人工智能與新工科雙背景下工科教學改革研究

王鐵濱 管雪梅 王榮 白巖 邢鍵

[摘 要] 隨著信息技術的日新月異，人工智能技術也隨之獲得前所未有的進展。在未來發展過程中，工科專業將與多個領域和專業產生密切聯系，互相發展和協同發展更是大勢所趨。為此，當前新工科教育主要面臨各學科之間產生的交叉和融合問題。當前社會多個領域的發展都與人工智能技術密切相關，這就對當前的應用型工科專業教育教學提出了全新的要求，應用型工科專業教育教學改革十分必要和緊迫，改革應滿足當前社會對掌握多學科知識、水平高、能力強，具備創新性思維的高素質專業型人才的實際需求。

[關鍵詞] 新工科;人工智能;教學;改革;策略

[基金項目] 2019年度東北林業大學教改課題“人工智能與新工科雙背景下應用型工科專業的教學改革研究”;2019年度黑龍江省高等教育教學改革項目“新工科與工程教育專業認證雙背景下具有行業特色的工程人才培養模式研究”

[作者簡介] 王鐵濱（1977—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，東北林業大學信息與計算機工程學院講師，主要從事MIMO和OFDM研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）05-0054-04 [收稿日期] 2021-08-23

一、基于新工科和人工智能背景下工科專業改革的必然性

如果基于傳統工科在教育教學方面的特點對“新工科”的內涵進行解讀的話，“新”主要體現在工程教育的新理念、學科與專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系等。

全國近五年來，理、工、農、醫、哲學、歷史、管理、藝術等專業中，新增和撤銷數量最多的專業是工科專業，分別占總數的38.39%和26.94%。而工科專業中撤銷比較多的是電子信息專業和通信工程專業等傳統工科專業，新增比較多的則是人工智能、機器人等新興工科專業。比如浙江大學在2019年撤銷的十個本科專業中，就有電子信息和通信工程，新增的兩個本科專業則是人工智能與機器人，這是電子類專業發展轉型的一個典型標志。所以電類專業，尤其是電子信息、通信工程和自動化等專業，必須要勇于迎接時代大潮，乘上新時代發展的東風，將內容相近和有所交叉的人工智能的最新發展融入電子信息和通信工程的發展當中，不僅為了適者生存，也為了提高發展。當今很多高校設置了電子信息工程專業，并且越來越注重專業的應用程度，因此還推出了應用型電子信息工程專業，使該專業學生的電子信息應用能力及實踐能力得到了培養和提高。

目前，在高校轉型發展戰略下，新工科對高校特別是電子信息類專業建設提出了新的要求和新的方向。它既是挑戰，也是電子信息類專業發展的新機遇。因此，新工科背景下綜合性高校本科電子信息類專業必須積極調整專業結構，使電子信息類專業布局與新興產業接軌，同時加快傳統電子信息類專業轉型升級，特別是在工程人才培養方案、培養模式等方面進行開拓創新[1]。

由此可見，基于新工科和人工智能雙背景下的應用型工科專業教學改革，是未來的發展趨勢和前進方向，且前景廣闊。

二、電子信息工程類專業改革的必要性

傳統學科的設置通常按照其包含的知識的種類和關系，從精細的領域進行劃分，但在當下日新月異的前沿新興科技發展和解決龐大問題需要的驅動下，傳統學科領域按照知識劃分產生了巨大的局限性，如傳統專業設置大多體系封閉、彼此獨立，各專業領域關聯度低，學科的交叉融合少，當下重大科學及工程問題的解決只靠一個學科是難以獨立支撐的。比如人工智能學科就涉及電子信息、通信工程、計算機、軟件、自動化、電子、機械、人體動力學、心理學和哲學等不同科學領域。

當今社會，一方面，每年大約有本科畢業生800萬人面臨就業困難;另一方面，每年國家有上千萬的技術工種無人應聘。這種巨大的供需矛盾也集中反映在電子信息專業上。隨著電子信息產業的飛速發展，社會對電子信息類相關專業的人才需求越來越迫切，但一方面企業找不到電子信息專業合適的人才，另一方面電子信息的高校畢業生找不到理想的工作。

造成這種局面的原因在于傳統電子信息專業在培養人才的過程中，只注重知識的傳授，缺乏對學生實踐動手能力的培養，也脫離了社會電子信息產業的實際需求，學生不具備走上工作崗位最重要的實際工程開發和應用能力。要解決這一問題，我們必須結合“新工科”背景下工程教育的新目標、新思路、新方法和新需求，對電子信息類專業進行大刀闊斧的改革，尤其是增設“人工智能”專業。在教育部發布的《關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》中提出，必須重視人工智能與其他學科專業教育的交叉融合。隨后教育部在《高等學校人工智能創新行動計劃》中也強調了要加強人工智能領域的專業建設，推進“新工科”建設，形成“人工智能+X”的復合專業培養新模式。

