船舶与海洋工程专业新工科培养体系

王 立， 余 杨， 余建星

（1. 天津大学智能与计算学部， 天津 300350； 2. 天津大学建筑工程学院， 天津 300072）

一、 船舶与海洋工程专业的发展方向

船舶与海洋工程专业的培养目标是保证毕业生具备现代船舶与海洋工程的设计、研究、建造相关的基本技能，具有计算机编程及人工智能应用能力，能在船舶与海洋相关设计、研究、制造、使用和管理等部门进行技术和管理工作[1]。

船舶与海洋工程专业的学习内容包括船舶结构、原理、安全设计、建造法规以及相关规范等知识，研究船舶设计的方法等。

培养的人才主要面向船舶、兵器、核能、航空、航天、民航、交通运输、民用动力、环境工程等领域，这些领域发展迅速，对高素质人才的需求也非常迫切。未来船舶与海洋工程专业的培养方向也要适应新时代的变化，面向现代的智能化发展，在船舶设计、建造、知识应用等方面提升研究和开发能力，通过在培养体系中补充适当的智能化相关课程，提升毕业生对新一代行业生产和技术应用的适应程度。

二、 人工智能在船舶与海洋工程专业的应用

人工智能技术是新一轮产业变革的主要方向，是未来技术的发展方向[2]。现在，很多传统制造企业将人工智能作为技术基础和发展方向，与本行业结合发展，共同开创更多的技术创新。

人工智能技术是新一次产业革命浪潮的原动力。随着爆炸式的数据量、新算法的实现以及计算能力和存储能力的提升，人工智能技术可以结合到各个行业的应用，给各个传统行业带来实际价值。在船舶制造领域，人工智能技术的发展则会给未来船舶制造行业带来颠覆性的影响[3]。

随着人工智能技术的出现，生产的数字化程度越来越高，有一些行业已经具备较好的数字化基础，例如互联网、信息技术等，但是还有大部分基础较差的传统行业，包括制造业在内，智能化程度比较低，仍处于数字化改造的探索性研究阶段。对于这些传统行业的企业来说，主要问题是要制定合理的应用战略，并在生产实践中进行实施[4]。

船舶行业作为典型的传统制造业，一方面，可以利用人工智能技术提高生产效率、降低生产成本，达到节能减排增效的目的；另一方面，利用人工智能可以改变部分制造模式与商业模式，以至于改变传统产业格局。

人工智能技术的最终目的是让机器更聪明，将人工智能结合到研发设计、生产线优化、建造等过程，提升运营维护的水平，从而带动整个船舶行业的发展。

人工智能技术可以应用的范围包括设计、制造和船舶应用等多个方面，人工智能技术的应用使得智能设计成为可能。利用智能设计技术进行船舶设计和研究，使计算机能够在未来基于大量船舶设计数据进行算法设计、学习以及数据的分析，从而找到各项参数之间的相关性，让机器能够了解船舶基本的设计原则，从而辅助船舶设计人员，替代一些基础性、重复性劳动，提升技术人员工作的效率。

船舶制造领域也是人工智能技术应用的一个主要方向。船舶建造本身就是一个复杂的制造过程，通过引入人工智能技术，可以优化船舶建造的流程，从而提升船舶制造的生产效率，实现智能制造。例如，利用传感器技术和射频识别技术实现船舶生产过程中原料、在制品、生产工具的数据实时采集，设计优化方案。也可以对物流和管理进行改进，提升生产效率。同时，应用智能机器人也可以降低误差、提高生产效率、节约成本。

智能船舶是未来人工智能技术应用的重点方向[5]。人工智能技术目前已经应用在了无人驾驶领域，通过人工智能技术的应用，还可以提升智能船舶的自动处理应急能力、信息分析能力，使船舶增加无人驾驶功能。这也是目前全球船舶行业的发展方向和目标。

三、 智能化相关课程建议

在当前的教育体系中，人工智能相关课程已经开始部署和发展[6]，其整体的培养目标是面向国家经济和社会发展需求，培养掌握自然科学基础知识、软件工程知识，了解大数据、云计算、物联网应用、人工智能等相关领域基础知识[7]，具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力，适应新技术、新产业、新经济发展，能够在本领域或者交叉领域从事软件开发、研究、管理等工作的卓越人才。

