基于人工智能技術(shù)的新工科人才培養(yǎng)模式改革探索＊

董君

（河南工學(xué)院管理學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[1]指出，迎接數(shù)字時代，激活數(shù)據(jù)要素潛能，充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場景優(yōu)勢，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式。適應(yīng)數(shù)字技術(shù)全面融入社會交往和日常生活新趨勢，促進(jìn)公共服務(wù)和社會運(yùn)行方式創(chuàng)新，構(gòu)筑全民暢享的數(shù)字生活。數(shù)字化是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，數(shù)字化社會的發(fā)展，涵蓋各個產(chǎn)業(yè)的方方面面，包括數(shù)字化文化、數(shù)字化服務(wù)、數(shù)字化制造、數(shù)字化醫(yī)療、數(shù)字化金融等等。而信息化產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的前提則是需要對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)夯實(shí)基礎(chǔ)，加大數(shù)字化設(shè)施建設(shè)人才培養(yǎng)力度，構(gòu)建更為完善的數(shù)字化建設(shè)人才引進(jìn)機(jī)制，加強(qiáng)數(shù)字化人才供應(yīng)鏈體系建設(shè)是社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的根基。全球各個國家對人工智能、計算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)挖掘與分析、電子工廠、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等工科專業(yè)的人才需求快速增長，在這樣的背景下，對全國高校新工科專業(yè)建設(shè)和發(fā)展提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”新信息技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下，高等學(xué)校也必須加快教育范式轉(zhuǎn)型，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。教育部提出了以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為核心，包括新工科、新農(nóng)科、新文科、新醫(yī)科在內(nèi)的“四新建設(shè)”，“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0”，“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革燎原計劃”等[2]。新工科建設(shè)，不僅需要在交叉融合工科專業(yè)進(jìn)行智能創(chuàng)新性地系統(tǒng)構(gòu)建，而且還需要培養(yǎng)具有跨學(xué)科整合能力、自主學(xué)習(xí)能力、較強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力以及具有較高國際格局和國家情懷的新工科人才。近年來，國內(nèi)很多專家學(xué)者展開了關(guān)于新工科建設(shè)和改革的研究和探討：侯翠紅等[3]以鄭州大學(xué)化工專業(yè)為案例，從人才培養(yǎng)方案、課程體系的構(gòu)建、教學(xué)模式的改革等方面進(jìn)行新工科建設(shè)，對其他學(xué)科的發(fā)展具有參考價值和借鑒意義；陳斌等[4]基于“雙碳”背景下環(huán)境類專業(yè)新工科建設(shè)方案進(jìn)行理論和實(shí)踐探究，指出了新工科發(fā)展中應(yīng)該采取的建設(shè)策略以及有效途徑；梁建[5]利用區(qū)塊鏈平臺技術(shù)，對新工科的人才培養(yǎng)模式進(jìn)行智慧化管理研究，對大學(xué)生的個性化特點(diǎn)、專業(yè)特長、個人學(xué)習(xí)情況和成績進(jìn)行智能管理和有效跟蹤評價，避免了傳統(tǒng)課堂教師對學(xué)生的主觀判別，運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)模式的改革；周佳慧[6]對“新工科”人才培養(yǎng)的必要性進(jìn)行了剖析，并從加強(qiáng)學(xué)生人工智能文化、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、利用人工智能技術(shù)輔助教學(xué)等方面進(jìn)行了人才培養(yǎng)策略的闡述。

本文利用大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)進(jìn)行新工科教學(xué)模式的設(shè)計和探討，挖掘智能教學(xué)新形態(tài)，助力新工科專業(yè)建設(shè)、學(xué)科教育與信息化數(shù)字化時代接軌，提升人才培養(yǎng)方案、課程體系架構(gòu)的科學(xué)性、適用性和有效性。

1 人工智能技術(shù)下新工科課程體系的建設(shè)

