新工科+人工智能背景下專業(yè)教育研究

齊子姝 馬軍彥

◆摘? 要：分析新工科建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)課程設置中課程綜合性不強、跨學科課程缺乏、學生分析工程技術(shù)問題能力不足和實踐環(huán)節(jié)落后等問題，提出將人工智能融入教學各個環(huán)節(jié)。課程教學改革分步走：首先是基礎學習，然后是綜合提升。通過在基礎課程教學中增加人工智能知識、跨學科教學以及完成綜合項目設計等方法，提升學生人工智能綜合應用、主動獲取、實踐操作、溝通協(xié)調(diào)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

◆關(guān)鍵詞：新工科;人工智能;教學改革;創(chuàng)新

1 引言

以人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正深刻改變著高等教育，近年我國不斷出臺政策推進人工智能教育的發(fā)展。2018年教育部發(fā)布的《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》進一步明確了人工智能與教育融合發(fā)展，促進高等教育創(chuàng)新發(fā)展的總體規(guī)劃。

近年來，隨著計算機技術(shù)發(fā)展及大數(shù)據(jù)的廣泛應用，伴隨人工智能在不斷創(chuàng)新使其在社會發(fā)展中的作用越來越重要。高校傳統(tǒng)教育對學生的教授思路局限，學生的個性很難得到發(fā)散和促進。傳統(tǒng)的教學模式對學生的創(chuàng)新思維發(fā)掘和擴展能力有限，在這種背景下，基于人工智能的教學改革更有利于拓展課堂教學環(huán)境和學生思維，是未來教學改進的重要組成部分。建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)是以改善居住環(huán)境、提高能源利用為主的綜合性學科。在營造人工環(huán)境的同時，注重建筑及建筑設備能源的高效利用。當前建環(huán)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標為： 學生通過了解中國能源資源狀況和社會可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的法律法規(guī)，建立可持續(xù)發(fā)展理念，在建筑環(huán)境工程設計和實施過程中，主動推廣使用節(jié)能環(huán)保材料。在建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)的培養(yǎng)體系中，注重學生基本熱力學理論與工程設計的培養(yǎng)，知識體系完整而全面。如何在新工科和人工智能的浪潮下，對建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)的教學工作進行適應性改革，促使建環(huán)專業(yè)學生能夠具備主動高效獲取知識能力、基礎性的實踐操作能力、溝通協(xié)調(diào)與表達能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和解決復雜工程問題能力等。為適應社會發(fā)展需求，應用人工智能技術(shù)，通過建環(huán)專業(yè)的教學改革是非常緊迫的任務。

2 建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)現(xiàn)狀

建環(huán)專業(yè)的任務是以人工建筑為主要研究對象，綜合采用供暖、通風、降溫、凈化等人工環(huán)境與能源利用技術(shù)，去創(chuàng)造適合人民群眾生活與工作的健康、舒適、高效的建筑環(huán)境以及滿足科學實驗、特殊生產(chǎn)工藝過程要求的環(huán)境。專業(yè)主要使命是以達到最高效的能源利用及綜合考慮經(jīng)濟適用條件下，營造健康的建筑環(huán)境，專業(yè)內(nèi)涵包括室內(nèi)外環(huán)境、節(jié)能減排等領(lǐng)域。在新工科與人工智能環(huán)境下，建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)學生在培養(yǎng)過程中存在以下不足，很能滿足當前社會對建環(huán)專業(yè)人才的需求。

2.1教學模式陳舊

當前，專業(yè)主干基礎課例如空調(diào)工程、傳熱學、流體力學、建筑給排水等依然通過PPT+板書的傳統(tǒng)教學模式，對學生進行知識灌輸和講授，不能有效激發(fā)學生的主動探索學習能力。注重對課后習題的書面解答，缺乏可視化的案例教學。學生對紙面上的簡單計算可以駕馭，但是面臨復雜的工程設計，解決綜合分析問題的能力不足。

2.2綜合實踐能力不足

建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)培養(yǎng)方案和授課計劃中，理論教學占比較大，實踐教學配比偏低。一方面擔任教學任務的多數(shù)教室沒有實際工程技術(shù)實踐經(jīng)驗，實踐教學仍以書面知識講授為主，缺乏實際項目支撐;其次，學生的實踐教學多以參觀為主要手段，走馬觀花，只了解工程項目大概表象，不能深入工程設計環(huán)節(jié)，很難有效結(jié)合課程教授內(nèi)容，即對課程講授內(nèi)容起不到促進理解作用，同時又與理論知識相脫離。最終，理論知識得不到應用，培養(yǎng)模式缺乏與新時代人工智能相適應的工程能力。

