“人工智能+新工科”背景下電氣工程及自動化專業(yè)課程體系建設(shè)研究

徐祥征

摘 要：“新工科”是高等工程教育實踐的新理念，人工智能已進入與產(chǎn)業(yè)深度融合的發(fā)展階段，正推動“新工科”人才培養(yǎng)向智能化、自動化和類人化等目標(biāo)轉(zhuǎn)變。為了適應(yīng)教育改革新形勢，本文首先分析了我校電氣工程及自動化專業(yè)課程設(shè)置的不足;其次分析了STEAM教育內(nèi)涵，闡述了STEAM教育模式的主要特征，即：突出多學(xué)科融合，重視創(chuàng)新能力及社會責(zé)任感的培養(yǎng);最后基于STEAM教育模式，并按照電氣工程及自動化專業(yè)現(xiàn)有的人才培養(yǎng)計劃增設(shè)與藝術(shù)及人工智能相關(guān)的課程，優(yōu)化課程配置，實現(xiàn)電氣工程及自動化專業(yè)交叉融合的課程體系重構(gòu)。

關(guān)鍵詞：人工智能;新工科;電氣工程;課程體系建設(shè);教學(xué)改革

中圖分類號：G640? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）08-0101-03

0 引言

近年來，隨著我國人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，迫切需要高等院校從發(fā)展“新工科”的戰(zhàn)略高度開展以人工智能為基礎(chǔ)的專業(yè)建設(shè)，大力推動傳統(tǒng)工科專業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，培養(yǎng)人工智能技術(shù)領(lǐng)域的新型拔尖人才，主動適應(yīng)全球高等工程教育的發(fā)展?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)的核心在于專業(yè)的交叉與綜合，這要求各高校在傳統(tǒng)工科專業(yè)的基礎(chǔ)上探索新領(lǐng)域和發(fā)展新專業(yè)，構(gòu)建一套交叉融合的課程體系，形成以創(chuàng)新能力、工程實踐能力為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)人工智能、智能制造等新技術(shù)領(lǐng)域的工程技術(shù)人才。因此，高等院校在專業(yè)建設(shè)過程中，應(yīng)把人工智能及智能制造技術(shù)全面、深入地融入到“新工科”的專業(yè)建設(shè)中，結(jié)合傳統(tǒng)工科專業(yè)建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀，探索“新工科”專業(yè)建設(shè)的創(chuàng)新與實踐，構(gòu)建以“人工智能+新工科”為導(dǎo)向的專業(yè)課程體系，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的新型技術(shù)人才。

我校電氣工程及自動化專業(yè)立足“交通特色、軌道核心”的辦學(xué)定位，結(jié)合江西區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和軌道交通行業(yè)對人才、技術(shù)、創(chuàng)新成果的需求，積極開展課程體系建設(shè)，經(jīng)過四十余年的發(fā)展，現(xiàn)為國家特色專業(yè)及國家級一流專業(yè)。在“人工智能+新工科”背景下，基于STEAM教育理論重構(gòu)我校電氣工程及自動化專業(yè)的課程設(shè)置，實現(xiàn)多學(xué)科的交叉融合，形成以能力培養(yǎng)為主線的雙創(chuàng)型人才培養(yǎng)課程體系，這對于培養(yǎng)電氣工程領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新型人才具有重要的意義。

1 我校電氣工程及自動化專業(yè)的課程設(shè)置現(xiàn)狀

電氣工程及其自動化專業(yè)是我校的鐵路特色專業(yè)，實施兩年電氣大類、兩年專業(yè)方向培養(yǎng)的“2+2”人才培養(yǎng)方案;前兩年按專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提供的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和方案進行大類培養(yǎng)，設(shè)置公共基礎(chǔ)模塊課程和學(xué)科基礎(chǔ)模塊課程，學(xué)時分配分別占總學(xué)時的34.73%及29.14%;后兩年按電力系統(tǒng)及其自動化方向、鐵道電氣化、城市軌道交通供電、電力牽引與傳動控制、城市軌道交通車輛電傳動五個方向?qū)嵭蟹至魈厣囵B(yǎng)，設(shè)置特色方向的專業(yè)課程模塊，學(xué)時占總學(xué)時的13.05%。各類課程學(xué)分設(shè)置如表1所示。

