新工科+人工智能背景下專業教育研究

齊子姝 馬軍彥

◆摘? 要：分析新工科建筑環境與能源應用專業課程設置中課程綜合性不強、跨學科課程缺乏、學生分析工程技術問題能力不足和實踐環節落后等問題，提出將人工智能融入教學各個環節。課程教學改革分步走：首先是基礎學習，然后是綜合提升。通過在基礎課程教學中增加人工智能知識、跨學科教學以及完成綜合項目設計等方法，提升學生人工智能綜合應用、主動獲取、實踐操作、溝通協調和創新創業能力。

◆關鍵詞：新工科;人工智能;教學改革;創新

1 引言

以人工智能、大數據等前沿技術為代表的新一輪科技革命和產業變革正深刻改變著高等教育，近年我國不斷出臺政策推進人工智能教育的發展。2018年教育部發布的《高等學校人工智能創新行動計劃》進一步明確了人工智能與教育融合發展，促進高等教育創新發展的總體規劃。

近年來，隨著計算機技術發展及大數據的廣泛應用，伴隨人工智能在不斷創新使其在社會發展中的作用越來越重要。高校傳統教育對學生的教授思路局限，學生的個性很難得到發散和促進。傳統的教學模式對學生的創新思維發掘和擴展能力有限，在這種背景下，基于人工智能的教學改革更有利于拓展課堂教學環境和學生思維，是未來教學改進的重要組成部分。建筑環境與能源應用專業是以改善居住環境、提高能源利用為主的綜合性學科。在營造人工環境的同時，注重建筑及建筑設備能源的高效利用。當前建環專業的人才培養目標為： 學生通過了解中國能源資源狀況和社會可持續發展相關的法律法規，建立可持續發展理念，在建筑環境工程設計和實施過程中，主動推廣使用節能環保材料。在建筑環境與能源應用專業的培養體系中，注重學生基本熱力學理論與工程設計的培養，知識體系完整而全面。如何在新工科和人工智能的浪潮下，對建筑環境與能源應用專業的教學工作進行適應性改革，促使建環專業學生能夠具備主動高效獲取知識能力、基礎性的實踐操作能力、溝通協調與表達能力、創新創業能力和解決復雜工程問題能力等。為適應社會發展需求，應用人工智能技術，通過建環專業的教學改革是非常緊迫的任務。

2 建筑環境與能源應用專業現狀

建環專業的任務是以人工建筑為主要研究對象，綜合采用供暖、通風、降溫、凈化等人工環境與能源利用技術，去創造適合人民群眾生活與工作的健康、舒適、高效的建筑環境以及滿足科學實驗、特殊生產工藝過程要求的環境。專業主要使命是以達到最高效的能源利用及綜合考慮經濟適用條件下，營造健康的建筑環境，專業內涵包括室內外環境、節能減排等領域。在新工科與人工智能環境下，建筑環境與能源應用專業學生在培養過程中存在以下不足，很能滿足當前社會對建環專業人才的需求。

2.1教學模式陳舊

當前，專業主干基礎課例如空調工程、傳熱學、流體力學、建筑給排水等依然通過PPT+板書的傳統教學模式，對學生進行知識灌輸和講授，不能有效激發學生的主動探索學習能力。注重對課后習題的書面解答，缺乏可視化的案例教學。學生對紙面上的簡單計算可以駕馭，但是面臨復雜的工程設計，解決綜合分析問題的能力不足。

2.2綜合實踐能力不足

建筑環境與能源應用專業培養方案和授課計劃中，理論教學占比較大，實踐教學配比偏低。一方面擔任教學任務的多數教室沒有實際工程技術實踐經驗，實踐教學仍以書面知識講授為主，缺乏實際項目支撐;其次，學生的實踐教學多以參觀為主要手段，走馬觀花，只了解工程項目大概表象，不能深入工程設計環節，很難有效結合課程教授內容，即對課程講授內容起不到促進理解作用，同時又與理論知識相脫離。最終，理論知識得不到應用，培養模式缺乏與新時代人工智能相適應的工程能力。

