2020 年建设 100 个“人工智能+X”复合特色专业，建立50 家人工智能学院、研究院或交叉研究中心[3]。《计划》指出，对于新工科的智能人才培养，高校要准确把握新工科建设所需的目标和要求，在规划学科建设时统筹考虑“新的工科专业、工科的新要求”，加大力度培养在新兴领域工程中的智能科技人才，改造升级原有的传统学科专业，并创新教学的建设组织形式，促进形成“理工”“工医”“工农”“工文”等多学科交叉的模式。

从单纯“以学科为基础”向注重“以市场为导向”转变，应该成为高校各类学科专业人才培养的共识。这不仅是经济社会发展对高等教育提出的要求，也是高等教育引领社会进步所必须承担的责任和义务。对于新工科智能人才的培养，主要包括以下几个方面。

4.1 专业课程核心体系的建设

专业课程建设是学科建设的重要方面，是学科建设实现人才培养功能的平台，而人才培养的质量取决于学科发展水平的高低，高质量的人才培养又促进了学科发展水平的提升。新产业和新经济社会需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科智能复合人才。按照新工科的理念，课程内容应继承原有的闪光点，融入创新元素，始终面向技术和科技的前沿，订制课程及教材内容，在课程体系的设置上应体现出人工智能多学科交叉的相生共融，并在培养方案上强化在一线企业的创新实践和实习实训的机会。这样，可以更好地培养学生综合应用计算机科学技术与智能科学技术来解决实际问题的能力，并提高学生在科学研究、项目开发、组织管理、团队协作、技术创新及市场开拓等方面的综合素质。

4.2 新工科与数字素养教育

数字素养是在当今数字化时代中有效参与社会发展而具备的基本能力，即利用信息与通信技术检索、理解、评价、创造和交流数字信息的能力，以及在整个利用数字信息的过程中必备的认知能力及处理技能。它既包括对数字资源的接收能力，也包括对数字资源的给予能力。在人工智能时代，数字素养的三维度模型包括：通识素养，即具有熟练使用基本的数字化工具的能力，例如办公自动化软件、图像处理软件、云应用、网页编辑工具等；创新素养，即在已有的通识素养基础上掌握一些具有挑战性的技能，例如音视频创建与编辑、动画制作、编程、硬件设备知识等，进而拓展参与创新活动的能力；跨学科素养，即根据不同学科的特点进行课程融合培养后达到的能力，例如，计算机科学和数字媒体可融入从办公应用到程序设计和视频编辑的任何内容，社会学可融入在线人际社交行为，心理学和商学可融入计算机媒介的人机交互等。

新工科专业需要培养在人工智能时代适应新技术革命的发展、符合新数字经济和新产业需求的智能人才。因此，不失时机地开展以数据素养及人工智能素养为核心的数字素养教育显得尤为必要。在实施数字素养的教育活动建设时，应包括以下几个方面：建立数字素养教育框架，即以社会市场中的公众生活需求以及技术与产业发展需要为出发点，建立出符合我国国情发展的数字素养教育框架；实施数字素养评测评估系统，即构建衡量数字素养的量化指标体系，通过设计和开发数字素养评测评估系统，实施针对不同教育层次、不同学科与专业的学生进行数字素养能力评测评估；构建数字素养知识体系，即将知识体系细化为不同的知识单元，构建出可裁剪、积木式的知识模块；进行数字素养教学建设，即基于数字素养评测评估结果，实施针对数字素养教育的智能人才培养方案改革转型、课程教材的更新；对教师进行数字素养的培养，即教师在进行教学活动时不仅要全面、熟练地掌握对学生培养教育所需的数字素养技术、方法和理论，而且要能将数字能力、技术和知识深入地贯穿于人才培养的全过程。

4.3 以项目为中心，与工程实践教学体系的无缝融入

新工科培养的质量指标之一是工程实践能力，这是学生应用专业知识解决较为复杂工程问题的重要体现。采用项目案例教学可将智能工程实践的各种实际情况引入课堂，使学生融入真实的工程项目情境中，激发学习研究的兴趣[4]。同时，教师可将人工智能针对不同课程的教学大纲分解成多层次的实验实训子项目，各子项目之间既相对独立又互有关联，学生可以选择一个明确的跨学科课程和项目组成一个学科串，而课程和项目的基础仍来自学生本专业的要求。由于学科串跨越了专业的边界，学生组成了一个围绕共同项目的团队，可提高学生工程实践能力，开阔就业视野。在教师开展教学活动时，通过充分考查学生个体的认知风格、学习方式等差异，应选择最适合学生个体发展的学习方式，引导学生积极参与创新创业大赛，激发学生的主动探索与自学能力，采取项目学习、小组学习、团队合作、信息化教学、智慧学习等手段，为学生成为引领未来工程发展的领导者奠定基础。

5 结 语

综上所述，面对未来产业的发展需求与未来经济发展的形态，新工科的建设与兴起是十分必要且迫切的，其具有很大的理论意义和实践价值。目前，新工科相关工作也已呈现从理念到行动的转变。对于新工科的智能复合人才培养教育，本文也给出了相应的建议措施，需要以多学科交叉融合为指导，不断面对学生及社会的发展变化情况进行创新探究来完善教学质量，以满足当今社会人才市场的需求，为科技和产业发展提供更加充分的人才支撑。