新工科教育作为高等工程教育发展的最前沿和新方向，新工科教育治理是一项实践性较强的课题，主体更加多元、要素更加丰富、关系更加复杂[8]。为了达到这些要求，本文分析了智能化课程体系中包括核心课程、实践课程、选修课程等在内的50余门课程[9]。结合船舶与海洋工程专业的特点及需求，筛选出以下几门课程作为本科生课程体系的补充（见表1），这些课程主要面向船舶与海洋工程领域中需要的基础技能以及面向行业新技术的扩展性课程。

表1 智能课程列表

课程可以选择在不同时间、不同兴趣方向的学生中进行开设，每门课程的教学目标和计划如下。

1. 计算机系统导论

本课程是计算机软件等专业的一门核心基础课，也是本科生入学接触到的第一门专业课程。开设本课程的目的是为了使学生掌握信息化社会所必需的计算机基本知识和基本技能。通过本课程的学习，培养学生掌握计算机的硬件基础原理、软件基础知识、网络操作系统等基本概念、计算机安全以及计算机学科前沿技术等基本常识，培养学生对计算机学科的整体认知，为学习后续计算机核心课程奠定基础。课程目标如下。

（1） 了解计算机的发展历史和计算机技术的发展方向及应用领域。

（2） 能够熟练掌握数制的基本概念，包括二进制、8进制和16进制的概率和相互转化方法。了解计算机数据存储基本原理和不同存储方法。

（3） 了解计算机的基本结构：包括CPU、内存、输入输出设备等。了解计算机程序运行机理，掌握基本运算汇编伪代码程序分析方法。

（4） 了解操作系统基本概念、网络基本概念和网络安全基本知识。

（5） 了解基本数据结构和基本操作，能够设计简单的算法，并用高级程序语言实现。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：使学生能够了解整体计算机技术的框架，了解计算机的基础内容，为其他课程奠定基础。

2. 计算机网络

“计算机网络”是软件工程专业本科生的一门应用性很强的必修课程，该课程在专业建设和课程体系中占据重要的地位和作用。通过本课程的学习使学生对网络技术系统全面地了解，学习计算机网络体系结构和基本原理，了解计算机网络技术发展的前沿技术，培养学生在计算机网络规划与构建、网络应用开发等方面的能力，课程目标如下。

（1） 掌握计算机网络的基本理论和知识，了解网络体系，能够选择适当的网络技术解决实际需求。

（2） 掌握各种网络的访问控制协议、物理层规范和网络组成技术，掌握交换式网络技术和局域网互联技术，并能根据实际需求，给出网络解决方案。

（3） 掌握TCP/IP协议，集中各层协议的数据格式和主要功能，并了解基于TCP/IP协议的应用系统构建方法。

（4） 掌握网络系统的构造方法以及Web网页建立方法，了解B/S架构网络应用技术。

（5） 能够根据网络应用的设计需求，进行团队合作，撰写设计方案，与他人进行沟通和交流。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：目前行业发展中，网络是必不可少的内容，也是未来工程师工作中必然接触和应用的工具，通过本课程能够了解网络的概念、分类、基础技术等，能够帮助学生更好地了解网络，提升对计算机网络的认识和应用能力。

3. 人工智能

本课程的重点在于向学生介绍人工智能领域的基本知识和算法，并通过结合课程中的实践项目，指导学生使用人工智能相关模型解决大数据时代的现实问题，其目标如下。

（1） 了解人工智能的发展历史和人工智能的发展方向及应用领域。

（2） 能够熟练掌握人工智能基本概念，包括搜索、马尔科夫决策过程、不确定决策、知识表示、机器学习等。

（3） 能够运用人工智能技术解决简单实际问题。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：人工智能是当前计算机专业发展的热点和前沿科学，通过本课程给本科生介绍与人工智能相关的基础知识，了解人工智能的内容和应用范围，结合船舶与海洋工程专业的要求学习人工智能的应用和研究方法。

4. 物联网与智能制造

“物联网概论”是软件工程专业重要的专业基础选修课。物联网通过网络终端进行信息传输和处理，实现人与物、物与物之间信息交换。物联网是现阶段智能制造发展的重要技术手段，是智能制造系统中信息采集的主要方法。通过本课程的学习，学生不仅了解传感器的使用（外部特性），更了解它的设计和实现（内部特性），掌握其工作原理。而且从课程中，可以学到许多创意设计的思想和技术方法，并可用于计算机的其他领域以及智能家居、安全管理等，课程目标如下。

