人工智能在安全工程教學(xué)中的應(yīng)用研究

孫寶平

【摘要】人工智能作為一門綜合性前沿學(xué)科，發(fā)展非常迅速，同時(shí)其應(yīng)用范圍也越來越廣。文章結(jié)合安全工程教學(xué)內(nèi)容和需求現(xiàn)狀，對(duì)人工智能在安全工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】安全工程;人工智能;應(yīng)用

【基金項(xiàng)目】首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)研究生教學(xué)改革項(xiàng)目;首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)改革項(xiàng)目。

一、研究背景及意義

人工智能（Artificial Intelligence）是一門研究如何使計(jì)算機(jī)模擬人的某些思維過程和智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、規(guī)劃等）的綜合性前沿學(xué)科[1]。人工智能創(chuàng)始人是美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授A.Newel和Simon等人。人工智能研究目的在于如何提高機(jī)器的使用效率和使用性能，通過人工智能使用機(jī)器完成人類的工作[2]。人工智能大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。在初級(jí)階段，計(jì)算機(jī)還沒有被大范圍地應(yīng)用，機(jī)械化大生產(chǎn)模式還未被接受，只是偶爾使用機(jī)械化手段，絕大多數(shù)還是手工生產(chǎn)。但有少部分大型工業(yè)化企業(yè)開始探索人工智能，只是受到社會(huì)的總體科技水平影響而限制了人工智能的發(fā)展，人工智能成果極其有限。人工智能的第二階段是機(jī)械化大生產(chǎn)廣泛普及，計(jì)算機(jī)科學(xué)開始發(fā)展，但受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，僅僅是在一些大型工廠中才使用人工智能。人工智能的第三階段是由于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人工智能得到普及應(yīng)用，現(xiàn)在正處于此階段。人工智能的應(yīng)用將工作和生活變得簡(jiǎn)便，極大地促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也正在以及必將促進(jìn)人類社會(huì)快速發(fā)展[3]。

安全工程專業(yè)是與國(guó)民經(jīng)濟(jì)聯(lián)系緊密、社會(huì)需求面廣的工科專業(yè)。安全工程專業(yè)主要是為了培養(yǎng)從事安全技術(shù)及工程、安全科學(xué)與研究、安全監(jiān)察與管理、安全健康環(huán)境檢測(cè)與監(jiān)測(cè)、安全設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、安全教育與培訓(xùn)等方面工作的復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才。開設(shè)安全工程專業(yè)的約150所高等院校中，各高校的安全工程專業(yè)都具有較強(qiáng)的行業(yè)特色，主要涉及建筑安全、礦山安全、石油化工安全、公共安全等領(lǐng)域[4]。從學(xué)科知識(shí)體系來看，安全工程專業(yè)也是交叉學(xué)科。人工智能專業(yè)涉及計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，與安全工程專業(yè)類似的具有廣泛的交叉性。人工智能發(fā)展突飛猛進(jìn)，在一定程度上加大了大學(xué)生的學(xué)習(xí)難度以及教師的授課難度，對(duì)教師和教學(xué)提出了更高要求。而安全工程教學(xué)過程中應(yīng)用人工智能技術(shù)以及在教學(xué)中引入人工智能教學(xué)內(nèi)容非常少，與國(guó)外高水平大學(xué)相比，我國(guó)的人工智能教學(xué)仍然處于起始階段，在教育和教學(xué)方面需要全面提升。因此，開展人工智能在安全工程教學(xué)中的應(yīng)用研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

二、人工智能是安全工程專業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)

（一）安全工程技術(shù)發(fā)展的人工智能化

從安全生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展過程來看，安全機(jī)械電子設(shè)備應(yīng)用人工智能技術(shù)走在了其他技術(shù)應(yīng)用的前行，而安全機(jī)械電子設(shè)備主要應(yīng)用在機(jī)械化程度高的煤礦、非煤礦山等安全生產(chǎn)等領(lǐng)域，如瓦斯自動(dòng)斷電系統(tǒng)、絞車自動(dòng)防跑車系統(tǒng)等。人工智能使得機(jī)電技術(shù)的安全性得到提高，同時(shí)提升了效率，有效防止了由于人的不安全行為引發(fā)的生產(chǎn)安全事故。

