人工智能賦能：高校學科建設的創新與發展

蔡三發 王倩 沈陽

[摘? ?要] 陳杰院士從人工智能與學科建設的角度，就人工智能發展緣起、對高校學科建設的影響、高校具體推進案例等方面提出了諸多有價值的建議。他指出：當今的人工智能已經超出信息科學本身的研究邊界，將賦能傳統學科、加速不同學科間的交叉融合，進一步開放各學科的邊界，衍生出新的學科增長點，推動交叉學科知識創新發展，形成多學科深度交叉、協同發展的局面。他關注人工智能人才培養，就高校紛紛建立人工智能學院、研究院，開設人工智能專業，建議要結合人工智能的特點，針對人工智能人才需求，加強人工智能基礎前沿研究，強調人工智能學科對其他學科的賦能。借鑒美國等發達國家的經驗，結合同濟大學人工智能學科建設給出了初步的“人工智能+”學科建設的實踐路徑。

[關鍵詞] 人工智能; 智慧教育; 學科建設; 科學研究; 人才培養

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

一、如何從學科角度理解人工智能？

訪談者：近年來，人工智能技術正被加速應用于人類日常生活和工作的方方面面。您認為，掀起人工智能熱潮的因素有哪些？

陳杰：人工智能誕生于20世紀中葉，發展至今已有七十余載，一般普遍認為人工智能發展曾經歷過三起兩落。40年代，維納提出控制論——關于機器和生物的通訊和控制的科學，提出了系統的反饋的原始思想，控制論誕生不久，就與電子計算機相結合，從而得到迅速發展，相繼出現了工程控制論、生物控制論等新興學科。1956年，在達特茅斯會議（Dartmouth Conference）上，以控制論、信息論結合圖靈計算機原型的發展為基礎，來自多學科的科學家一起提出了“人工智能”的概念。之后的十余年內，人工智能迎來了發展史上的第一個熱潮，并取得了一批令人矚目的成就。但是，由于當時計算能力的不足、數據的缺乏，到20世紀70年代，人工智能經歷了第一次衰落的過程。20世紀80年代，隨著神經網絡BP算法的出現和專家系統的發展，以模糊邏輯來模擬人類思維的能力給科學家帶來了新的希望，人工智能出現第二次高潮。但由于其基礎性、本源性問題沒有實現更大突破，加之計算能力有限、神經網絡描述的系統能力限制，以及日本模糊邏輯計算機的失敗，人工智能經歷了第二個低潮。20世紀末至21世紀初，計算機的計算能力飛速發展，大數據存儲容量高速提升，以計算能力和存儲能力為支撐的計算機在個別棋類游戲中戰勝人類，卷積神經網絡通過標記圖像大數據的多層網絡深度學習使得計算機識別圖像的能力不斷提高，自然語言處理能力大幅提升，人工智能的第三次發展熱潮由此開啟。總體來說，近20年來，計算機運算能力的迅速提升，大數據技術和大數據儲備的快速發展，深度學習、先進實用的控制算法等成為這次人工智能熱潮興起的重要技術支撐。這第三波浪潮正推向各行各業，應用場景的需求驅動，數據、學習、控制與大量實際應用背景和專業領域緊密結合，推動了新一輪人工智能的熱潮。

目前，發展人工智能已經成為世界許多發達國家的發展戰略，同樣也已列為我國重大戰略。習近平總書記在主持中共中央政治局集體學習人工智能發展現狀和趨勢的活動中曾強調：“加快發展新一代人工智能是事關我國能否抓住新一輪科技革命和產業變革機遇的戰略問題。”“要主攻關鍵核心技術，確保人工智能關鍵核心技術牢牢掌握在自己手里。”對于人工智能發展規劃和政策布局，我國一直給予高度關注，在2017年、2018年及2019年連續三年的政府工作報告中均提到人工智能。由此可以看出，在新一輪的人工智能浪潮中，我國通過集中力量辦大事的政策優勢以支持人工智能的發展。未來，我國人工智能研究水平及應用發展很有希望走在世界的前列。

