“人工智能+新工科”背景下电气工程及自动化专业课程体系建设研究

徐祥征

摘 要：“新工科”是高等工程教育实践的新理念，人工智能已进入与产业深度融合的发展阶段，正推动“新工科”人才培养向智能化、自动化和类人化等目标转变。为了适应教育改革新形势，本文首先分析了我校电气工程及自动化专业课程设置的不足;其次分析了STEAM教育内涵，阐述了STEAM教育模式的主要特征，即：突出多学科融合，重视创新能力及社会责任感的培养;最后基于STEAM教育模式，并按照电气工程及自动化专业现有的人才培养计划增设与艺术及人工智能相关的课程，优化课程配置，实现电气工程及自动化专业交叉融合的课程体系重构。

关键词：人工智能;新工科;电气工程;课程体系建设;教学改革

中图分类号：G640  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）08-0101-03

0 引言

近年来，随着我国人工智能技术的迅猛发展，迫切需要高等院校从发展“新工科”的战略高度开展以人工智能为基础的专业建设，大力推动传统工科专业的创新发展，培养人工智能技术领域的新型拔尖人才，主动适应全球高等工程教育的发展。“新工科”建设的核心在于专业的交叉与综合，这要求各高校在传统工科专业的基础上探索新领域和发展新专业，构建一套交叉融合的课程体系，形成以创新能力、工程实践能力为导向的培养模式，培养人工智能、智能制造等新技术领域的工程技术人才。因此，高等院校在专业建设过程中，应把人工智能及智能制造技术全面、深入地融入到“新工科”的专业建设中，结合传统工科专业建设的发展现状，探索“新工科”专业建设的创新与实践，构建以“人工智能+新工科”为导向的专业课程体系，培养具有创新创业意识的新型技术人才。

我校电气工程及自动化专业立足“交通特色、轨道核心”的办学定位，结合江西区域经济社会发展和轨道交通行业对人才、技术、创新成果的需求，积极开展课程体系建设，经过四十余年的发展，现为国家特色专业及国家级一流专业。在“人工智能+新工科”背景下，基于STEAM教育理论重构我校电气工程及自动化专业的课程设置，实现多学科的交叉融合，形成以能力培养为主线的双创型人才培养课程体系，这对于培养电气工程领域拔尖创新型人才具有重要的意义。

1 我校电气工程及自动化专业的课程设置现状

电气工程及其自动化专业是我校的铁路特色专业，实施两年电气大类、两年专业方向培养的“2+2”人才培养方案;前两年按专业认证标准提供的专业培养目标和方案进行大类培养，设置公共基础模块课程和学科基础模块课程，学时分配分别占总学时的34.73%及29.14%;后两年按电力系统及其自动化方向、铁道电气化、城市轨道交通供电、电力牵引与传动控制、城市轨道交通车辆电传动五个方向实行分流特色培养，设置特色方向的专业课程模块，学时占总学时的13.05%。各类课程学分设置如表1所示。

近几年来，虽然我校电气工程及自动化专业的办学条件不断得到改善，教学水平不断得到提高，但是随着我国教育改革的不断发展，我校电气工程及自动化专业的课程设置，不能满足当前“人工智能+新工科”教育模式对创新人才培养的要求，本专业课程设置的不足主要体现在以下几个方面：

（1）电气工程及自动化专业的学科基础课程和专业课程缺乏有效的衔接。目前，我校电气工程专业的课程设置方案还是按照传统的设置模式，学科基础课程和专业课程教师没有进行有效的交流和沟通，课程教学内容有较大的重复。例如：电力系统基础和电力系统分析两门课程在电力系统稳态分析方面重复较多;铁道概论与电气化铁道概论之间部分内容重复;供变电技术和工厂供电之间也有较多的内容重复。这些重复的教学内容不仅浪费了学时，而且还降低了学生对课程的学习兴趣，严重影响了专业教学质量的提高。

（2）电气工程及自动化专业课程设置单一，学科之间缺乏交叉与融合。目前，我校电气工程专业课程规划与安排片面重视专业方向的需求，强调学科之间独立性，忽略了不同学科之间的交叉融合。例如：我校电气工程及自动化专业没有设置艺术类相关课程，忽视了艺术类课程对大学生艺术情操及艺术欣赏能力的培养及大学生全面发展的人格塑造，忽视了艺术类课程是当代大学生素质教育的有机组成部分。

（3）电气工程及自动化专业的课程设置缺乏技术创新型课程。目前，我校电气工程及自动化专业课程设置没有开设人工智能领域的相关的课程，仅开设信息技术方面的课程，该类课程与当前电力生产实践联系不够紧密，不能全面真实反映电力发展的新技术与新装备的应用，这不仅严重阻碍了我校电气工程及其自动化专业的新工科建设，而且难以满足经济社会对智能人才培养的素质要求。