（二）安全監(jiān)督管理的人工智能化

人工智能應(yīng)用于安全監(jiān)督管理過程中，如煤礦智能監(jiān)控平臺(tái)，該平臺(tái)已應(yīng)用于生產(chǎn)安全監(jiān)管中。在交通運(yùn)輸行業(yè)，智能機(jī)電在全國(guó)普及，可將全國(guó)客運(yùn)信息監(jiān)控平臺(tái)連接起來，以更好地保證交通安全，預(yù)防生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。在機(jī)電加工安全領(lǐng)域，與人工智能結(jié)合起來的紅外遙感已經(jīng)在生產(chǎn)中普及開，用于確保操作人員的安全。

（三）安全預(yù)警的人工智能化

在2014年 “8·2”江蘇昆山爆炸事故中，由于鋁鎂粉塵濃度過高導(dǎo)致爆炸發(fā)生，若當(dāng)時(shí)企業(yè)配備了人工智能化的安全預(yù)警系統(tǒng)，那么此次事故有可能會(huì)避免。此次事故后，很多企業(yè)安裝了智能化的預(yù)警系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于瓦斯監(jiān)控中?？梢钥闯觯斯ぶ悄芑讲粩嗵嵘钱?dāng)前科技發(fā)展的大勢(shì)所趨，人工智能化教育融入安全工程專業(yè)是未來學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。

三、人工智能課程及應(yīng)用手段存在的不足

（一）“人工智能 + 專業(yè)課程”體系設(shè)置方面仍存在一定的滯后性

人工智能作為一門新興學(xué)科發(fā)展十分迅速，新的技術(shù)層出不窮。在課程設(shè)置方面要求能夠與學(xué)科發(fā)展相適應(yīng)，特別是安全工程專業(yè)要引入人工智能課程以及人工智能技術(shù)手段。與國(guó)外高水平大學(xué)相比，國(guó)內(nèi)高校教學(xué)內(nèi)容等均沒有大的改觀，在“人工智能 + 專業(yè)課程”體系設(shè)置方面仍存在一定的滯后性。

（二）人工智能課程內(nèi)容與專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合與應(yīng)用

人工智能課程是多學(xué)科交叉且理論性很強(qiáng)的課程，教師習(xí)慣于注重理論知識(shí)的講解，而對(duì)相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐能力培養(yǎng)明顯有短板。由于人工智能涉及十分廣泛，僅僅在課堂上進(jìn)行學(xué)習(xí)并不夠，還需要強(qiáng)化學(xué)生在課后的自我學(xué)習(xí)，因此需要探索新的教學(xué)方法和手段以適應(yīng)人工智能課程內(nèi)容與專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合。

（三）教師創(chuàng)新能力方面亟待提高

盡管人工智能課程的教學(xué)多年前已在高校中開設(shè)，但目前我國(guó)高校教師在相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊（Artificial Intelligence journals）以及學(xué)術(shù)大會(huì)上發(fā)表學(xué)術(shù)論文的數(shù)量、質(zhì)量依然亟待提高。創(chuàng)新力強(qiáng)、影響力強(qiáng)的人工智能領(lǐng)域的高端人才、領(lǐng)軍專家仍很少，創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新實(shí)踐方面需要深入提升。

（四）傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求

隨著網(wǎng)絡(luò)教育的深入發(fā)展，豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)教育教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生，除了滿足學(xué)生的基本學(xué)習(xí)需求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新外，還要進(jìn)行教學(xué)模式的創(chuàng)新。但當(dāng)前的人工智能技術(shù)發(fā)展還有待提升，并且很多預(yù)想中的人工智能手段還處于深入研究探索階段。當(dāng)前的教學(xué)模式僅是簡(jiǎn)單、粗淺地利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)基本教學(xué)，根本沒有體現(xiàn)出人工智能在教育中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)[5]。

四、人工智能應(yīng)用于安全工程專業(yè)教學(xué)

（一）將人工智能融入教學(xué)內(nèi)容之中

目前，人工智能圍繞“智能”這一主題開展了廣泛而深入的研究，歐美的很多高校都將人工智能的研究成果引入到專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容中[6]。結(jié)合當(dāng)前人工智能的進(jìn)展以及我國(guó)高校在教學(xué)中引入人工智能的現(xiàn)實(shí)情況，急需明確人工智能內(nèi)容在安全工程知識(shí)體系中的地位、比例，以及與其他原有體系課程的融合。慕課（MOOC）是現(xiàn)在非常廣泛應(yīng)用的一種教學(xué)形式，可以將部分慕課內(nèi)容可引進(jìn)教學(xué)中，采用“翻轉(zhuǎn)課課”方式引發(fā)學(xué)生的討論，就有關(guān)人工智能的問題進(jìn)行交流，讓學(xué)生主動(dòng)參與到人工智能的學(xué)習(xí)中，并與專業(yè)課相結(jié)合，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，開闊學(xué)生視野，達(dá)到將人工智能融入教學(xué)內(nèi)容之中的初衷。