訪談者：從高校學科的角度，您認為應當如何理解人工智能？

陳杰：早期從事人工智能科學研究的學者主要來自控制、計算機、數學等學科，隨著大數據和深度學習的應用、計算能力的提升、網絡的發展，如今的人工智能研究不僅僅是信息學科的研究范疇，而是與網絡科學、數據科學、語言學、心理學、神經科學等多學科緊密相關，還與一些應用學科相關，如城市、交通、生命、醫學、制造、海洋、設計等學科。人工智能研究所涉及的內容也越來越廣泛，包括理論、方法、工具、系統等不同層面，如機器學習的數學基礎、知識表示的方法與存儲、智能系統與復雜網絡涌現、自動推理和邏輯、自然語言理解、計算機視覺、智能機器與自主智能以及學習工具、軟件平臺、無人系統等。神經科學、心理學、生命科學等學科為人工智能算法提供思想和原型，數學、統計學等學科為人工智能提供建模、分析和證明，自動化、計算機、軟件等學科為人工智能提供手段、工具和平臺，結合化學物理材料傳感、機械電子控制、空天海洋等形成人工智能系統。人工智能的方法、工具也為傳統各行各業賦能，支撐傳統學科內涵的提升，支持其他學科在理論分析、實驗發現、數據處理、研究范式等方面不斷進步。毋庸置疑，人工智能的迅速發展已經呈現出多學科交叉趨勢。

總之，人工智能涉及多個基礎學科，以及幾乎所有的其他學科，可以說沒有哪一個學科不受到人工智能的影響，因此，人工智能是一個具有高度的綜合性和交叉性的學科領域。同時，人工智能也需要在更多學科中得以應用與驗證，才可以發揮其最大的價值。人工智能研究的本質要求，使其必須跨越學科的界限，在學科交叉與融合中實現進一步的突破。

二、人工智能對高校學科發展的影響與應對

訪談者：人工智能必然會影響高校學科組織，您認為人工智能會在哪些方面沖擊學科發展？

陳杰：由于人工智能涉及人、機器與數據采集重構出的信息系統（Cyberspace，又稱賽博系統），因此，人工智能技術的應用對各個行業都會產生沖擊。智能教育也是我國新一代人工智能規劃的重點任務之一。對高等教育而言，由于人工智能技術的應用，教和學的過程會有很多的變化，科學研究以及知識產生的過程也會產生變化，因此，高等學校面臨著學科重組、學科更新和新興學科興起的歷史機遇，傳統學科的發展面臨著更大的挑戰。

習近平總書記在給2019年國際人工智能與教育大會的賀信中指出：“把握全球人工智能發展態勢，找準突破口和主攻方向，培養大批具有創新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。”人工智能的發展對于高等教育人才培養的創新起到了助推作用，針對當前多學科交叉協同發展趨勢，人工智能相關技術將成為推動形成跨學科、復合型、高層次、創新型人才的關鍵抓手。此外，人工智能還將對人才培養活動的全過程產生影響，未來在高等教育領域，依托人工智能方法和技術產生的多個平臺和系統，將會更有力地發揮知識服務、科學研究支撐、教育教學以及評價反饋等作用，更有效地推動高等學校的學科變革。

同時，人工智能將會在賦能傳統學科和推動學科交叉融合方面發揮重大作用。人工智能會進一步滲透到理科、工科、農科、醫科、文科等各類學科建設中，例如：人工智能大數據技術可以促進材料、物理、化學等學科的快速創新和知識發現;人工智能學習技術可以促進語言學、教育學、傳播學等學科的內涵變化;人工智能發展可以促進法學、社會學產生新的研究方向等。以人工智能技術的新發展為驅動，變被動接受為主動適應，變緩慢發展為持續更新，對發展目標進行重新定位，對學科體系進行動態調整，對教學方法與技術進行完善優化，可能是未來學科變革和規劃的重要任務。人工智能也將加速不同學科間的交叉融合，進一步開放各學科的邊界，衍生出新的學科增長點，推動交叉學科知識創新發展，形成多學科深度交叉、協同發展的局面。