2.3跨學科課程不足

當前建環專業的培養方案中出本專業課程外缺少跨學科課程。人工智能涉及數據挖掘、智能控制、先進材料等學課程，大部分學校均未開設。在實踐環節當中，學生跨學科綜合項目實踐同樣缺乏。

因此在人工智能普遍應用及其快速融入高校“新工科”建設的背景下，建環專業課程設置應契合時代發展的需求，在課程體系中加入人工智能課程，創新開展融入“新工科+人工智能”的理念和模式，使學生具備人工智能開發和研究的基礎和能力。

3 教學改革實施過程

以工程技術為依托，采用以學生為核心的項目驅動方式，教師的教學理念要轉化到能力培養上，人才能力的培養才能使學生終身不斷進取。系統設計綜合項目，分階段推進。

3.1人工智能基礎教育階段

基礎教育仍然以基本理論學習為核心，如高等數學、數值計算方法、自動控制原理等，這些課程以人工智能為背景，以習題或課程設計的形式展開人工智能相關基礎教育。在課程教學實施過程中，基本知識通過線上慕課的形式展開，課堂研討主要解決問題。教師設定問題發給學生。把課程學習分成若干階段，學生以小組為單位，對各個階段目標進行團隊分析，提出滿足設計要求的方案。每個階段完成時，教師對結果進行檢查或者學生互相評判，學生通過演示、答辯來展示本組完成的工作。

3.2人工智能綜合提升階段

借助開展虛擬仿真實驗教學能很好地實現理論教學與實踐教學的一體化。緊密結合專業前沿知識，對提高學生素質，促進學生的學習能力、實踐能力和創新能力具有重要作用。畢業設計是培養學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力的重要途徑。建立與土木、建筑電氣、自動化、計算機專業學生協作團隊，共同模擬設計院場景進行多專業綜合項目實踐。還可以通過大學生創新創業訓練培養學生的實踐能力。大學生創新創業項目為學生提供自主實踐、學習的平臺，引導學生獨立自主完成項目。項目的構思、設計等都由學生獨立完成。通過上述實踐項目不僅培養了學生自主創新意識，主動學習能力，培養學生的團隊協作精神，激發學生的鉆研能力、實踐能力，還可以促進學生自主創業。

4高校新工科人工智能人才培養有效方法1C1F73FA-4FF7-4100-9F5B-B89224249668

為培養新工科創新應用型人才，可以采用以下幾種有效方法，分別是改革創新法、問卷調研法，課堂案例法、校外體驗法。創新改革法是在實際課堂中，學生進行自主思考、自行實驗的一種方法。由老師提出問題，講解關于該問題的一些最基本的專業知識，其它的內容由學生自行思考，自行查閱文獻、自行確定方案、自行總結過程中遇見的問題以及中間的收獲。教師通過課堂上的觀察以及學生們的總結情況，對遺漏知識進行補充說明，并且提出過程中的問題與改善措施，以及對操作過程的細節進行補充等等。問卷調研法，是指通過制作并向廣大師生發放問卷的方式，來統計調研學生對于新工科創新應用型人才培養模式的建議和對高校教學方法改革的期望以及教師對人才培養模式的思考與主張，由此不斷優化該培養模式。課堂案例法是指由教師提出近期某工程的真實案例，讓學生進行分析，分組思考、討論，自行解決整個過程遇見的問題，包括對于陌生知識的查閱，材料的分析與了解，環境的保護等等，教師負責引導協助學生進行整個方案的制作以及在適當的時候給予一定幫助。校外體驗法是指通過組織學生在校外的參觀與實習來培養學生的創新意識，提升學生的創新思維以及使其能掌握和運用到真實的工作中。

