人工智能人才培養(yǎng)：數(shù)學(xué)是基礎(chǔ)*

耿樂(lè)樂(lè)

(清華大學(xué) 教育研究院，北京 100091)

人工智能正在推動(dòng)著人類(lèi)的第四次工業(yè)革命，已成為新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。人工智能作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力量，是事關(guān)我國(guó)能否抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇的戰(zhàn)略問(wèn)題，是推動(dòng)我國(guó)科技跨越發(fā)展、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)、生產(chǎn)力整體躍升的重要戰(zhàn)略資源。然而歸根結(jié)底，人工智能的發(fā)展戰(zhàn)略離不開(kāi)人才的支撐。為了搶占人工智能發(fā)展制高點(diǎn)，必須加強(qiáng)后備人才培養(yǎng)力度，為科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更加充分的人才支撐。在2017年中國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)年會(huì)上，中國(guó)工程院院士李德毅呼吁，如果不進(jìn)行人工智能教育，不重視人工智能人才培養(yǎng)，中國(guó)將無(wú)法在2030年占領(lǐng)人工智能的高地。大學(xué)作為引領(lǐng)新一代人工智能發(fā)展的人才高地，是人工智能人才培養(yǎng)的主陣地，大學(xué)的課程體系和教學(xué)模式影響著人工智能人才培養(yǎng)質(zhì)量，但無(wú)論是人工智能的發(fā)展還是人工智能人才的培養(yǎng)，都離不開(kāi)人工智能的基礎(chǔ)——數(shù)學(xué)。

一、數(shù)學(xué)是人工智能的基石

丘成桐院士認(rèn)為，人工智能所存在的瓶頸需要加強(qiáng)理論發(fā)展的力度，而現(xiàn)代數(shù)學(xué)將為人工智能的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，對(duì)于人工智能的投入，需要大量投入到數(shù)學(xué)領(lǐng)域，既包括理論數(shù)學(xué)還包括應(yīng)用數(shù)學(xué)。中國(guó)科學(xué)院院士徐宗本認(rèn)為，人工智能的基石是數(shù)學(xué)，沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)的支持，人工智能很難行穩(wěn)至遠(yuǎn)，目前人工智能所面臨的一些基礎(chǔ)問(wèn)題，其本質(zhì)是來(lái)自數(shù)學(xué)的挑戰(zhàn)。中國(guó)工程院院士高文認(rèn)為，目前我國(guó)在人工智能基礎(chǔ)領(lǐng)域，尤其是原始理論、基本算法等方面比較薄弱，這種現(xiàn)狀不利于我國(guó)人工智能的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。世界頂尖科學(xué)家和我國(guó)人工智能領(lǐng)域的專(zhuān)家如此強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)對(duì)于人工智能的重要性，可見(jiàn)人工智能的發(fā)展必須以數(shù)學(xué)為基石。

數(shù)學(xué)對(duì)于人工智能的重要性是由人工智能的主要發(fā)展領(lǐng)域決定的。目前的人工智能領(lǐng)域主要有深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、智能機(jī)器人、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等方面，這些領(lǐng)域全部與數(shù)據(jù)有關(guān)，而龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算離不開(kāi)數(shù)學(xué)的支持，尤其是人工智能賴(lài)以發(fā)展的大數(shù)據(jù)，更需要數(shù)學(xué)理論以及數(shù)學(xué)理論創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。人工智能所有的領(lǐng)域都融合了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論、計(jì)算數(shù)學(xué)和離散數(shù)學(xué)等方面的數(shù)學(xué)知識(shí)。以機(jī)器學(xué)習(xí)為例，在徐宗本院士看來(lái)，“機(jī)器學(xué)習(xí)是把人或者智能體通過(guò)與環(huán)境的交互來(lái)提升自身行為和解決問(wèn)題能力的智能化操作化為數(shù)學(xué)公式，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以操作的算法和軟件。”即人工智能實(shí)際上是一個(gè)將數(shù)學(xué)、算法理論和工程實(shí)踐緊密結(jié)合的領(lǐng)域。徐宗本院士指出人工智能發(fā)展和研究均離不開(kāi)數(shù)學(xué)的支撐，而人工智能作為一種技術(shù)，在應(yīng)用領(lǐng)域同樣需要數(shù)學(xué)作為支撐。人工智能要實(shí)現(xiàn)運(yùn)用于不同的領(lǐng)域和不同的場(chǎng)景，就需要促進(jìn)人工智能與各個(gè)學(xué)科以及領(lǐng)域的交叉，但運(yùn)用人工智能解決任何問(wèn)題都離不開(kāi)科學(xué)的算法，即離不開(kāi)數(shù)學(xué)的支撐。由此可以看出，人工智能的發(fā)展依賴(lài)于數(shù)學(xué)，人工智能的研究同樣依賴(lài)于數(shù)學(xué)，而人工智能的應(yīng)用同樣需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)知識(shí)。因此，無(wú)論是從事與人工智能有關(guān)方面的工作，還是將人工智能運(yùn)用于不同場(chǎng)景，都必須掌握全面而扎實(shí)的數(shù)學(xué)知識(shí)，這進(jìn)一步凸顯了數(shù)學(xué)在大學(xué)課程體系中的重要作用。