2018 年教育部在印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》文件中指出，高校是科技第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，在人才培養(yǎng)方面，需要推進(jìn)“新工科”建設(shè)，形成“人工智能+X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式[7]。按照“新工科”人才培養(yǎng)要求，注重人工智能技術(shù)與各個學(xué)科的交叉融合，注重對復(fù)合型人才能力的培養(yǎng)，對課程培養(yǎng)體系進(jìn)行重構(gòu)，增加相關(guān)專業(yè)的通識類必修課程，讓學(xué)生掌握和理解專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)知識，為后續(xù)實(shí)踐類課程、創(chuàng)新類課程的學(xué)習(xí)做好鋪墊；以賽促學(xué)，將相關(guān)專業(yè)的國家級、省級比賽、資格考試認(rèn)證等相關(guān)要求和考點(diǎn)納入實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)之中，增加動手操作熟練度的同時，明確知識學(xué)習(xí)的針對性和目的性，積極參與相關(guān)比賽，增強(qiáng)自身榮譽(yù)感，同時提升實(shí)踐課程學(xué)習(xí)的動力；加大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程的開設(shè)力度，是現(xiàn)代高校建設(shè)發(fā)展的重要模式和對新工科人才培養(yǎng)的主要方向[8]，極力打造產(chǎn)教研協(xié)同育人的具有中國特色和工科教育競爭力的新體系。在高校已經(jīng)開設(shè)的人工智能、數(shù)據(jù)挖掘與分析、機(jī)器人課程等基礎(chǔ)上，與各個工科專業(yè)交叉融合，結(jié)合課程發(fā)展前沿應(yīng)用實(shí)踐以及就業(yè)崗位技術(shù)剛需要求，開設(shè)“文本處理”“圖像識別”“自動駕駛”“量子計算”“智慧會計”“智慧金融”“智能制造”等人工智能技術(shù)支撐下的跨專業(yè)交叉課程。注重人工智能技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)前沿課程的制定和學(xué)習(xí)，比如“Python 編程”“Matlab 數(shù)據(jù)分析”“智能算法”“系統(tǒng)工程”“Plant Simulation 生產(chǎn)仿真”“數(shù)據(jù)可視化”“人因工程”等，為人工智能技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。此外，有效利用人工智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行課程體系的設(shè)計和制定，例如依據(jù)學(xué)生對選修課程的歷年選擇和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效爬取、收集、聚類和分析，形成標(biāo)簽數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測出學(xué)生的興趣點(diǎn)和未來選課趨勢，有針對性地制定課程體系和開設(shè)相關(guān)課程。

2 人工智能技術(shù)下新工科課程教學(xué)模式和方法的創(chuàng)新

混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式通過人工智能技術(shù)和新的線上線下教學(xué)方法，讓教師在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)任務(wù)中解壓減負(fù)，從而騰出更多的精力和時間進(jìn)行課程創(chuàng)新和“全面育人”的探究。課前線上資料的準(zhǔn)備會占據(jù)教師大部分的時間，而對熱點(diǎn)前沿知識的拓展、對專業(yè)知識音視頻資料的挖掘、對思政元素的開發(fā)、對比賽題目的分析等，全部可以依托人工智能技術(shù)的個性化推送服務(wù)，依據(jù)教師網(wǎng)絡(luò)搜索熱點(diǎn)，利用推薦算法，進(jìn)行過濾推薦，大大地提高教師資料準(zhǔn)備的效率。同時能夠依據(jù)學(xué)生的瀏覽閱讀情況，針對學(xué)生興趣點(diǎn)進(jìn)行人工智能回歸分析、個性化推薦建議，并附帶相關(guān)圖書推薦、選修課程推薦、就業(yè)規(guī)劃推薦、考研學(xué)校及專業(yè)指導(dǎo)等等。在社團(tuán)填報、比賽組隊(duì)過程中，為避免過去同學(xué)自主組隊(duì)或者教師指定的盲目性，通過人工智能技術(shù)的聚類分析算法進(jìn)行學(xué)生的聚類，選擇相同愛好和特長天賦的同學(xué)組成相同社團(tuán)組織，集思廣益創(chuàng)新社團(tuán)發(fā)展；同樣比賽組隊(duì)類似，依據(jù)比賽特點(diǎn)和各個環(huán)節(jié)的人才需求，從不同學(xué)科背景、專業(yè)下挑選相應(yīng)人選進(jìn)行組隊(duì)參賽。在聚類形成的各個學(xué)生群的基礎(chǔ)上，擇優(yōu)選擇，科學(xué)搭配人員比例，更有利于同學(xué)之間的配合和獲得優(yōu)異成績。

同時線下課堂教師可以利用人工智能技術(shù)中的語音識別，對教師講授、學(xué)生討論、回答問題中的音調(diào)進(jìn)行有效識別和糾正，可以在助力全民推廣普通話交流的同時，大大提高學(xué)生普通話考試的通過率，同時還能夠輕輕松松地在上課過程中提升內(nèi)化能力指標(biāo)，一舉多得。通過人工智能技術(shù)虛擬體驗(yàn)式教學(xué)、協(xié)作式教學(xué)，彌補(bǔ)線下課堂授課枯燥乏味的缺點(diǎn)，增添課堂學(xué)習(xí)樂趣，拓展學(xué)生視野，在高新技術(shù)的支持下，讓學(xué)生更加明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)。依據(jù)人工智能技術(shù)的文本識別功能，教師可以借助網(wǎng)上教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)學(xué)生作業(yè)的自助批閱，省去了大量重復(fù)性操作，提高工作的效率，并能夠?qū)Τ鲥e題目進(jìn)行歸類，在下一次作業(yè)布置環(huán)節(jié)有效借助網(wǎng)絡(luò)推送相關(guān)題目進(jìn)行復(fù)查。創(chuàng)建錯題庫，為期末考試之前的復(fù)習(xí)階段提供參考和重難點(diǎn)答疑，有效提升學(xué)生的考試及格率。

