人工智能背景下大氣科學(xué)專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)

李 騫，周愛霞，李妙英

（國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，湖南 長沙 410073）

引言

人工智能（Artificial Intelligence,AI）技術(shù)已成為推動人類經(jīng)濟、社會和科技發(fā)展的決定性力量。從首次提出“人工智能”概念至今已有60余年，在該概念提出的初期，有較多不同定義，較早可以追溯至1956年，McCarthy提出人工智能就是要讓機器的行為看起來就像是人所表現(xiàn)出的智能行為一樣。人工智能領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一，美國斯坦福大學(xué)教授Nilsson指出人工智能為關(guān)于知識的科學(xué)，所謂知識的科學(xué)就是研究知識的表示、知識的獲取和知識的運用。從本質(zhì)上說，人工智能就是讓機器代替人思考并把思考結(jié)果付諸執(zhí)行的一項工程［1］。任何新事物的產(chǎn)生，都是因為有對該新事物的需求，以及正好有該新事物產(chǎn)生的環(huán)境基礎(chǔ)，人工智能的產(chǎn)生亦是如此。當今世界的科學(xué)技術(shù)發(fā)展正進入一個全新、快速發(fā)展的階段，信息種類和信息量急劇增加，信息傳遞日益加快，人類的自然智能已經(jīng)無法迅速處理如此巨大數(shù)量的信息，于是開始探索通過計算機執(zhí)行需要使用人的智能才能完成的任務(wù)。因此，依托計算機科學(xué)與技術(shù)的最新方法與手段，突破人工智能領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、文本語言處理、自然語言處理、機器人技術(shù)和生物識別技術(shù)等領(lǐng)域，實現(xiàn)對人類的全方位仿真［2］，是當前最受關(guān)注的熱點。

目前，我國的人工智能在智能駕駛、大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)服務(wù)以及人工智能自動業(yè)務(wù)等領(lǐng)域均得到了發(fā)展和應(yīng)用。尤其是近期以來人工智能與大氣科學(xué)領(lǐng)域逐步開展了深度融合。自20世紀90年代開始，已有研究人員將較為成熟的智能化算法引入氣象應(yīng)用領(lǐng)域，例如利用決策樹及隨機森林、自回歸移動平均、支持向量機、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和方法開展強對流識別、統(tǒng)計預(yù)報等氣象應(yīng)用，取得了較好的業(yè)務(wù)效果。近年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的先進智能算法在計算機視覺和自然語言處理等方面表現(xiàn)突出，在大氣科學(xué)領(lǐng)域也初步得到發(fā)展，并展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。例如，人工智能技術(shù)在氣象觀測應(yīng)用中可增加觀測類別，有效提高觀測頻次和觀測準確率，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可有效對非線性變化的中小尺度天氣進行短臨預(yù)報，有效提高冰雹、強降水等強對流天氣的預(yù)報準確率和時效性［3］。此外，利用人工智能相關(guān)技術(shù)在智能網(wǎng)格預(yù)報、臺風(fēng)路徑預(yù)報、海霧預(yù)報、ENSO等氣候事件預(yù)測及人工影響天氣等方面也取得了較好的效果。

因此，在大氣科學(xué)人才培養(yǎng)過程中大氣科學(xué)專業(yè)課程與人工智能知識技術(shù)的交叉融合，能提升學(xué)生尤其是研究生自主創(chuàng)新能力水平（新知識的學(xué)習(xí)能力、各知識的融合能力，以及實踐應(yīng)用能力），是大氣科學(xué)類院校目前應(yīng)該優(yōu)先考慮和著力發(fā)展的方向。