（1） 了解传感器的发展历史和主要分类，能够选择适当的传感器解决实际需求。

（2） 能够应用物联网技术对生活、安全等管理相关问题进行分析，并获得有效的解决方案。

（3） 通过学习嵌入式系统与设计的理论，提出多道系统的设计方案，设计满足解决生产管理、行动通讯等问题的程序。

（4） 能够针对专案管理问题，理解不同企业管理方案的区别，甄别内部的实际问题与需求并提出解决方案。

（5） 能够根据系统需求，设计技术实现方案，并清晰表达自己的设计思想，与他人进行技术上的沟通和交流。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：物联网技术也是当前智能化领域的热点和前沿技术，尤其在应用方面，有很好的前景，在智能制造、人机交互等领域有很好的应用。船舶制造、海洋探测等领域都有物联网技术的应用，物联网技术也是当前信息化行业与船舶和海洋工程行业结合发展最快、应用前景最广的技术。通过本课程使学生能够了解物联网技术的概念和运作模式，拓展学生的视野。

5. 虚拟现实概述

虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）在我们生活中的应用越来越广泛，在教育界的应用更是意义显著，对提高教学效率和学生学习效果尤为重要，大学生需要成为虚拟现实技术的应用者与受益者。通过课上学习，使学生能够由浅入深地认识和掌握虚拟现实及增强现实技术，从而促进该技术的普及与应用。另外，本门课亦有上机课，通过上机的训练，让学生练习使用360度全景摄影，并学习使用Unity3D等设计工具来实作虚拟现实的场景，课程目标如下。

（1） 了解虚拟现实的发展历史和主要分类，能够选择适当的虚拟现实设备解决实际需求。

（2） 能够应用虚拟现实技术对生活、安全等管理相关问题进行分析，并获得有效的解决方案。

（3） 基于多媒体系统与设计的理论，提出多道系统的设计方案，设计满足解决生产管理、行动通讯等问题的程序。

（4） 能够针对专案管理问题，理解不同企业管理方案的区别，甄别实际内部的问题与需求并提出解决方案。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：虚拟现实技术是目前最新的人机交互方法，也是未来设计、培训、生产等领域的主要技术，通过本课程的学习，可以帮助学生学习虚拟和现实世界的桥接技术，以此来解决一般生活中不易做到的应用。同时，让学生能够将工程知识融会贯通，并具备设计、开发、解决方案的能力，能够在教师的引导下，学习如何使用现代工具来对复杂的科学问题进行研究，找到合理有效的方案。

6. 大数据分析

本课程的重点在于向学生介绍大数据领域的基本知识和算法，并通过结合课程中的实践项目，指导学生使用大数据分析方法解决大数据时代的现实问题，其目标如下。

（1） 了解大数据分析技术的发展历史和大数据技术的发展方向及应用领域。

（2） 能够熟练掌握大数据分析基本概念，包括聚类、分类、相关规则、回归分析等。

（3） 能够运用大数据分析技术解决简单实际问题。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：未来社会面临的智能化程度非常高，数据量非常大，尤其在生产、设计、研究等方面。如何对大数据进行分类、处理，有效的提高数据分析能力是本课程的主要内容，为本科生了解大数据的特点，进行数据分析提供了学习基础。

7. 仿真与数字孪生

本课程是对虚拟技术的扩展应用，主要讲述内容是在船舶制造和海洋平台设计方面。利用虚拟化技术，从整体系统入手，如何将整个设计生产流程全部利用数字技术进行虚拟化，了解数字孪生仿真平台的原理和产生过程，同时对仿真技术和算法进行介绍，其目标如下。

（1） 了解数字孪生的基本概念和设计方法。

（2） 能够熟练掌握数字仿真的基本概念，包括建模、设计、个性化、强化学习等。

（3） 能够运行基本的数字孪生平台，通过数字孪生平台的搭建解决简单问题。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：当前船舶与海洋工程行业内，包括船舶设计和生产、海洋平台的设计和部署等方面都需要通过数字化技术，对生产线、系统、平台进行数字化仿真，建设一整套数字孪生系统，利用数字化技术模拟生产线、系统、平台的设计运行过程和一些不确定问题带来的风险。本课程主要是从基本概念和基本模型上入手，为学生介绍整个数字化仿真技术的特点和情况，与行业内的新技术进行衔接，提升学生对行业的了解和熟悉程度。同时，利用数字孪生技术提升学生在校学习和仿真的真实性，降低对生产设计一线实习的依赖，确保学生安全，降低教育成本。

8. 计算机系统综合实践

本课程的目的就是要达到理论与实际应用相结合，使学生能够根据问题使用软件工程规范的分析、设计、编写代码、调试、测试过程。通过数据的组织，已掌握算法的灵活运用，把现实世界中的实际问题用计算机程序予以解决，并培养基本的、良好的团队分工和合作能力，其目标如下。