近幾年來，雖然我校電氣工程及自動化專業(yè)的辦學(xué)條件不斷得到改善，教學(xué)水平不斷得到提高，但是隨著我國教育改革的不斷發(fā)展，我校電氣工程及自動化專業(yè)的課程設(shè)置，不能滿足當(dāng)前“人工智能+新工科”教育模式對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，本專業(yè)課程設(shè)置的不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）電氣工程及自動化專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程缺乏有效的銜接。目前，我校電氣工程專業(yè)的課程設(shè)置方案還是按照傳統(tǒng)的設(shè)置模式，學(xué)科基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程教師沒有進行有效的交流和溝通，課程教學(xué)內(nèi)容有較大的重復(fù)。例如：電力系統(tǒng)基礎(chǔ)和電力系統(tǒng)分析兩門課程在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析方面重復(fù)較多;鐵道概論與電氣化鐵道概論之間部分內(nèi)容重復(fù);供變電技術(shù)和工廠供電之間也有較多的內(nèi)容重復(fù)。這些重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容不僅浪費了學(xué)時，而且還降低了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重影響了專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提高。

（2）電氣工程及自動化專業(yè)課程設(shè)置單一，學(xué)科之間缺乏交叉與融合。目前，我校電氣工程專業(yè)課程規(guī)劃與安排片面重視專業(yè)方向的需求，強調(diào)學(xué)科之間獨立性，忽略了不同學(xué)科之間的交叉融合。例如：我校電氣工程及自動化專業(yè)沒有設(shè)置藝術(shù)類相關(guān)課程，忽視了藝術(shù)類課程對大學(xué)生藝術(shù)情操及藝術(shù)欣賞能力的培養(yǎng)及大學(xué)生全面發(fā)展的人格塑造，忽視了藝術(shù)類課程是當(dāng)代大學(xué)生素質(zhì)教育的有機組成部分。

（3）電氣工程及自動化專業(yè)的課程設(shè)置缺乏技術(shù)創(chuàng)新型課程。目前，我校電氣工程及自動化專業(yè)課程設(shè)置沒有開設(shè)人工智能領(lǐng)域的相關(guān)的課程，僅開設(shè)信息技術(shù)方面的課程，該類課程與當(dāng)前電力生產(chǎn)實踐聯(lián)系不夠緊密，不能全面真實反映電力發(fā)展的新技術(shù)與新裝備的應(yīng)用，這不僅嚴(yán)重阻礙了我校電氣工程及其自動化專業(yè)的新工科建設(shè)，而且難以滿足經(jīng)濟社會對智能人才培養(yǎng)的素質(zhì)要求。

由上可見，我校電氣工程及自動化專業(yè)課程體系對于“人工智能+新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)，還存在不足。因此，將藝術(shù)類及人工智能相關(guān)課程融入我校電氣工程及其自動化專業(yè)課程設(shè)置中，優(yōu)化課程配置，重構(gòu)電氣工程及自動化專業(yè)交叉融合的課程體系勢在必行。

2 STEAM培養(yǎng)模式

2006年1月，美國學(xué)術(shù)界提出了STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科英文首字母的縮寫）人才培養(yǎng)模式，目的是在知識經(jīng)濟時代應(yīng)該培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的人才。STEM培養(yǎng)模式包括科學(xué)教育、技術(shù)教育、工程教育及數(shù)學(xué)教育等四個核心知識領(lǐng)域模塊。其中，科學(xué)教育模塊包括物理、化學(xué)、生物等自然科學(xué)領(lǐng)域的探索活動;技術(shù)教育模塊包括工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等智能技術(shù)領(lǐng)域的培養(yǎng)活動;工程教育模塊包括軌道交通、土木建筑、電氣工程等行業(yè)領(lǐng)域的工程教育活動;數(shù)學(xué)教育模塊包括幾何、代數(shù)、智能算法等數(shù)學(xué)領(lǐng)域的技能教育活動。

以STEM教育模式為基礎(chǔ)，美國學(xué)者格雷特·亞克門于2010年提出了STEAM人才教育模式，將藝術(shù)類相關(guān)課程（Arts）融合到STEM教育中，形成STEAM教育模式，旨在以數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)為基礎(chǔ)，掌握科學(xué)與技術(shù)知識。STEAM人才培養(yǎng)模式交叉融合了不同學(xué)科體系的內(nèi)容，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、生活能力及職業(yè)發(fā)展能力，其人才教育的主要特征為多學(xué)科融合、創(chuàng)新能力及社會責(zé)任感的培養(yǎng)。其STEAM教育模式如下圖1所示：

上述STEAM人才教育模式包括四個層次：教育目標(biāo)、學(xué)科綜合、學(xué)科分類及專業(yè)課程，四個層次依次形成寶塔結(jié)構(gòu)。寶塔最頂層是人才培養(yǎng)的終極目標(biāo);第二層是STEM+Arts（STEAM），不同學(xué)科知識內(nèi)容間的交叉與融合，強調(diào)多學(xué)科的綜合;第三層是STEAM教育模式的學(xué)科分類，包括科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等核心學(xué)科知識模塊，強調(diào)各個學(xué)科的相對獨立性;寶塔底層是主要涉及STEAM教育模式的具體專業(yè)課程，強調(diào)各專業(yè)課程相關(guān)基礎(chǔ)及專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。