一、人工智能背景下創(chuàng)新培養(yǎng)的必要性

不同學(xué)科的交叉能夠有力地突破不同學(xué)科內(nèi)部固有的思維，形成跨學(xué)科的概念和思維的連接，為科研創(chuàng)新提供重要的支持。早在2020年2月，在國家教育層面就指出，要依托“雙一流”建設(shè)，提升人工智能領(lǐng)域研究生培養(yǎng)水平，培養(yǎng)“人工智能+X”復(fù)合型創(chuàng)新人才，實現(xiàn)人工智能對相關(guān)學(xué)科的賦能改造［4］。其實，“人工智能+X”概念的提出與新工科建設(shè)的背景有很大關(guān)系。新工科概念自2016年提出，是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后我國工程教育發(fā)展的新思維、新方式、新方向。與傳統(tǒng)的工科教育相比，新工科的“新”主要體現(xiàn)在三個方面：新興學(xué)科、新型學(xué)科和新生學(xué)科。其目的是培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才?！叭斯ぶ悄?氣象”正是在這種形勢下提出的，旨在實現(xiàn)“跨學(xué)科融合、育創(chuàng)新人才”的目標。

“人工智能+X”中，人工智能對于人才培養(yǎng)的影響，更多體現(xiàn)在其對高校工科人才培養(yǎng)體系的沖擊，也即其對新工科學(xué)科專業(yè)設(shè)置和未來發(fā)展將形成全方位影響。氣象海洋學(xué)科屬于傳統(tǒng)意義上的理科專業(yè)，但是其發(fā)展始終離不開工程專業(yè)的支撐，兩者互相結(jié)合，才能促進理論和實踐的不斷深化和進步。在“人工智能+氣象”培養(yǎng)模式中，建立人工智能的應(yīng)用背景可以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，增加學(xué)習(xí)興趣；打牢大氣科學(xué)基礎(chǔ)可以提高學(xué)生對專業(yè)知識應(yīng)用實踐的認識，促進不同學(xué)科技術(shù)的融合與創(chuàng)新。我國高校目前的大氣科學(xué)人才培養(yǎng)模式不能適應(yīng)多學(xué)科交叉融合的趨勢是全球化背景下氣象人才教育的重要弊端。因此，在大氣科學(xué)類院校的專業(yè)發(fā)展上，“人工智能+氣象”的人才培養(yǎng)模式是必要而緊迫的，要以交叉學(xué)科的復(fù)合型創(chuàng)新人才為培養(yǎng)目標，既需要人工智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)，又需要氣象專業(yè)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)。作為大氣科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，如何打破學(xué)科壁壘，形成更宏大的融合發(fā)展態(tài)勢將是一個全新的科學(xué)問題。如何把這兩個學(xué)科專業(yè)的知識融合，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可借鑒，沒有固定的模式可遵循，理念創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、途徑創(chuàng)新是解決問題的關(guān)鍵［5-7］。

二、大氣科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

當前我國高校大氣科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新人才培養(yǎng)，還沒有較好適應(yīng)人工智能等新技術(shù)發(fā)展步伐，也難以滿足人工智能新技術(shù)與氣象領(lǐng)域融合的創(chuàng)新需要，主要表現(xiàn)在：（1）課程體系沒有及時吸納人工智能等前沿技術(shù)。目前大氣科學(xué)專業(yè)課程開設(shè)以傳統(tǒng)氣象類等課程為主，教學(xué)內(nèi)容對人工智能等新的信息技術(shù)及前沿領(lǐng)域跟蹤不夠緊密，課程設(shè)置與培養(yǎng)高素質(zhì)氣象應(yīng)用復(fù)合型人才要求有較大差距。（2）學(xué)生運用新技術(shù)的能力不足。大氣科學(xué)學(xué)生以理科課程學(xué)習(xí)為主，難以跟上快速發(fā)展的信息技術(shù)，尤其是運用人工智能等相關(guān)理論和技術(shù)解決領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題的能力不足。（3）教學(xué)訓(xùn)練考核工具、手段智能化水平欠佳。大氣科學(xué)類教學(xué)實踐仍主要以傳統(tǒng)裝備和手工繪圖等手段進行教學(xué)實踐和考核，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程支持、教學(xué)效果評估不足。