訪談者：近兩年許多高校相繼開設人工智能專業，成立人工智能學院、研究院，發力人工智能人才培養，對人工智能研究領域加大投入，您對國內高校人工智能學科建設方面有什么建議？

陳杰：第一，研究人工智能學科的特點，結合人工智能涉及的基礎學科與應用學科，依托高校優勢學科建設人工智能學科。基于人工智能領域的學科交叉性，人工智能學科建設對高校整合各學科資源，發揮已有學科的優勢提出了新的要求。目前，國內不少院校根據自身實際情況及學科特長，制定了本校的人工智能學科發展策略及發展路線圖，形成了自身的人工智能學科特色。

第二，掌握人工智能人才的特點，構建人工智能學科高水平人才培養方案。我國人工智能人才存量總體不足，其中，頂尖人才、一流人才等高端人才更顯匱乏，甚至不足美國的十分之一。人工智能的人才培養涉及學科較多，建議按照我國人工智能人才需求特點，從理論、方法、工具、系統等四個方面，結合本校學科實力，科學制定具有不同特點的交叉培養方案，創新人工智能相關領域復合型人才培養，爭取將人工智能相關領域人才培養向兩頭延伸，注重中小學人工智能的科普，注重大學的多學科交叉，以及碩博研究生的基礎研究能力、原始創新能力和科技創新能力的培養，確保人才培養質量。

第三，要加強人工智能基礎前沿研究。斯坦福大學發布的《2019年度人工智能指數報告》顯示，中國學者發表的人工智能學術論文和會議論文數量已于2006年超過美國，與歐洲數量相當，但在人工智能領域內論文引用的影響力上，美國比中國仍然高50%。因此，重視人工智能基礎科學研究，提升我國人工智能原始創新能力刻不容緩。人工智能基礎問題的解決與否，將直接影響人工智能的未來發展。習總書記說：“把增強原創能力作為重點，以關鍵核心技術為主攻方向，夯實新一代人工智能發展的基礎。要加強基礎理論研究，支持科學家勇闖人工智能科技前沿的‘無人區，努力在人工智能發展方向和理論、方法、工具、系統等方面取得變革性、顛覆性突破，確保我國在人工智能這個重要領域的理論研究走在前面、關鍵核心技術占領制高點。”

第四，高校在開展人工智能科學研究的過程中，要主動與前沿趨勢、社會需求相結合，在重視基礎研究的同時，還要關注人工智能科研成果與應用場景的結合。當前，我國對于人工智能相關領域的人才和技術需求主要集中在智能城市、智能制造、智能交通、智能醫療、智能建造、智能農業等方面。高校可以通過建立多學科交叉大平臺、設立雙導師制或導師組制，以及強調學科交叉的文化環境和研究氛圍等方式，實現人工智能領域人才供給和技術進步的提速增效。要實現整個人工智能產業的大發展，就必須抓住人工智能基礎研究與原始創新、技術研發、場景應用三個關鍵環節。高校在這三個環節中的人工智能基礎創新方面發揮著重要的作用，同時，也應當積極推動人工智能領域科研成果的轉化，將先進的理論技術運用到實踐當中去，使得人工智能技術更好地造福社會。

訪談者：您剛剛提到了一些美國的例子，國外高校也在積極地探索人工智能方面的學科建設，您認為有哪些值得我們借鑒的地方？

陳杰：人工智能已經成為改變世界格局的新工具之一，近年來，美國出臺了許多支持人工智能領域發展的政策法規和行動計劃。例如：2016年出臺《國家人工智能研究與發展戰略規劃》;2017年發布《人工智能未來法案》; 2019年，美國總統特朗普簽署《美國人工智能倡議》行政命令。通過對人工智能開展多層級、多角度的戰略部署，制定相關標準規范，推動美國在人工智能領域的快速發展。