3 人工智能技術(shù)下實(shí)踐平臺的搭建

傳統(tǒng)高等教育的主要問題在于重理論教學(xué)，輕實(shí)踐操作，這導(dǎo)致了學(xué)校所學(xué)知識和實(shí)際企業(yè)就業(yè)崗位需求的脫離，畢業(yè)生很難進(jìn)入大規(guī)模企業(yè)就業(yè)環(huán)境中，或即使成功應(yīng)聘也需要很長時間對軟件的開發(fā)設(shè)計環(huán)境平臺進(jìn)行熟悉。因此向人工智能下的驅(qū)動式教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)、模塊化教學(xué)和主題式教學(xué)轉(zhuǎn)變是高校“新工科”發(fā)展的方向和趨勢。將實(shí)踐教學(xué)分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐2 部分，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要對課程要求的基本實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)成果的學(xué)習(xí)，課外實(shí)踐主要涉及創(chuàng)新性學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、校企協(xié)作等培養(yǎng)項(xiàng)目。利用虛擬化教學(xué)資源，將理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作和人工智能搭建，數(shù)據(jù)搜集、清洗、挖掘、存儲、分析、可視化展示等實(shí)戰(zhàn)內(nèi)容融為一體，培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識學(xué)習(xí)和掌握能力。結(jié)合校企合作共建，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下將高校實(shí)踐平臺和各個企業(yè)緊密相連，學(xué)生可以依據(jù)自己的個性化學(xué)習(xí)需求，在指定的線上網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行預(yù)約學(xué)習(xí)。人工智能可以對教師、學(xué)生學(xué)習(xí)的智能理論、方法、技術(shù)等進(jìn)行模擬、延伸和拓展，生成與真實(shí)人類學(xué)習(xí)感知、情感反應(yīng)類似的智能機(jī)器。同時作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的實(shí)訓(xùn)平臺，依據(jù)不同學(xué)科的競賽信息，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)功能模塊的科學(xué)劃分，有針對性地為參與各個環(huán)節(jié)的學(xué)生提供專項(xiàng)訓(xùn)練，增大競賽成功的概率[9]。

人工智能在實(shí)踐平臺搭建的另一個重要功能，是對大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，充分利用其潛在價值，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐。在實(shí)踐平臺上進(jìn)行大量國內(nèi)外公開優(yōu)秀學(xué)生活動成果的收集，并進(jìn)行本校學(xué)生優(yōu)秀成果的補(bǔ)充，利用隨機(jī)森林算法、LightGBM、XGBoost 等分類算法[10]對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行建模分析、歸納分類，進(jìn)行新數(shù)據(jù)的預(yù)測以及各個影響指標(biāo)的權(quán)重分析。此外將諸如數(shù)據(jù)驅(qū)動、自我學(xué)習(xí)、迭代優(yōu)化、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能思維和實(shí)踐平臺的教學(xué)設(shè)計策略相整合，讓學(xué)生真正理解人工智能的教學(xué)理念。

4 總結(jié)

在人工智能技術(shù)的輔助下，教師個性化的教學(xué)設(shè)計和學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求成為了新工科人才培養(yǎng)體系中的亮點(diǎn)。將人工智能技術(shù)與高校傳統(tǒng)工科專業(yè)相融合，要求教師與當(dāng)代信息技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)，改革教育模式，掌握智能化教學(xué)技術(shù)和平臺軟件。不僅有利于人工智能技術(shù)在教育行業(yè)的快速研發(fā)，而且能加快促進(jìn)科學(xué)范式向工程范式的變遷。以引領(lǐng)社會需求和工程技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐為核心教育理念[11]，以能力卓越、產(chǎn)教學(xué)協(xié)同育人為教育目標(biāo)，制定多學(xué)科交叉、柔性化的專業(yè)培養(yǎng)方案，以學(xué)生“學(xué)”為中心，塑造多元化的人才培養(yǎng)創(chuàng)新體系，全面提高工程教育人才質(zhì)量。加快國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)和國家在線精品課程的開放，重塑課程培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)教學(xué)水平和學(xué)習(xí)水平的雙提升。