在大氣科學(xué)人才培養(yǎng)和教學(xué)中存在的主要問題有：（1）現(xiàn)有人才培養(yǎng)目標模型與新的崗位任職需求不夠貼切。（2）育人體系的通識性過強，缺乏對人才個性化和創(chuàng)新性的塑造機制。無論是培養(yǎng)體系還是教學(xué)模式，現(xiàn)有人才培養(yǎng)系統(tǒng)中的大眾性普通高等教育思想和過程過濃；缺乏特色且育人效果不明顯。（3）個性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的綜合考核和評價體系尚不健全。目前的人才培養(yǎng)體系雖然在培養(yǎng)方案、教學(xué)實施、考核評價等方面框架性地考慮了新型人才培養(yǎng)的特色需求，但仍缺乏具體的適應(yīng)性謀劃和細節(jié)實施設(shè)計，尤其是對個性化和創(chuàng)新性能力素質(zhì)的培養(yǎng)機制還缺乏有效、系統(tǒng)的融合考慮，對新型人才的培養(yǎng)質(zhì)量還缺乏適宜的評價機制［8］。

三、創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法探索

為有效解決上述問題，需要進一步優(yōu)化人才培養(yǎng)的頂層設(shè)計，以課內(nèi)教學(xué)改革、課外科技創(chuàng)新活動和智能化教學(xué)手段為抓手，從課程優(yōu)化、課外實踐拓展和訓(xùn)練條件支撐等方面，借助人工智能新技術(shù)開展大氣科學(xué)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新與實踐。同時，將人工智能通識教育與工程應(yīng)用教育融入大氣科學(xué)教育教學(xué)體系；多途徑鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新實踐活動，通過各類條件建設(shè)為智能化應(yīng)用創(chuàng)新實踐提供軟硬件支撐，實現(xiàn)“理工結(jié)合”；開展大氣科學(xué)實踐與考核的條件建設(shè)，構(gòu)建智能化的大氣科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域訓(xùn)練考核環(huán)境，為學(xué)生提供智能化的大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)過程支持。通過人工智能等與大氣科學(xué)的協(xié)同創(chuàng)新，最終實現(xiàn)人工智能與大氣科學(xué)的融會貫通，提高大氣科學(xué)領(lǐng)域?qū)W生科學(xué)思維能力和創(chuàng)新實踐能力。

人才培養(yǎng)頂層設(shè)計方面。優(yōu)化人才培養(yǎng)的頂層設(shè)計，將個性化與創(chuàng)新理念滲透到教、學(xué)、管、保各環(huán)節(jié)。修訂以個性化和創(chuàng)新性為鮮明導(dǎo)向的人才培養(yǎng)方案和課程標準，在教員隊伍建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)模式運用、實踐平臺構(gòu)建等方面全方位體現(xiàn)個性化與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，及時引入人工智能技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容，融入課堂和教學(xué)實踐，形成良好的軍事創(chuàng)新教育氛圍。

人工智能與大氣科學(xué)融合的教學(xué)實踐方面。從人才培養(yǎng)頂層設(shè)計入手，將個性化與創(chuàng)新理念滲透到教、學(xué)、管、保各環(huán)節(jié)。修訂以個性化和創(chuàng)新性為鮮明導(dǎo)向的人才培養(yǎng)方案和課程標準，在教員隊伍建設(shè)，教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)模式運用、實踐平臺構(gòu)建等方面全方位體現(xiàn)個性化與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，及時引入人工智能技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容，融入課堂和教學(xué)實踐。把人工智能新技術(shù)有機融入大氣科學(xué)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化論證人才培養(yǎng)方案，在已有大氣科學(xué)人才培養(yǎng)體系基礎(chǔ)上，對研究生、本課程等各培養(yǎng)層次，以必修、選修及講座課等形式開設(shè)“人工智能導(dǎo)論”等人工智能通識類課程，“氣象海洋信息智能處理”等氣象應(yīng)用類課程，兼顧基礎(chǔ)性和前沿性，涵蓋人工智能技術(shù)在大氣科學(xué)領(lǐng)域的主要學(xué)科前沿和應(yīng)用方向；鼓勵教師啟用深度融合信息技術(shù)的課程教學(xué)模式；根據(jù)教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，開展相關(guān)教材、在線課程及教學(xué)資源等方面建設(shè)大氣科學(xué)課程“氣象海洋信息智能處理與決策支持”“氣象海洋信息處理處理與應(yīng)用”“氣象信息可視化”等信息類課程，將最新信息處理技術(shù)與大氣科學(xué)應(yīng)用深度融合。