美國高校也在人工智能學科建設領域開展積極的探索工作。例如：卡內基·梅隆大學（Carnegie Mellon University）為引領計算機技術和人工智能技術的發展及全球影響，建立了人工智能學院，將計算和人工智能的力量帶到所有領域，與學院的各個學科一起塑造計算和人工智能的未來;斯坦福大學成立“以人為本”的人工智能研究院（簡稱HAI），匯集了計算機、神經生物學、經濟學和哲學等領域的多名專家，集中開展人工智能領域跨學科合作，并將研究的關注點更多地放在人工智能倫理上。他們認為，在發展人工智能的過程中應當“以人為本”，著眼于人工智能對人類社會的影響，利用人工智能賦能人類而不是取代人類，并將人的智慧進一步融入人工智能。當前，全球人工智能人才需求迫切，據統計，2019年，全球人工智能人才需求達3000萬，我國人工智能領域的人才需求更加旺盛，這給世界各國人工智能高質量人才培養提出了新的要求。

三、同濟大學人工智能學科建設案例分析

訪談者：據悉，近年來同濟大學圍繞人工智能領域開展了許多工作，取得了不錯的建設成效，能否介紹一下同濟大學開展人工智能領域工作的相關背景與基礎？

陳杰：作為國際金融中心、在我國多個領域爭當排頭兵的上海，在服務國家戰略方面更是責無旁貸。目前，上海正按照黨中央和國務院的總體布局，全力建設全球有影響力的科技創新中心。在2019世界人工智能大會開幕式上，中共中央政治局委員、上海市委書記李強表示，未來的智能時代充滿無限可能，上海將會積極順應大趨勢、搶抓大機遇，以開放、包容、創新的精神擁抱人工智能，將上海建設成為人工智能創新策源、應用示范、制度供給、人才集聚的高地。同時，由于高等學校具有人才培養、科學研究、社會服務、國際交流合作的重要職能和先天優勢，故而在為我國新一代人工智能發展提供戰略支撐方面起到關鍵性作用。作為國家“雙一流”建設高校，同濟大學理應爭做我國人工智能相關研究的先行者與實踐者。

從2000年開始，同濟大學就依托優勢與特色學科逐步展開平臺布局與隊伍建設，推動學校人工智能創新。經過十余年的積累與磨礪，建成了智能科學及其相關領域的一流科研平臺，并匯聚了一支由院士、長江杰青等組成的國際化研究隊伍，培養了一批智能傳感與信息融合、智能認知與智能計算、自主決策與優化控制等前沿方向的學術骨干和中青年后備人才。此外，同濟大學先后承擔了人工智能及相關領域多項國家自然科學基金委與科技部國家重大研究計劃項目。在智能感知、智能計算、自主控制、分布式控制、智慧城市、智能交通、智能農業、智能制造、智能醫療等領域和方向取得多項重要突破，并在多個領域達到了國際水平。多篇高水平研究論文發表在Nature、IEEE Trans. SMC、IEEE Trans. Auto. Control、IEEE Trans. on CSVT等國際著名雜志上，在多個領域創造了國內外首創和第一。

同時，作為上海市人工智能學會理事長單位、中國人工智能學會、中國自動化學會和中國指揮與控制學會副理事長單位。同濟大學通過充分利用多學科交叉優勢以及在土木建筑規劃、機械汽車交通等傳統優勢領域的積累與優勢，腳踏實地、探索創新，在人工智能領域取得了眾多服務地方和引領產業的優秀成果。例如：同濟大學于2014年建設了國內首個“工業4.0—智能工廠實驗室”;自主研制了世界首套具有網絡智能功能的i5數控系統;2016年，聯合上海國際汽車城和上汽集團建設了中國首個“智能網聯汽車測評基地”;2017年，建立了全球首個IS3智慧基礎設施聯盟，擁有工信部授權的第一個國家智能網聯汽車試點示范區。此外，同濟大學在人工智能領域的多項研究成果已成功實現產業應用并取得了顯著的社會效益和經濟效益。依托長三角城市群智能規劃協同創新中心，建設了國內首個3000個城市聯網大數據平臺;無人駕駛控制技術在榮威E50純電動汽車上已經實現全線控自動駕駛，自主研發了國內首個智能交通系統（ITS）、全國首個智能快速路視頻分析平臺和首套擁有自主知識產權的城市軌道交通CBTC系統裝備;開發了面向特定場景應用的無人駕駛清掃車;自主研發了首套適合我國國情的低成本、高可靠性的溫室自動控制系統。