（二）將人工智能融入實(shí)踐能力培養(yǎng)

大學(xué)三年級(jí)階段的教學(xué)內(nèi)容與大一、大二相比，已經(jīng)涉及一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生對(duì)專業(yè)有了進(jìn)一步的了解，對(duì)就業(yè)和自己的專業(yè)學(xué)習(xí)也有了初步規(guī)劃。在此階段需要引入一定的前沿知識(shí)以及本專業(yè)國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)、前景等，更加注意實(shí)踐能力的培養(yǎng)，特別是有部分學(xué)生選擇繼續(xù)深造學(xué)習(xí)，如攻讀研究生、出國(guó)留學(xué)等，因此要將人工智能知識(shí)引入到實(shí)踐能力培養(yǎng)中。如，在“系統(tǒng)工程”中引入遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。如果僅講解上述算法等相對(duì)枯燥、抽象，學(xué)生也不容易真正理解。在課堂上可以用人工智能解決具體問題，如擬合參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)編程演示等，以達(dá)到引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力。另外，可以將部分人工智能采用Matlab等程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，更加直觀地展現(xiàn)此類問題的過程和結(jié)果，增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)，從而引起學(xué)生的興趣、關(guān)注和進(jìn)一步的深入學(xué)習(xí)，提高其學(xué)習(xí)積極性。比如首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)通過開展“安工杯”競(jìng)賽的方式，將人工智能引入到競(jìng)賽中，極大地提升了大學(xué)生對(duì)人工智能學(xué)習(xí)的興趣，通過競(jìng)賽鍛煉學(xué)習(xí)的實(shí)踐能力。通過上述方法，大學(xué)生可以全面提升對(duì)人工智能的認(rèn)識(shí)，并且主動(dòng)學(xué)習(xí)人工智能，提高學(xué)習(xí)積極性、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（三）將人工智能融入科研能力培養(yǎng)

培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，特別是研究生的科研能力，將人工智能與本專業(yè)最活躍的研究?jī)?nèi)容結(jié)合起來，如群體智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等，對(duì)學(xué)生科研能力的提升有所裨益。在本科教學(xué)過程中，如何提高學(xué)生的科研能力一直是困擾大學(xué)教師的教學(xué)難點(diǎn)。利用人工智能教學(xué)手段，如VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)，可以形象、逼真地再現(xiàn)專業(yè)場(chǎng)景，從而激發(fā)學(xué)生的研究意識(shí)和研究興趣，為研究生科學(xué)研究工作奠定基礎(chǔ)。對(duì)于教師而言，將人工智能手段、內(nèi)容等融入教學(xué)之中，要介紹專業(yè)問題的發(fā)展脈絡(luò)、發(fā)展階段背后的深層次原因，從而更加深刻地認(rèn)識(shí)到人工智能發(fā)展的大機(jī)遇、大變革，加強(qiáng)對(duì)人工智能的自我學(xué)習(xí)。將人工智能課程與專業(yè)結(jié)合起來，教師可以通過科研項(xiàng)目的申報(bào)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí)。另外，在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行人工智能方面的大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽過程中得到許多有益的啟發(fā)，師生在人工智能方面的交流互動(dòng)，也有助于教師更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)加以指導(dǎo)解決。可以看出，將人工智能融入科研能力的培養(yǎng)，不僅能夠提升學(xué)生的理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，而且可以提高教師的水平和指導(dǎo)能力，從而有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]嚴(yán)遠(yuǎn)亭，張以文，陳潔，等.高年級(jí)本科生人工智能課程教學(xué)實(shí)踐與探究[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（07）：78-81.

[2]馬仲雄.淺談電氣自動(dòng)化控制中的人工智能技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（11）：246-247.

[3]戴永睿.機(jī)械電子工程與人工智能相關(guān)性分析及安全生產(chǎn)應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（05）：114.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)安全生產(chǎn)領(lǐng)域改革發(fā)展的意見[EB/OL].（2016-12-18）[2019-04-02].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-12/18/content_5149663.htm.

[6]楊洋.人工智能技術(shù)的發(fā)展及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)， 2018（07）：92-93.