二、人工智能人才培養(yǎng)必須以數(shù)學(xué)為本

在2019中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)未來(lái)計(jì)算機(jī)教育峰會(huì)上，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)唐衛(wèi)清認(rèn)為，目前我國(guó)的人工智能應(yīng)用人才既多且好，但在解決關(guān)鍵核心技術(shù)問(wèn)題上，基礎(chǔ)科研人才、戰(zhàn)略性人才仍然不足。清華大學(xué)人工智能研究院常務(wù)副院長(zhǎng)孫茂松認(rèn)為，如果將人工智能分為基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、工程技術(shù)三個(gè)層面，現(xiàn)在我國(guó)大學(xué)的研究和人才培養(yǎng)大多位于工程技術(shù)層面。我國(guó)在人工智能應(yīng)用領(lǐng)域走在世界前列，但在人工智能基礎(chǔ)研究方面，尤其是關(guān)于人工智能的基礎(chǔ)理論和基本算法方面，與美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家還存在一定的差距。為了在人工智能?chē)?guó)際競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)地位，就必須重視人工智能基礎(chǔ)研究，而歸根結(jié)底，必須重視數(shù)學(xué)在大學(xué)本科教育中的重要作用?？梢?jiàn)，我國(guó)的人工智能人才培養(yǎng)主要集中于工程技術(shù)層面的人工智能應(yīng)用層面，為了在人工智能基礎(chǔ)方面有所突破，則必須重視數(shù)學(xué)在人才培養(yǎng)過(guò)程中的重要作用，這由人工智能的本質(zhì)所決定。人工智能的發(fā)展不僅會(huì)改變自身有關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，而且會(huì)被廣泛運(yùn)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。因此，無(wú)論是人工智能本身的發(fā)展還是人工智能的應(yīng)用，都離不開(kāi)擁有計(jì)算思維和數(shù)學(xué)思維的人才支持。人工智能的大規(guī)模應(yīng)用呼喚大學(xué)重視數(shù)學(xué)通識(shí)課程。僅僅依靠人工智能專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域人才將人工智能技術(shù)應(yīng)用于各種場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人工智能發(fā)展的需要，人工智能作為一種技術(shù)運(yùn)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域需要相應(yīng)領(lǐng)域的人才作為支撐。由于從事人工智能研究的專(zhuān)門(mén)人才主要關(guān)注人工智能本身，而人工智能的交叉性呼喚重視數(shù)學(xué)在大學(xué)課程體系中的地位。

麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等在人工智能研究和人才輸出方面均處于世界頂尖水平，無(wú)不重視數(shù)學(xué)在人工智能人才培養(yǎng)過(guò)程中的重要作用，數(shù)學(xué)類(lèi)課程占總學(xué)分比重均超過(guò)15%，且數(shù)學(xué)課程的綜合性較強(qiáng)，而不是零散單純的某一數(shù)學(xué)課程。以此為鑒，今后我國(guó)應(yīng)注重以下幾方面改革：一是專(zhuān)門(mén)的人工智能人才培養(yǎng)過(guò)程中，必須重視數(shù)學(xué)課程的基礎(chǔ)作用，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到，相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)和理論是人工智能人才必備的知識(shí)，以夯實(shí)未來(lái)人工智能領(lǐng)域人才的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為重大原始性基礎(chǔ)理論創(chuàng)新提供保障。二是在大學(xué)的通識(shí)教育改革中，必須重視數(shù)學(xué)類(lèi)課程建設(shè)，將數(shù)學(xué)類(lèi)課程分類(lèi)分層次作為通識(shí)類(lèi)課程，以培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維，為以后的人工智能應(yīng)用做好準(zhǔn)備。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)的人工智能發(fā)展與應(yīng)用需要，以及人工智能技術(shù)所帶來(lái)的深刻巨變，大學(xué)幾乎所有的專(zhuān)業(yè)都必須重視數(shù)學(xué)教育，無(wú)論是藝術(shù)、工程、生物、經(jīng)濟(jì)還是教育領(lǐng)域都將深受人工智能技術(shù)的影響。與此同時(shí)，這些領(lǐng)域也將進(jìn)一步推動(dòng)人工智能應(yīng)用于發(fā)展，這就需要各個(gè)領(lǐng)域的人才都能夠?qū)θ斯ぶ悄艿幕驹碛兴私狻６鴶?shù)學(xué)是人工智能的基礎(chǔ)，因此，在大學(xué)的全校通識(shí)教育課程中，必須重視數(shù)學(xué)通識(shí)課程建設(shè)，同時(shí)，各個(gè)專(zhuān)業(yè)必須根據(jù)專(zhuān)業(yè)自身與人工智能的關(guān)系，按需開(kāi)展與人工智能有關(guān)的數(shù)學(xué)類(lèi)課程。

丘成桐院士認(rèn)為，“要在人工智能領(lǐng)域領(lǐng)先，基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)一定要突破，一定要將數(shù)學(xué)跟有關(guān)的學(xué)問(wèn)一同發(fā)展，才能夠真真正正領(lǐng)先突破。”因?yàn)槿斯ぶ悄軐?duì)大數(shù)據(jù)處理的本質(zhì)上是數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)學(xué)，大數(shù)據(jù)還缺乏有效的算法，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算法還不能直接用到大數(shù)據(jù)中，這是我們需要解決的很重要的一個(gè)問(wèn)題。人工智能領(lǐng)域?qū)＜覐堚撛菏空J(rèn)為，“深度學(xué)習(xí)技術(shù)，從應(yīng)用角度已經(jīng)接近天花板了，要想再出現(xiàn)奇跡的可能性比較小了?！薄叭斯ぶ悄芷惹行枰苿?dòng)到新的階段，而這注定將會(huì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，有賴(lài)于與數(shù)學(xué)、腦科學(xué)等結(jié)合實(shí)現(xiàn)底層理論的突破”。因此，在大學(xué)無(wú)論怎么強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)教育對(duì)于人工智能發(fā)展的重要性都不為過(guò)。