人工智能与新工科双背景下工科教学改革研究

王铁滨 管雪梅 王荣 白岩 邢键

[摘 要] 随着信息技术的日新月异，人工智能技术也随之获得前所未有的进展。在未来发展过程中，工科专业将与多个领域和专业产生密切联系，互相发展和协同发展更是大势所趋。为此，当前新工科教育主要面临各学科之间产生的交叉和融合问题。当前社会多个领域的发展都与人工智能技术密切相关，这就对当前的应用型工科专业教育教学提出了全新的要求，应用型工科专业教育教学改革十分必要和紧迫，改革应满足当前社会对掌握多学科知识、水平高、能力强，具备创新性思维的高素质专业型人才的实际需求。

[关键词] 新工科;人工智能;教学;改革;策略

[基金项目] 2019年度东北林业大学教改课题“人工智能与新工科双背景下应用型工科专业的教学改革研究”;2019年度黑龙江省高等教育教学改革项目“新工科与工程教育专业认证双背景下具有行业特色的工程人才培养模式研究”

[作者简介] 王铁滨（1977—），男，黑龙江哈尔滨人，博士，东北林业大学信息与计算机工程学院讲师，主要从事MIMO和OFDM研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）05-0054-04 [收稿日期] 2021-08-23

一、基于新工科和人工智能背景下工科专业改革的必然性

如果基于传统工科在教育教学方面的特点对“新工科”的内涵进行解读的话，“新”主要体现在工程教育的新理念、学科与专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系等。

全国近五年来，理、工、农、医、哲学、历史、管理、艺术等专业中，新增和撤销数量最多的专业是工科专业，分别占总数的38.39%和26.94%。而工科专业中撤销比较多的是电子信息专业和通信工程专业等传统工科专业，新增比较多的则是人工智能、机器人等新兴工科专业。比如浙江大学在2019年撤销的十个本科专业中，就有电子信息和通信工程，新增的两个本科专业则是人工智能与机器人，这是电子类专业发展转型的一个典型标志。所以电类专业，尤其是电子信息、通信工程和自动化等专业，必须要勇于迎接时代大潮，乘上新时代发展的东风，将内容相近和有所交叉的人工智能的最新发展融入电子信息和通信工程的发展当中，不仅为了适者生存，也为了提高发展。当今很多高校设置了电子信息工程专业，并且越来越注重专业的应用程度，因此还推出了应用型电子信息工程专业，使该专业学生的电子信息应用能力及实践能力得到了培养和提高。

目前，在高校转型发展战略下，新工科对高校特别是电子信息类专业建设提出了新的要求和新的方向。它既是挑战，也是电子信息类专业发展的新机遇。因此，新工科背景下综合性高校本科电子信息类专业必须积极调整专业结构，使电子信息类专业布局与新兴产业接轨，同时加快传统电子信息类专业转型升级，特别是在工程人才培养方案、培养模式等方面进行开拓创新[1]。

由此可见，基于新工科和人工智能双背景下的应用型工科专业教学改革，是未来的发展趋势和前进方向，且前景广阔。

二、电子信息工程类专业改革的必要性

传统学科的设置通常按照其包含的知识的种类和关系，从精细的领域进行划分，但在当下日新月异的前沿新兴科技发展和解决庞大问题需要的驱动下，传统学科领域按照知识划分产生了巨大的局限性，如传统专业设置大多体系封闭、彼此独立，各专业领域关联度低，学科的交叉融合少，当下重大科学及工程问题的解决只靠一个学科是难以独立支撑的。比如人工智能学科就涉及电子信息、通信工程、计算机、软件、自动化、电子、机械、人体动力学、心理学和哲学等不同科学领域。