通過教學方法的改革，教學實踐的創新，讓教育教學與人工智能深度融合并智能化、高效化發展，有助于將傳統工科教育升級成新工科的教育模式。

信息類專業建設在“人工智能+X”總體框架下，構建出跨學科的綜合性、復合型專業課程體系，在交叉融合和工程實踐動手能力的鍛煉中，培養出符合新工科標準的創新人才。

三、雙背景下應用型工科專業的教學改革措施

上述內容主要針對應用型工科專業改革的必要性和必然性展開詳細的分析，在實施教學改革工作的過程中，應該注重層次化和模塊化的設計，針對學生當前的學習情況，結合具體的課程要求，讓學生由淺入深地參與各種類型的實驗教學活動。要求學生全面掌握實驗教學的目標和步驟，通過這種方式，讓學生在實踐操作過程中實現實踐能力和創新能力的有效培養。在人工智能和新工科雙背景下，教師應該針對傳統工科教育存在的問題和困境，大力結合人工智能技術的優勢，進一步開發和設計教學內容，結合工科專業的課程要求，設計四個層次的實驗教學內容，有助于進一步提升工科專業人才培育效果。

（一）推進“理論+實踐”一體化的教學模式

針對傳統的工科專業教學情況，大部分教師將教學重心放在理論教學方面，而且主要通過閉卷理論考核的方式評估教學效果，這種教學方式忽略了實踐教學的重要性，學生的主體作用在課堂中沒有得到充分的發揮和展示，導致教師對學生實際情況缺乏了解和掌握。為了有效幫助學生提高自身的專業技能水平，讓學生在實踐操作過程中實現創新能力的有效培養，教師應該采取理論與實踐一體化的教學模式，加大實踐課程的比重，在學校的支持下，為學生建造更加合適的教學環境。在工科專業教學工作的開展過程中，教師應該有意識地將理論教學與實驗教學有機結合在一起，帶領學生了解各種類型的實驗教學內容。通過這種方式，及時收集學生的課堂反饋，有助于針對學生的表現及時給予有效的指導和幫助。理論和實踐課程二者之間能夠相互促進，能夠有效解決以往傳統教學模式落后的問題，幫助學生更加直觀地了解工科專業的教學目標和要求。為了有效培養學生靈活運用專業知識處理實際問題的能力，除了加強理論教學工作，幫助學生打好扎實的基礎之外，還應該設計不同層次的實驗教學內容，其中主要包括基礎實驗、綜合實驗及創新實驗。教師應該結合不同的實驗設定相應的人才培養目標和方向，在操作過程中帶領學生充分地掌握和了解實驗的具體步驟與原理。

針對基礎實驗，除了要帶領學生采用基本的實驗方法進行學習之外，還要讓學生充分利用自身所學的理論知識參與實驗技能的訓練。通過這種方式，幫助學生打好扎實的專業基礎，讓學生在實踐過程中對電子信息工程類專業的理論知識體系有所了解。教師應該向學生詳細地介紹實驗的內容和步驟，引導學生自主參與實驗操作。針對綜合實驗，教師應該引導學生根據已有問題自主探索解決方案，通過這種方式進一步提高了學生的應用能力，學生在解決問題的過程中，要對自身所掌握的專業知識進行系統的整理，根據實際情況和需要運用相關內容。針對創新實驗，教師旨在培養創新型人才，除了向學生介紹各種創新項目和大賽之外，還應該關注學生的表現情況，引導學生針對項目要求進行積極主動的思考和探索。

（二）構建“平臺+模塊”的專業課程體系

為了進一步推進工科專業課程教學改革工作的實施，學校應該支持教師構建平臺與模塊共行的課程體系，借助先進的人工智能技術，切實捕捉學生的實際訴求和個性偏好，對學生的實際情況和相關信息進行整理和歸納，進一步建設有效的課程平臺。通過統一的課程平臺為學生提供豐富的教學資源信息，同時讓學生參與各種虛擬實驗，在先進技術的支持下體驗各種課程。通過利用課程平臺，有助于培養學生的基本素養。教師可以通過統一的平臺，為學生發布教學任務，將專業人才培養的要求貫徹于整個教學環節。作為教師應該根據學生的實際情況，按照工科專業的課程，要求設計遞進的公共課和專業必修課程，在學生完成基礎課程的任務之后，鼓勵學生根據自身需要選擇個性化的課程參與訓練，在課程平臺中有效發揮學生自主學習的積極性。除此之外，學校也應該設置專門的個性化課程模塊，結合當前工科專業技術崗位的具體要求，有針對性地設計專門的選修課程內容，為學生提供更加豐富的教學資源。這在當前的背景下，有助于激發工科專業學生學習知識的積極性，讓學生能夠根據自身個性發展的需求和職業生涯規劃的內容，選擇適合自己的教學資源進行學習。借助個性化的模塊有助于打造獨立的專業培養方向，教師能夠從更加多元化的角度評估學生的學習情況。

