人工智能在安全工程教學中的應用研究

孫寶平

【摘要】人工智能作為一門綜合性前沿學科，發展非常迅速，同時其應用范圍也越來越廣。文章結合安全工程教學內容和需求現狀，對人工智能在安全工程專業教學中的應用進行了分析。

【關鍵詞】安全工程;人工智能;應用

【基金項目】首都經濟貿易大學研究生教學改革項目;首都經濟貿易大學校級教育教學改革項目。

一、研究背景及意義

人工智能（Artificial Intelligence）是一門研究如何使計算機模擬人的某些思維過程和智能行為（如學習、推理、規劃等）的綜合性前沿學科[1]。人工智能創始人是美國卡內基梅隆大學教授A.Newel和Simon等人。人工智能研究目的在于如何提高機器的使用效率和使用性能，通過人工智能使用機器完成人類的工作[2]。人工智能大致經歷了三個發展階段。在初級階段，計算機還沒有被大范圍地應用，機械化大生產模式還未被接受，只是偶爾使用機械化手段，絕大多數還是手工生產。但有少部分大型工業化企業開始探索人工智能，只是受到社會的總體科技水平影響而限制了人工智能的發展，人工智能成果極其有限。人工智能的第二階段是機械化大生產廣泛普及，計算機科學開始發展，但受到社會經濟因素的影響，僅僅是在一些大型工廠中才使用人工智能。人工智能的第三階段是由于物聯網大數據技術的發展、社會經濟的快速發展，人工智能得到普及應用，現在正處于此階段。人工智能的應用將工作和生活變得簡便，極大地促進了社會經濟的發展，也正在以及必將促進人類社會快速發展[3]。

安全工程專業是與國民經濟聯系緊密、社會需求面廣的工科專業。安全工程專業主要是為了培養從事安全技術及工程、安全科學與研究、安全監察與管理、安全健康環境檢測與監測、安全設計與生產、安全教育與培訓等方面工作的復合型高級工程技術人才。開設安全工程專業的約150所高等院校中，各高校的安全工程專業都具有較強的行業特色，主要涉及建筑安全、礦山安全、石油化工安全、公共安全等領域[4]。從學科知識體系來看，安全工程專業也是交叉學科。人工智能專業涉及計算機、統計學等學科的知識，與安全工程專業類似的具有廣泛的交叉性。人工智能發展突飛猛進，在一定程度上加大了大學生的學習難度以及教師的授課難度，對教師和教學提出了更高要求。而安全工程教學過程中應用人工智能技術以及在教學中引入人工智能教學內容非常少，與國外高水平大學相比，我國的人工智能教學仍然處于起始階段，在教育和教學方面需要全面提升。因此，開展人工智能在安全工程教學中的應用研究具有重要的理論和實踐意義。

二、人工智能是安全工程專業發展的必然趨勢

（一）安全工程技術發展的人工智能化

從安全生產技術發展過程來看，安全機械電子設備應用人工智能技術走在了其他技術應用的前行，而安全機械電子設備主要應用在機械化程度高的煤礦、非煤礦山等安全生產等領域，如瓦斯自動斷電系統、絞車自動防跑車系統等。人工智能使得機電技術的安全性得到提高，同時提升了效率，有效防止了由于人的不安全行為引發的生產安全事故。

（二）安全監督管理的人工智能化

人工智能應用于安全監督管理過程中，如煤礦智能監控平臺，該平臺已應用于生產安全監管中。在交通運輸行業，智能機電在全國普及，可將全國客運信息監控平臺連接起來，以更好地保證交通安全，預防生產安全事故的發生。在機電加工安全領域，與人工智能結合起來的紅外遙感已經在生產中普及開，用于確保操作人員的安全。

（三）安全預警的人工智能化

在2014年 “8·2”江蘇昆山爆炸事故中，由于鋁鎂粉塵濃度過高導致爆炸發生，若當時企業配備了人工智能化的安全預警系統，那么此次事故有可能會避免。此次事故后，很多企業安裝了智能化的預警系統，并且該系統已經應用于瓦斯監控中。可以看出，人工智能化水平不斷提升是當前科技發展的大勢所趨，人工智能化教育融入安全工程專業是未來學科發展的必然趨勢[3]。

三、人工智能課程及應用手段存在的不足

（一）“人工智能 + 專業課程”體系設置方面仍存在一定的滯后性

人工智能作為一門新興學科發展十分迅速，新的技術層出不窮。在課程設置方面要求能夠與學科發展相適應，特別是安全工程專業要引入人工智能課程以及人工智能技術手段。與國外高水平大學相比，國內高校教學內容等均沒有大的改觀，在“人工智能 + 專業課程”體系設置方面仍存在一定的滯后性。

（二）人工智能課程內容與專業教學內容的結合與應用

人工智能課程是多學科交叉且理論性很強的課程，教師習慣于注重理論知識的講解，而對相關技術的實踐能力培養明顯有短板。由于人工智能涉及十分廣泛，僅僅在課堂上進行學習并不夠，還需要強化學生在課后的自我學習，因此需要探索新的教學方法和手段以適應人工智能課程內容與專業教學內容的結合。