当今社会，一方面，每年大约有本科毕业生800万人面临就业困难;另一方面，每年国家有上千万的技术工种无人应聘。这种巨大的供需矛盾也集中反映在电子信息专业上。随着电子信息产业的飞速发展，社会对电子信息类相关专业的人才需求越来越迫切，但一方面企业找不到电子信息专业合适的人才，另一方面电子信息的高校毕业生找不到理想的工作。

造成这种局面的原因在于传统电子信息专业在培养人才的过程中，只注重知识的传授，缺乏对学生实践动手能力的培养，也脱离了社会电子信息产业的实际需求，学生不具备走上工作岗位最重要的实际工程开发和应用能力。要解决这一问题，我们必须结合“新工科”背景下工程教育的新目标、新思路、新方法和新需求，对电子信息类专业进行大刀阔斧的改革，尤其是增设“人工智能”专业。在教育部发布的《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》中提出，必须重视人工智能与其他学科专业教育的交叉融合。随后教育部在《高等学校人工智能创新行动计划》中也强调了要加强人工智能领域的专业建设，推进“新工科”建设，形成“人工智能+X”的复合专业培养新模式。

通过教学方法的改革，教学实践的创新，让教育教学与人工智能深度融合并智能化、高效化发展，有助于将传统工科教育升级成新工科的教育模式。

信息类专业建设在“人工智能+X”总体框架下，构建出跨学科的综合性、复合型专业课程体系，在交叉融合和工程实践动手能力的锻炼中，培养出符合新工科标准的创新人才。

三、双背景下应用型工科专业的教学改革措施

上述内容主要针对應用型工科专业改革的必要性和必然性展开详细的分析，在实施教学改革工作的过程中，应该注重层次化和模块化的设计，针对学生当前的学习情况，结合具体的课程要求，让学生由浅入深地参与各种类型的实验教学活动。要求学生全面掌握实验教学的目标和步骤，通过这种方式，让学生在实践操作过程中实现实践能力和创新能力的有效培养。在人工智能和新工科双背景下，教师应该针对传统工科教育存在的问题和困境，大力结合人工智能技术的优势，进一步开发和设计教学内容，结合工科专业的课程要求，设计四个层次的实验教学内容，有助于进一步提升工科专业人才培育效果。

（一）推进“理论+实践”一体化的教学模式

针对传统的工科专业教学情况，大部分教师将教学重心放在理论教学方面，而且主要通过闭卷理论考核的方式评估教学效果，这种教学方式忽略了实践教学的重要性，学生的主体作用在课堂中没有得到充分的发挥和展示，导致教师对学生实际情况缺乏了解和掌握。为了有效帮助学生提高自身的专业技能水平，让学生在实践操作过程中实现创新能力的有效培养，教师应该采取理论与实践一体化的教学模式，加大实践课程的比重，在学校的支持下，为学生建造更加合适的教学环境。在工科专业教学工作的开展过程中，教师应该有意识地将理论教学与实验教学有机结合在一起，带领学生了解各种类型的实验教学内容。通过这种方式，及时收集学生的课堂反馈，有助于针对学生的表现及时给予有效的指导和帮助。理论和实践课程二者之间能够相互促进，能够有效解决以往传统教学模式落后的问题，帮助学生更加直观地了解工科专业的教学目标和要求。为了有效培养学生灵活运用专业知识处理实际问题的能力，除了加强理论教学工作，帮助学生打好扎实的基础之外，还应该设计不同层次的实验教学内容，其中主要包括基础实验、综合实验及创新实验。教师应该结合不同的实验设定相应的人才培养目标和方向，在操作过程中带领学生充分地掌握和了解实验的具体步骤与原理。