在建造平臺與模塊共行的實驗課程體系過程中，教師應該結合工科專業所涉及的實驗內容，合理規劃各個板塊的主要內容，進一步加強對學生共性和個性的了解，以此作為課程體系設計的前提和基礎。采取這樣的課程體系，有助于突破工科專業之間的界限，讓學生靈活運用學習資源，不斷豐富和充實自己。教師也應該根據不同的培養目標，進一步完善相應的課程模塊內容，及時監測和了解學生的實際情況，進一步滿足學生全面發展的實際需求，引導學生加強對各類實踐活動的參與，有助于培養工科專業的應用型人才。

（三）不斷“設計+開發”專業教學內容

將人工智能技術與工科教育有機結合在一起，能夠有效提升教學的實際效果，為此，必須要不斷加強對課程內容的設計和開發，以更好地滿足學生全面發展的實際需求。為了有效實施此工作，學校和教師應該進行全面分析，對工科專業學生的接受能力，以及學習過程中的問題和不足進行詳細了解，進一步把握學生群體的特征，制訂更加詳細的培養計劃。在明確培養目標之后，可以開展課程內容的設計和開發工作。課程內容的設計和開發階段耗時最長，而且需要綜合考慮多種因素。教育部應針對應用型工科專業人才的要求，制定教材的主要內容，按照由淺入深的順序設計基礎理論知識和高級理論知識，讓學生在學習的過程中，逐步打好扎實的學習基礎，并且參與相關的實踐內容訓練，將理論與實踐進行緊密的結合。在設計教學內容的過程中，應該對理論部分配以解釋型的圖像和圖表，通過這種方式幫助學生加深對理論知識的掌握。在設計實踐內容的過程中，學校和教師應該共同進行規劃，按照難易程度設置遞進的實驗。學校應該加大投入，為學生建造相匹配的教學環境，進一步改善教學條件，便于教師教學工作的開展。教師在引導學生拓展知識的過程中，可以借助一些機器人的重要作品，為學生講解相關知識和重點，或者為其安排一些任務，從而自主探索解決實際問題的辦法。除此之外，學校應該加強與校區之間的合作和交流，不斷完善教學視頻的質量，采取合格的教具開展教學工作，增添趣味性教學的內容。高校應該結合工科專業崗位的實際要求，引導學生提前做好職業生涯規劃工作，幫助學生全面了解自身的情況，結合具體的人才培養方案參與專項訓練。學校應該加強教學工作的推廣和宣傳，除了采用線下面授的方式之外，還可以借助各種先進的平臺和技術，進一步拓寬學生獲取資源和信息的渠道。

（四）制定多元化的教學效果評估標準

為了進一步提高教學改革的效果，教師應該不斷完善教學評估的標準，開展多元化的實驗教學評價措施。教學評價對人才培養具有重要的影響和作用，在一定程度上來說，教學評價的成果，有助于為人才培養方向提供重要的參考依據，教師能夠根據教學評價及教學反饋的成果，進一步完善人才培養策略。在當前新工科的背景下，教師應該制定更加完善的教學評價體系，將教學重心放在教學過程的實施上，將人才培育的目標落實在各個環節中。除此之外，學校應該加強對教師專業能力的培訓，支持教師參與各種實踐和訓練，進一步提升師資的整體水平。為了幫助工科專業學生提高自身的應用和實踐能力，學校應加大投入，進一步完善教學條件和環境，為教師提供更多的使用新型教學方法和手段的空間。教師在制定教學評估標準的過程中，應該綜合考慮教學效果和學生的學習效果，以人才培養為主要導向，采取多元標準對教學過程進行評價[2]。

教師應該進一步引導學生對整個學習過程進行觀察和思考，對其中所涉及的一些關鍵和重要的問題進行研究，及時提出自己在學習和操作過程中所面臨的問題和困難，有助于為教師提供有效的課堂反饋。根據這些信息，教師能夠進一步改進和完善教學措施，有效提升教學質量和教學效果。在人工智能技術的支持下，教師應該采取線上和線下雙重評價機制，根據所收集到的反饋信息，不斷地改善和修訂教學內容，進一步加強對硬件設施的建設，確保學生在良好的學習環境中提高對實踐訓練的積極性。在設計評估標準的過程中，應該結合一定的鼓勵機制，引導學生加入關鍵技術和新型技術的研究，結合現階段在專業課程學習中存在的問題，積極提出有效的建設性意見。

綜上所述，在人工智能和新工科的雙背景下，培養應用型工科專業人才至關重要，完善工科專業實驗教學體系的建設工作是一項復雜的工程，但在當今社會發展的過程中，積極進行工科專業教學改革很必要。學校應該結合工科專業的發展需求和特征，以學生為中心，采取理論和實驗相結合的教學模式，結合課程要求不斷設計和開發教學內容。除此之外，應該進一步加大實踐課程的比重，利用人工智能技術構建更加先進的實驗和學習平臺，加強師生之間的溝通和交流，通過這種方式有助于構建更加完善的人才培養模式，推動高校培養更多應用型工科專業人才。

參考文獻

[1]李茂國，朱正偉.工程教育范式：從回歸工程走向融合創新[J].中國高教研究，2017（6）：30-36.

[2]王保建，王永泉，段玉崗，等.“新工科”背景下國家級實驗教學示范中心建設與實踐[J].高等工程教育研究，2018（6）：47-54.

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