訪談者：在人工智能背景下，同濟大學傳統學科建設是否受到影響？學校又有哪些應對舉措？

陳杰：我認為人工智能必然會給同濟大學的傳統學科建設帶來影響，我把這種影響總結為“AI賦能，提升傳統學科新內涵”。所謂“AI賦能”，意思就是人工智能為同濟大學的現有學科提供了新的發展方向和發展可能性，為傳統學科建設注入了新動能，加速了傳統學科的內涵提升。

首先，在2018年12月召開的上海推進科技創新建設辦公室第八次全體會議上，依托同濟大學建設的上海自主智能無人系統科學中心揭牌成立。該中心不僅匯聚了上海的優勢資源，還集聚了來自全球各地的力量，瞄準世界科技前沿，力求為未來人工智能發展的重大科學需求做好準備。具體而言，該中心切實推進學科交叉融合，圍繞“自主與感知”“智能與涌現”“協同與群智”三大前沿熱點問題展開研究，從超材料感知、類自然計算、多體與協同、類腦與仿生等九大研究方向進行科研攻關，建設重大科技基礎設施和研發平臺，在智能傳感、類腦控制器、網絡協控技術等核心關鍵技術上實施重點突破，全力驅動智慧城市、智能建造、智能醫療、智能交通、智能制造、智能農業等領域產業變革。2019年7月23日，中共中央政治局常委、國務院總理李克強視察上海自主智能無人系統科學中心的科研成果時指出：人工智能就是要把人的智慧匯聚起來，更好地為人服務;要注重基礎研究，發展熱門產業也需要有甘坐冷板凳的人;要加強協同合作，把成果廣泛應用到制造業、服務業等領域，造福人民。

其次，學校積極主動承擔上海市“智能科學與技術”高峰學科，利用人工智能賦能傳統學科，推動跨學科、多學科的交叉融合，提升傳統學科新內涵。高峰學科圍繞智能科學與技術領域的科學問題實現學科交叉，融合控制與數學、材料與物理、航天與機械、微電子與通信、測繪與計算機、生物與醫學、汽車與交通管理等多學科開展人才培養和科學研究。“智能科學與技術”學科高峰以同濟大學為牽頭單位，還聯合了華東師范大學、華東理工大學、上海大學、上海理工大學等四所學校，充分發揮了同城協同與校際優勢互補的作用，共同建設上海智能科學與技術研究院。通過五校協同，打造創新型人才培養體系，培養國際化創新型高端人才。建立上海市的人工智能拔尖實驗區，設立面向本—碩—博貫通的人工智能拔尖實驗班。實施國際化人才培養戰略，通過與國際知名高校及科研院所構建多種合作模式，進行多層次國際化人才培養，通過短期或中長期訪問計劃、國際學術論壇等，拓寬國際化視野。通過設立人工智能研究生獎學金、提供國際博士后研究崗位等措施，增加國際博士后、博士生和碩士生招生。

最后，2019年3月，根據教育部公布的普通高等學校本科專業備案和審批結果，同濟大學獲批新增人工智能本科專業。同濟大學人工智能專業于2019年起招收第一批本科生，主要培養兼具理論研究素養和開發應用技能的人工智能相關領域人才。也就是說，同濟大學人工智能專業的學生不僅需要掌握人工智能領域的基礎理論，還需要了解人工智能及相關領域行業的進展，同時，能夠運用人工智能的基本原理與方法，設計有效的工程技術解決方案并加以開發應用。同濟大學的人才培養目標是“社會棟梁與專業精英”，未來從同濟大學人工智能專業走出去的學生將能夠在中國人工智能基礎研究、技術與產業發展中發揮領軍作用。2019年，同濟大學新增10個本科專業，其中，多個專業與人工智能相關，包括智能建造、智能制造工程、數據科學與大數據技術、微電子科學與工程等。