（1） 掌握常用的数据表示和处理技术，包括线性结构、树结构、图结构，掌握常用算法，包括线性结构、树结构、图结构的算法和查找、排序算法。

（2） 分析研究计算机处理的数据结构，为数据选择合适的逻辑结构、存储结构及算法，并初步掌握算法分析技术。

（3） 通过对问题的分析求解来训练学生编写复杂程序设计的能力，通过对大型问题的分解来训练学生团队合作及沟通能力，编写的程序符合软件工程规范。

为船舶和海洋工程专业开设的目的：在实际开发过程中可能遇到各种各样的问题，通过程序实践，可以发现很多理论上无法遇到的问题，有利于提高学生的动手能力和编程能力。

四、 与船舶和海洋工程专业当前课程体系的结合

通过上述分析，选出8门课程，可以为船舶与海洋工程专业开设，能够提升本专业学生的工程能力和程序开发能力，具体的开设计划结合本专业课程体系进行设计，主要包括课程培养方式补充[10]和课程体系补充两部分[11]。

1. 课程培养方式补充

从课程培养方式看，主要包括知识优化系统、情商培育系统、能力提升系统。

（1） 知识优化系统[12]。1） 课程体系改革。加强品德素质和心理素质培养，强化数理与专业基础，打造跨学科基础平台课；设置主干清晰的专业课；设定研修与创新学分；构建信息技术课程组；建立人文、社科课程体系和以基本-综合-研究创新为核心的实践课程体系。2） 教学方法手段改革。采用启发式、研究式、案例式等教学模式。公共基础课中实施辅导式教学；部分专业课程中采取“翻转课堂”、基于问题学习等形式；实践阶段性、多元化考核方式。3） 建立协同育人平台。建立高校主导，政府、企业、科研机构参与的协同育人平台。组建专业教学指导委员会和督导委员会，从顶层设计到评价反馈，全程参与工程领军（卓越）人才培养。4） 综合评价与反馈机制。建立科学规范的教学评价体系，对教学工作全过程、全方位实行全员参与、校内外结合的综合评价。将评价信息及时反馈给教师、学生，不断改进教学方式、提高教学效果。

（2） 情商培育系统[13]。1） “三观”塑造计划。“名师导航”，邀请知名行业专家举办讲座；“国情认知”，通过报告会，激发报国热情；“诚信养成”，开设诚信教育必修课，制定《诚信条例》，建立诚信档案。2） 心理健康计划；建立“校-院-班”3级心理健康辅导机制。

（3） 能力提升系统。1） 创新力提升计划。从学分认定、条件保障等全力推动学生创新实践；创办“求索科技创新”活动，设立多学科交叉与融合的创新项目，建立创业实践平台。2） 领导力提升计划。介绍领导力知识，进行领导意识培养，通过社团、竞赛、科研等实践，提升领导力。3） 国际视野拓展计划。借鉴国际一流大学经验，不断完善培养方案；遴选国外视频课、教材或课件；制订境外课程学习、实践学分认定办法。通过对课程体系的研究，人工智能领域的培养可以作为智能化培养计划补充到能力提升系统中。4） 智能化培养计划。通过多种课程计划，为学生介绍新一代人工智能在船舶和海洋工程领域的应用，学习人工智能方向系列课程，掌握人工智能的基础研究方法，使学生能够应对新技术所带来的行业变化，培养适应新时代的工程师。

2. 课程体系补充

上述人工智能方向的培养计划通过系列课程来实现，补充的智能化系统课程建议见表2。

表2 补充课程开设时间

通过上述课程补充，能够满足学生在人工智能方面的培养，提升学生对信息化技术的了解，适应船舶和海洋工程领域的发展。课程选择由学生自主选择，其中计算机系统导论和计算机网络建议作为核心课程，其他作为选修课程。

五、 结 语

通过分析船舶和海洋工程领域的发展方向，总结船舶和海洋工程领域对专业人才的新需求，为应对新时代人工智能技术带来的变化，本文结合人工智能方向的课程体系，分析总结出可以为船舶和海洋工程专业领域开设的课程，并将这些课程与船舶和海洋工程专业的课程体系进行结合，给出课程类型和学分建议。这些课程的内容应在其基础研究方法的基础上与船舶和海洋工程专业特点相结合，通过课程可以使学生增强人工智能相关技术和研究方法的学习，从而进一步适应行业变化的需要。