以改革創新法為例：

①將教學課堂變為開放課堂，從朝前看變成面對面。學生分組而坐，用討論式課堂代替聆聽式課堂。

②定期要求學生上交此階段對于本專業的各類心得體會。開始要求學生觀看專業重要期刊，掌握專業重要事件，收集專業工作中經典案例，以文字形式定期展示自己的理解和感悟。

③舉辦課堂辯論賽，由教師選擇一實際工程中所出現的專業問題，由各組同學進行辯論比拼，最終選出最優方案。

④舉辦校級交流會。校內相近專業間，校與校同專業之間進行互訪，坐在一起共同交流，共同進步。教師分享有效的教學方式方法，學生分享在課堂以及實習過程中彼此的心得體會。以促進各高校教育水平進步，揚長避短，增加創新應用型人才培養的經驗及手段。

⑤積極鼓勵學生參與各類大學生創新創業競賽項目。由三五同學進行組隊，共同參與各類校級、省級、國家級的大學生創新創業競賽，在過程中豐富知識，開發思維，鍛煉能力。學校依據成績的好壞給予相應的學分或成績獎勵，激發同學們的興趣。

⑥鼓勵學生參與各類創新創業項目，多多鉆研，發表論文和專利者，給予一定的學分或者成績獎勵。將科研融入到日常學習和生活中去。

⑦考試機制變化。不再僅僅局限于一個教室，一張試卷，可以擴展到室外或者擴展為多人共同完成。以達到真正學有所思，學有所用的效果。使學生更具備成為創新應用型人才的能力。

以土建類專業校外體驗法為例：

①施工單位進行基本工作體驗。從頭開始，要求學生認真觀察本專業所需的工作內容及和其他專業的銜接內容，認真記好各項規范要求和操作的方法。

②專業設計院進行復雜交叉專業配合體驗。要求學生在過程中熟練掌握制圖技能，將日常所學與實際設計相結合，以至于在未來能更好的、更人性化的工作，增加就業競爭力。

③其它專業類單位從事體驗。要求學生多聽多看，多問多做。能真正有所學，有所對照，有所收獲。能在實習體驗過程中尋找到思路，成為高素質高水平的創新應用型人才。

④其它土建類高校進行參觀學習。通過交流，不斷完善創新應用型人才培養模式，學生也能在交流中有所收獲。

以地方土建類高校為例，為使畢業生能夠適應建筑業轉型升級，結合地域性建筑工程特點，在教學工作中通過專業基礎知識的交叉融合，搭建通識性理論平臺;強化雙（多）專業課主線，突出地域特色;注重實踐教學環節與工程實際結合，滿足行業人才需求。新工科人工智能人才培養方案制定應該充分認清就業現狀，并以此為出發點、落腳點，全面深入的分析創新應用型人才培養的模式，以此為各高校提供創新應用型人才培養模式的理論依據，使其更好更快的開始進行創新應用型人才的培養。

5 結語

隨著科技的進步以及與廣大人民群眾提升生活品質的要求，建筑環境與能源應用工程專業的內涵在不斷拓展，從最初的“供熱、供煤氣及通風”到現在提升自然資源利用率，以最低的能源消耗構建適宜的人居環境。云計算、大數據、物聯網等現代技術在建筑行業的廣泛應用，對建環專業人才培養也提出更高層次的要求。開展新工科與人工智能背景下建筑環境與能源應用專業課程教學改革，通過分步走的人工智能培養實踐，將有效提升現有的課程教學模式，積極調動學生對新技術的求知欲，極大提高學生人工智能開發與研究能力，培養具有創新創業意識和能力的新工科人才，以適應現代建筑業的高速發展。

參考文獻

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基金項目：

吉林省教育教學“十三五”規劃2020年度一般課題—面向新工科人工智能人才培養研究（GH20129）。1C1F73FA-4FF7-4100-9F5B-B89224249668