由上可见，我校电气工程及自动化专业课程体系对于“人工智能+新工科”人才培养目标，还存在不足。因此，将艺术类及人工智能相关课程融入我校电气工程及其自动化专业课程设置中，优化课程配置，重构电气工程及自动化专业交叉融合的课程体系势在必行。

2 STEAM培养模式

2006年1月，美国学术界提出了STEM（科学、技术、工程、数学四门学科英文首字母的缩写）人才培养模式，目的是在知识经济时代应该培养具有STEM素养的人才。STEM培养模式包括科学教育、技术教育、工程教育及数学教育等四个核心知识领域模块。其中，科学教育模块包括物理、化学、生物等自然科学领域的探索活动;技术教育模块包括工业技術、信息技术、物联网技术等智能技术领域的培养活动;工程教育模块包括轨道交通、土木建筑、电气工程等行业领域的工程教育活动;数学教育模块包括几何、代数、智能算法等数学领域的技能教育活动。

以STEM教育模式为基础，美国学者格雷特·亚克门于2010年提出了STEAM人才教育模式，将艺术类相关课程（Arts）融合到STEM教育中，形成STEAM教育模式，旨在以数学、工程、艺术为基础，掌握科学与技术知识。STEAM人才培养模式交叉融合了不同学科体系的内容，注重培养学生的学习能力、生活能力及职业发展能力，其人才教育的主要特征为多学科融合、创新能力及社会责任感的培养。其STEAM教育模式如下图1所示：

上述STEAM人才教育模式包括四个层次：教育目标、学科综合、学科分类及专业课程，四个层次依次形成宝塔结构。宝塔最顶层是人才培养的终极目标;第二层是STEM+Arts（STEAM），不同学科知识内容间的交叉与融合，强调多学科的综合;第三层是STEAM教育模式的学科分类，包括科学、技术、工程、艺术、数学等核心学科知识模块，强调各个学科的相对独立性;宝塔底层是主要涉及STEAM教育模式的具体专业课程，强调各专业课程相关基础及专业知识的学习。

3 基于STEAM模式的电气工程及自动化专业交叉融合的课程体系重构

电气工程及自动化专业的培养目标是：致力于培养具备电气工程专业相关的基础理论知识、专业技术和实践能力，能在电气工程领域（具有轨道交通行业特色）的装备制造、系统运行、技术开发等部门从事设计、生产、运营维护等工作的实践能力强、创新务实、具有一定国际视野的电气工程师。因此，从培养目标出发，在“人工智能+新工科”导向下优化电气工程专业的课程配置，重构电气工程专业交叉融合的课程体系;从教学内容出发，更新专业知识内容，紧跟专业发展前沿;从教学手段出发，依托网络平台，采用线上线下混合式教学方法，提高学生的学习效果。

基于STEAM理念，将电气工程及其自动化专业课程设置有8个模块：公共基础课必修模块、公共基础课选修模块、工程基础课必修模块、工程基础课选修模块、专业基础课必修模块、专业方向类课程、专业实践模块及素质拓展模块。在公共基础课选修模块中分身心健康类、艺术类、经管法学类三种课程，其中艺术类课程不少于4学分，学生从第二学期开始自主选修。艺术类课程包括公共艺术、艺术创作与审美体验、艺术与科技、艺术设计学、美术理论与批评、音乐欣赏六门课程。同时，在工程基础课选修模块、专业方向类任选课程模块及素质拓展模块中增设与人工智能相关的课程。工程基础课选修模块中增设智能博弈和深度学习两门课程;在专业方向类任选课程模块中增设数据挖掘、机器学习、不确定性人工智能及图像认知等四门课程;在素质拓展模块中开设人工智能导论及脑认知等两门课程。

依照STEAM人才培养模式，我校电气工程专业需对专业人才培养计划进行调整更新，本专业学生须按培养方案要求修读各类课程，最低总学分达到164学分，其中理论课程128.5学分，实践环节35.5学分。必修课程包括数学与自然科学公共基础类课程、人文社会科学及艺术类通识教育课程、工程基础类课程、专业基础类课程、工程实践与毕业设计、素质拓展等，必修课学分占总学分的84.15%。选修课程包括人文社会科学及艺术类通识教育课程、工程基础类课程、专业方向类课程等，选修课学分占总学分的15.85%。各类课程学分设置如表2所示。

4 结语

基于“人工智能+新工科”的人才培养已经成为专业建设的目标，课程体系建设是各个高等院校教学改革顶层设计的核心内容，关系到专业人才的培养质量。面对未来技术的革新和社会经济的快速发展，我校电气工程及自动化专业课程建设还有许多工作要做。因此，我校电气工程专业建设应该依据专业培养目标，在“人工智能+新工科”导向下将艺术类及人工智能相关课程融入专业课程设置中，重构电气工程专业多学科融合的课程体系;聚焦电气工程专业的发展前沿，及时更新专业课程的教学内容;并积极探索线上线下混合式教学模式，充分调动学生的学习兴趣，培养更多具有STEAM综合素养的创新型拔尖人才，促进我校电气工程专业的“新工科”建设。

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