（三）教師創新能力方面亟待提高

盡管人工智能課程的教學多年前已在高校中開設，但目前我國高校教師在相關領域的國際頂級學術期刊（Artificial Intelligence journals）以及學術大會上發表學術論文的數量、質量依然亟待提高。創新力強、影響力強的人工智能領域的高端人才、領軍專家仍很少，創新意識、創新能力和創新實踐方面需要深入提升。

（四）傳統教學模式已經不能滿足學生學習需求

隨著網絡教育的深入發展，豐富多樣的網絡教育教學模式應運而生，除了滿足學生的基本學習需求，對教學內容進行創新外，還要進行教學模式的創新。但當前的人工智能技術發展還有待提升，并且很多預想中的人工智能手段還處于深入研究探索階段。當前的教學模式僅是簡單、粗淺地利用計算機實現基本教學，根本沒有體現出人工智能在教育中的應用及其優勢[5]。

四、人工智能應用于安全工程專業教學

（一）將人工智能融入教學內容之中

目前，人工智能圍繞“智能”這一主題開展了廣泛而深入的研究，歐美的很多高校都將人工智能的研究成果引入到專業的教學內容中[6]。結合當前人工智能的進展以及我國高校在教學中引入人工智能的現實情況，急需明確人工智能內容在安全工程知識體系中的地位、比例，以及與其他原有體系課程的融合。慕課（MOOC）是現在非常廣泛應用的一種教學形式，可以將部分慕課內容可引進教學中，采用“翻轉課課”方式引發學生的討論，就有關人工智能的問題進行交流，讓學生主動參與到人工智能的學習中，并與專業課相結合，擴大學生的知識面，開闊學生視野，達到將人工智能融入教學內容之中的初衷。

（二）將人工智能融入實踐能力培養

大學三年級階段的教學內容與大一、大二相比，已經涉及一些專業基礎知識，學生對專業有了進一步的了解，對就業和自己的專業學習也有了初步規劃。在此階段需要引入一定的前沿知識以及本專業國際發展趨勢、前景等，更加注意實踐能力的培養，特別是有部分學生選擇繼續深造學習，如攻讀研究生、出國留學等，因此要將人工智能知識引入到實踐能力培養中。如，在“系統工程”中引入遺傳算法、神經網絡等。如果僅講解上述算法等相對枯燥、抽象，學生也不容易真正理解。在課堂上可以用人工智能解決具體問題，如擬合參數、現場編程演示等，以達到引發學生學習興趣的目的，培養學生實踐能力。另外，可以將部分人工智能采用Matlab等程序進行現場演示，更加直觀地展現此類問題的過程和結果，增強教師與學生的互動，從而引起學生的興趣、關注和進一步的深入學習，提高其學習積極性。比如首都經濟貿易大學通過開展“安工杯”競賽的方式，將人工智能引入到競賽中，極大地提升了大學生對人工智能學習的興趣，通過競賽鍛煉學習的實踐能力。通過上述方法，大學生可以全面提升對人工智能的認識，并且主動學習人工智能，提高學習積極性、實踐能力和創新能力。

（三）將人工智能融入科研能力培養

培養學生的科研能力，特別是研究生的科研能力，將人工智能與本專業最活躍的研究內容結合起來，如群體智能、機器學習、模式識別等，對學生科研能力的提升有所裨益。在本科教學過程中，如何提高學生的科研能力一直是困擾大學教師的教學難點。利用人工智能教學手段，如VR（虛擬現實）技術，可以形象、逼真地再現專業場景，從而激發學生的研究意識和研究興趣，為研究生科學研究工作奠定基礎。對于教師而言，將人工智能手段、內容等融入教學之中，要介紹專業問題的發展脈絡、發展階段背后的深層次原因，從而更加深刻地認識到人工智能發展的大機遇、大變革，加強對人工智能的自我學習。將人工智能課程與專業結合起來，教師可以通過科研項目的申報，進一步加強學習。另外，在指導學生進行人工智能方面的大學生創新競賽過程中得到許多有益的啟發，師生在人工智能方面的交流互動，也有助于教師更準確地發現問題并及時加以指導解決。可以看出，將人工智能融入科研能力的培養，不僅能夠提升學生的理論與實踐相結合的能力，而且可以提高教師的水平和指導能力，從而有效實現教學相長。

【參考文獻】

[1]嚴遠亭，張以文，陳潔，等.高年級本科生人工智能課程教學實踐與探究[J].計算機教育，2018（07）：78-81.

[2]馬仲雄.淺談電氣自動化控制中的人工智能技術[J].電子技術與軟件工程，2014（11）：246-247.

[3]戴永睿.機械電子工程與人工智能相關性分析及安全生產應用[J].科技創新與應用，2017（05）：114.

[4]中華人民共和國國務院.中共中央國務院關于推進安全生產領域改革發展的意見[EB/OL].（2016-12-18）[2019-04-02].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-12/18/content_5149663.htm.

[6]楊洋.人工智能技術的發展及其在教學中的應用[J].軟件導刊·教育技術， 2018（07）：92-93.