在實踐教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，針對人工智能專業(yè)綜合性、前沿性及應(yīng)用性強的特點，設(shè)計能夠綜合利用多領(lǐng)域、多行業(yè)、多單位的人才聯(lián)合培養(yǎng)模式。遵循需求為引導(dǎo)、工程為核心、創(chuàng)新為特色、能力為重點的教學(xué)理念，從應(yīng)用性培養(yǎng)與創(chuàng)新性培養(yǎng)兩方面入手進行教學(xué)模式改革。在應(yīng)用性培養(yǎng)方面，通過與用人單位合作，逐步建立與規(guī)范由學(xué)校和單位共同參與、專兼結(jié)合的聯(lián)教聯(lián)訓(xùn)團隊和培養(yǎng)機制；形成需求牽引與創(chuàng)新實踐相融合的氣象海洋專業(yè)人工智能產(chǎn)學(xué)研融合人才培養(yǎng)模式。在創(chuàng)新性培養(yǎng)方面，以人工智能人才培養(yǎng)能力目標為牽引，與理論教學(xué)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。開展以學(xué)生為主體的智能氣象應(yīng)用創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)，提供滿足智能應(yīng)用及大數(shù)據(jù)分析的氣象海洋數(shù)據(jù)庫和計算服務(wù)，為學(xué)生的創(chuàng)新實踐提供數(shù)據(jù)服務(wù)和計算服務(wù)。鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生參加氣象類智能應(yīng)用競賽，結(jié)合各類科技競賽、畢業(yè)設(shè)計等活動，組織學(xué)員開展智能化氣象應(yīng)用創(chuàng)新實踐，通過論文發(fā)表、專利申請等形式，凝練創(chuàng)新成果，提升創(chuàng)新能力。建立能夠長效持續(xù)運行的培養(yǎng)環(huán)境，設(shè)置相關(guān)課程及第二課堂作為競賽的預(yù)備和后延。

在教學(xué)條件建設(shè)方面。依托學(xué)?！半p一流”項目，利用人工智能技術(shù)開展大氣科學(xué)領(lǐng)域教學(xué)實踐條件建設(shè)和考核評估機制。根據(jù)大氣科學(xué)學(xué)科相關(guān)教學(xué)、實踐和考核需求，構(gòu)建智能化的大氣科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域訓(xùn)練考核環(huán)境，為學(xué)生提供智能化的大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)過程支持，開展智能化的大氣科學(xué)技能教學(xué)訓(xùn)練效果評估評價，為大氣科學(xué)專業(yè)技能教學(xué)提供智能化的訓(xùn)練支撐，進行教育訓(xùn)練的智能管理與服務(wù)。構(gòu)建涵蓋考核機制、激勵機制和評估機制等三個個性化創(chuàng)新性人才培養(yǎng)新的質(zhì)量保證體系。建立完善的考核機制、合理的激勵機制以及動態(tài)靈活的評估機制，構(gòu)建包含知識、能力、創(chuàng)新、成果和發(fā)展的五維綜合測評體系，主要從培養(yǎng)目標、質(zhì)量標準、組織保障、資源配置、培養(yǎng)教育體系、過程控制、教育監(jiān)督以及質(zhì)量文化等方面全面衡量個性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機制，確保個性化和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機制剛性運行，不斷提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

結(jié)語

創(chuàng)新是科技發(fā)展的動力和源泉，創(chuàng)新能力培養(yǎng)是高校教育的首要任務(wù)之一。我國高校目前的大氣科學(xué)人才培養(yǎng)模式不能適應(yīng)多學(xué)科交叉融合的趨勢是全球化背景下氣象人才教育的重要弊端，制約了大氣科學(xué)專業(yè)的進一步發(fā)展。在人工智能背景下，為實現(xiàn)大氣科學(xué)專業(yè)人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，高校應(yīng)該從人才培養(yǎng)的頂層設(shè)計、學(xué)科融合的教學(xué)實踐、教學(xué)內(nèi)容改革和配套教學(xué)條件建設(shè)等諸多方面提出有針對性的措施和有效的方法及實現(xiàn)途徑。