2.3跨學科課程不足

當前建環(huán)專業(yè)的培養(yǎng)方案中出本專業(yè)課程外缺少跨學科課程。人工智能涉及數(shù)據(jù)挖掘、智能控制、先進材料等學課程，大部分學校均未開設。在實踐環(huán)節(jié)當中，學生跨學科綜合項目實踐同樣缺乏。

因此在人工智能普遍應用及其快速融入高?！靶鹿た啤苯ㄔO的背景下，建環(huán)專業(yè)課程設置應契合時代發(fā)展的需求，在課程體系中加入人工智能課程，創(chuàng)新開展融入“新工科+人工智能”的理念和模式，使學生具備人工智能開發(fā)和研究的基礎和能力。

3 教學改革實施過程

以工程技術(shù)為依托，采用以學生為核心的項目驅(qū)動方式，教師的教學理念要轉(zhuǎn)化到能力培養(yǎng)上，人才能力的培養(yǎng)才能使學生終身不斷進取。系統(tǒng)設計綜合項目，分階段推進。

3.1人工智能基礎教育階段

基礎教育仍然以基本理論學習為核心，如高等數(shù)學、數(shù)值計算方法、自動控制原理等，這些課程以人工智能為背景，以習題或課程設計的形式展開人工智能相關(guān)基礎教育。在課程教學實施過程中，基本知識通過線上慕課的形式展開，課堂研討主要解決問題。教師設定問題發(fā)給學生。把課程學習分成若干階段，學生以小組為單位，對各個階段目標進行團隊分析，提出滿足設計要求的方案。每個階段完成時，教師對結(jié)果進行檢查或者學生互相評判，學生通過演示、答辯來展示本組完成的工作。

3.2人工智能綜合提升階段

借助開展虛擬仿真實驗教學能很好地實現(xiàn)理論教學與實踐教學的一體化。緊密結(jié)合專業(yè)前沿知識，對提高學生素質(zhì)，促進學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力具有重要作用。畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力的重要途徑。建立與土木、建筑電氣、自動化、計算機專業(yè)學生協(xié)作團隊，共同模擬設計院場景進行多專業(yè)綜合項目實踐。還可以通過大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練培養(yǎng)學生的實踐能力。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為學生提供自主實踐、學習的平臺，引導學生獨立自主完成項目。項目的構(gòu)思、設計等都由學生獨立完成。通過上述實踐項目不僅培養(yǎng)了學生自主創(chuàng)新意識，主動學習能力，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，激發(fā)學生的鉆研能力、實踐能力，還可以促進學生自主創(chuàng)業(yè)。

4高校新工科人工智能人才培養(yǎng)有效方法1C1F73FA-4FF7-4100-9F5B-B89224249668

為培養(yǎng)新工科創(chuàng)新應用型人才，可以采用以下幾種有效方法，分別是改革創(chuàng)新法、問卷調(diào)研法，課堂案例法、校外體驗法。創(chuàng)新改革法是在實際課堂中，學生進行自主思考、自行實驗的一種方法。由老師提出問題，講解關(guān)于該問題的一些最基本的專業(yè)知識，其它的內(nèi)容由學生自行思考，自行查閱文獻、自行確定方案、自行總結(jié)過程中遇見的問題以及中間的收獲。教師通過課堂上的觀察以及學生們的總結(jié)情況，對遺漏知識進行補充說明，并且提出過程中的問題與改善措施，以及對操作過程的細節(jié)進行補充等等。問卷調(diào)研法，是指通過制作并向廣大師生發(fā)放問卷的方式，來統(tǒng)計調(diào)研學生對于新工科創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)模式的建議和對高校教學方法改革的期望以及教師對人才培養(yǎng)模式的思考與主張，由此不斷優(yōu)化該培養(yǎng)模式。課堂案例法是指由教師提出近期某工程的真實案例，讓學生進行分析，分組思考、討論，自行解決整個過程遇見的問題，包括對于陌生知識的查閱，材料的分析與了解，環(huán)境的保護等等，教師負責引導協(xié)助學生進行整個方案的制作以及在適當?shù)臅r候給予一定幫助。校外體驗法是指通過組織學生在校外的參觀與實習來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提升學生的創(chuàng)新思維以及使其能掌握和運用到真實的工作中。

以改革創(chuàng)新法為例：

①將教學課堂變?yōu)殚_放課堂，從朝前看變成面對面。學生分組而坐，用討論式課堂代替聆聽式課堂。

②定期要求學生上交此階段對于本專業(yè)的各類心得體會。開始要求學生觀看專業(yè)重要期刊，掌握專業(yè)重要事件，收集專業(yè)工作中經(jīng)典案例，以文字形式定期展示自己的理解和感悟。