3 基于STEAM模式的電氣工程及自動化專業(yè)交叉融合的課程體系重構(gòu)

電氣工程及自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是：致力于培養(yǎng)具備電氣工程專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識、專業(yè)技術(shù)和實踐能力，能在電氣工程領(lǐng)域（具有軌道交通行業(yè)特色）的裝備制造、系統(tǒng)運行、技術(shù)開發(fā)等部門從事設(shè)計、生產(chǎn)、運營維護等工作的實踐能力強、創(chuàng)新務(wù)實、具有一定國際視野的電氣工程師。因此，從培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，在“人工智能+新工科”導(dǎo)向下優(yōu)化電氣工程專業(yè)的課程配置，重構(gòu)電氣工程專業(yè)交叉融合的課程體系;從教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，更新專業(yè)知識內(nèi)容，緊跟專業(yè)發(fā)展前沿;從教學(xué)手段出發(fā)，依托網(wǎng)絡(luò)平臺，采用線上線下混合式教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

基于STEAM理念，將電氣工程及其自動化專業(yè)課程設(shè)置有8個模塊：公共基礎(chǔ)課必修模塊、公共基礎(chǔ)課選修模塊、工程基礎(chǔ)課必修模塊、工程基礎(chǔ)課選修模塊、專業(yè)基礎(chǔ)課必修模塊、專業(yè)方向類課程、專業(yè)實踐模塊及素質(zhì)拓展模塊。在公共基礎(chǔ)課選修模塊中分身心健康類、藝術(shù)類、經(jīng)管法學(xué)類三種課程，其中藝術(shù)類課程不少于4學(xué)分，學(xué)生從第二學(xué)期開始自主選修。藝術(shù)類課程包括公共藝術(shù)、藝術(shù)創(chuàng)作與審美體驗、藝術(shù)與科技、藝術(shù)設(shè)計學(xué)、美術(shù)理論與批評、音樂欣賞六門課程。同時，在工程基礎(chǔ)課選修模塊、專業(yè)方向類任選課程模塊及素質(zhì)拓展模塊中增設(shè)與人工智能相關(guān)的課程。工程基礎(chǔ)課選修模塊中增設(shè)智能博弈和深度學(xué)習(xí)兩門課程;在專業(yè)方向類任選課程模塊中增設(shè)數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)、不確定性人工智能及圖像認(rèn)知等四門課程;在素質(zhì)拓展模塊中開設(shè)人工智能導(dǎo)論及腦認(rèn)知等兩門課程。

依照STEAM人才培養(yǎng)模式，我校電氣工程專業(yè)需對專業(yè)人才培養(yǎng)計劃進行調(diào)整更新，本專業(yè)學(xué)生須按培養(yǎng)方案要求修讀各類課程，最低總學(xué)分達到164學(xué)分，其中理論課程128.5學(xué)分，實踐環(huán)節(jié)35.5學(xué)分。必修課程包括數(shù)學(xué)與自然科學(xué)公共基礎(chǔ)類課程、人文社會科學(xué)及藝術(shù)類通識教育課程、工程基礎(chǔ)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程、工程實踐與畢業(yè)設(shè)計、素質(zhì)拓展等，必修課學(xué)分占總學(xué)分的84.15%。選修課程包括人文社會科學(xué)及藝術(shù)類通識教育課程、工程基礎(chǔ)類課程、專業(yè)方向類課程等，選修課學(xué)分占總學(xué)分的15.85%。各類課程學(xué)分設(shè)置如表2所示。

4 結(jié)語

基于“人工智能+新工科”的人才培養(yǎng)已經(jīng)成為專業(yè)建設(shè)的目標(biāo)，課程體系建設(shè)是各個高等院校教學(xué)改革頂層設(shè)計的核心內(nèi)容，關(guān)系到專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。面對未來技術(shù)的革新和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我校電氣工程及自動化專業(yè)課程建設(shè)還有許多工作要做。因此，我校電氣工程專業(yè)建設(shè)應(yīng)該依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，在“人工智能+新工科”導(dǎo)向下將藝術(shù)類及人工智能相關(guān)課程融入專業(yè)課程設(shè)置中，重構(gòu)電氣工程專業(yè)多學(xué)科融合的課程體系;聚焦電氣工程專業(yè)的發(fā)展前沿，及時更新專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容;并積極探索線上線下混合式教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)更多具有STEAM綜合素養(yǎng)的創(chuàng)新型拔尖人才，促進我校電氣工程專業(yè)的“新工科”建設(shè)。

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