③舉辦課堂辯論賽，由教師選擇一實際工程中所出現(xiàn)的專業(yè)問題，由各組同學進行辯論比拼，最終選出最優(yōu)方案。

④舉辦校級交流會。校內(nèi)相近專業(yè)間，校與校同專業(yè)之間進行互訪，坐在一起共同交流，共同進步。教師分享有效的教學方式方法，學生分享在課堂以及實習過程中彼此的心得體會。以促進各高校教育水平進步，揚長避短，增加創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)的經(jīng)驗及手段。

⑤積極鼓勵學生參與各類大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽項目。由三五同學進行組隊，共同參與各類校級、省級、國家級的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，在過程中豐富知識，開發(fā)思維，鍛煉能力。學校依據(jù)成績的好壞給予相應的學分或成績獎勵，激發(fā)同學們的興趣。

⑥鼓勵學生參與各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，多多鉆研，發(fā)表論文和專利者，給予一定的學分或者成績獎勵。將科研融入到日常學習和生活中去。

⑦考試機制變化。不再僅僅局限于一個教室，一張試卷，可以擴展到室外或者擴展為多人共同完成。以達到真正學有所思，學有所用的效果。使學生更具備成為創(chuàng)新應用型人才的能力。

以土建類專業(yè)校外體驗法為例：

①施工單位進行基本工作體驗。從頭開始，要求學生認真觀察本專業(yè)所需的工作內(nèi)容及和其他專業(yè)的銜接內(nèi)容，認真記好各項規(guī)范要求和操作的方法。

②專業(yè)設計院進行復雜交叉專業(yè)配合體驗。要求學生在過程中熟練掌握制圖技能，將日常所學與實際設計相結(jié)合，以至于在未來能更好的、更人性化的工作，增加就業(yè)競爭力。

③其它專業(yè)類單位從事體驗。要求學生多聽多看，多問多做。能真正有所學，有所對照，有所收獲。能在實習體驗過程中尋找到思路，成為高素質(zhì)高水平的創(chuàng)新應用型人才。

④其它土建類高校進行參觀學習。通過交流，不斷完善創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)模式，學生也能在交流中有所收獲。

以地方土建類高校為例，為使畢業(yè)生能夠適應建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級，結(jié)合地域性建筑工程特點，在教學工作中通過專業(yè)基礎知識的交叉融合，搭建通識性理論平臺;強化雙（多）專業(yè)課主線，突出地域特色;注重實踐教學環(huán)節(jié)與工程實際結(jié)合，滿足行業(yè)人才需求。新工科人工智能人才培養(yǎng)方案制定應該充分認清就業(yè)現(xiàn)狀，并以此為出發(fā)點、落腳點，全面深入的分析創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)的模式，以此為各高校提供創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)模式的理論依據(jù)，使其更好更快的開始進行創(chuàng)新應用型人才的培養(yǎng)。

5 結(jié)語

隨著科技的進步以及與廣大人民群眾提升生活品質(zhì)的要求，建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的內(nèi)涵在不斷拓展，從最初的“供熱、供煤氣及通風”到現(xiàn)在提升自然資源利用率，以最低的能源消耗構(gòu)建適宜的人居環(huán)境。云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)在建筑行業(yè)的廣泛應用，對建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)也提出更高層次的要求。開展新工科與人工智能背景下建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)課程教學改革，通過分步走的人工智能培養(yǎng)實踐，將有效提升現(xiàn)有的課程教學模式，積極調(diào)動學生對新技術(shù)的求知欲，極大提高學生人工智能開發(fā)與研究能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和能力的新工科人才，以適應現(xiàn)代建筑業(yè)的高速發(fā)展。

參考文獻

[1]陳麗萍，顏承初，龔延風，等.建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)現(xiàn)代高素質(zhì)人才培養(yǎng)探討—以南京工業(yè)大學為例[J].高等建筑教育，2021，30（01） ： 49-55.

[2]趙穎杰，馬一江.新工科背景下建筑環(huán)境學課程教學改革與討論[J].教育教學論壇，2020（42） ： 150-151.

[3]王素英，張超，趙曉丹，等.新工科背景下民辦高校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)課程改革[J].教育現(xiàn)代化，，2020，7（54）：69-72.

[4]高宏峰，劉偉，徐素莉等.新工科與人工智能背景下電信專業(yè)課程教學改革[J].辦公自動化雜志，2021（443）：43-45.

[5]梁迎麗，劉陳.人工智能教育應用的現(xiàn)狀分析、典型特征與發(fā)展趨勢[J].中國電化教育，2018（03）：24-30.

基金項目：

吉林省教育教學“十三五”規(guī)劃2020年度一般課題—面向新工科人工智能人才培養(yǎng)研究（GH20129）。1C1F73FA-4FF7-4100-9F5B-B89224249668