针对基础实验，除了要带领学生采用基本的实验方法进行学习之外，还要让学生充分利用自身所学的理论知识参与实验技能的训练。通过这种方式，帮助学生打好扎实的专业基础，让学生在实践过程中对电子信息工程类专业的理论知识体系有所了解。教师应该向学生详细地介绍实验的内容和步骤，引导学生自主参与实验操作。针对综合实验，教师应该引导学生根据已有问题自主探索解决方案，通过这种方式进一步提高了学生的应用能力，学生在解决问题的过程中，要对自身所掌握的专业知识进行系统的整理，根据实际情况和需要运用相关内容。针对创新实验，教师旨在培养创新型人才，除了向学生介绍各种创新项目和大赛之外，还应该关注学生的表现情况，引导学生针对项目要求进行积极主动的思考和探索。

（二）构建“平台+模块”的专业课程体系

为了进一步推进工科专业课程教学改革工作的实施，学校应该支持教师构建平台与模块共行的课程体系，借助先进的人工智能技术，切实捕捉学生的实际诉求和个性偏好，对学生的实际情况和相关信息进行整理和归纳，进一步建设有效的课程平台。通过统一的课程平台为学生提供丰富的教学资源信息，同时让学生参与各种虚拟实验，在先进技术的支持下体验各种课程。通过利用课程平台，有助于培养学生的基本素养。教师可以通过统一的平台，为学生发布教学任务，将专业人才培养的要求贯彻于整个教学环节。作为教师应该根据学生的实际情况，按照工科专业的课程，要求设计递进的公共课和专业必修课程，在学生完成基础课程的任务之后，鼓励学生根据自身需要选择个性化的课程参与训练，在课程平台中有效发挥学生自主学习的积极性。除此之外，学校也应该设置专门的个性化课程模块，结合当前工科专业技术岗位的具体要求，有针对性地设计专门的选修课程内容，为学生提供更加丰富的教学资源。这在当前的背景下，有助于激发工科专业学生学习知识的积极性，让学生能够根据自身个性发展的需求和职业生涯规划的内容，选择适合自己的教学资源进行学习。借助个性化的模块有助于打造独立的专业培养方向，教师能够从更加多元化的角度评估学生的学习情况。

在建造平台与模块共行的实验课程体系过程中，教师应该结合工科专业所涉及的实验内容，合理规划各个板块的主要内容，进一步加强对学生共性和个性的了解，以此作为课程体系设计的前提和基础。采取这样的课程体系，有助于突破工科专业之间的界限，让学生灵活运用学习资源，不断丰富和充实自己。教师也应该根据不同的培养目标，进一步完善相应的课程模块内容，及时监测和了解学生的实际情况，进一步满足学生全面发展的实际需求，引导学生加强对各类实践活动的参与，有助于培养工科专业的应用型人才。

（三）不断“设计+开发”专业教学内容

将人工智能技术与工科教育有机结合在一起，能够有效提升教学的实际效果，为此，必须要不断加强对课程内容的设计和开发，以更好地满足学生全面发展的实际需求。为了有效实施此工作，学校和教师应该进行全面分析，对工科专业学生的接受能力，以及学习过程中的问题和不足进行详细了解，进一步把握学生群体的特征，制订更加详细的培养计划。在明确培养目标之后，可以开展课程内容的设计和开发工作。课程内容的设计和开发阶段耗时最长，而且需要综合考虑多种因素。教育部应针对应用型工科专业人才的要求，制定教材的主要内容，按照由浅入深的顺序设计基础理论知识和高级理论知识，让学生在学习的过程中，逐步打好扎实的学习基础，并且参与相关的实践内容训练，将理论与实践进行紧密的结合。在设计教学内容的过程中，应该对理论部分配以解释型的图像和图表，通过这种方式帮助学生加深对理论知识的掌握。在设计实践内容的过程中，学校和教师应该共同进行规划，按照难易程度设置递进的实验。学校应该加大投入，为学生建造相匹配的教学环境，进一步改善教学条件，便于教师教学工作的开展。教师在引导学生拓展知识的过程中，可以借助一些机器人的重要作品，为学生讲解相关知识和重点，或者为其安排一些任务，从而自主探索解决实际问题的办法。除此之外，学校应该加强与校区之间的合作和交流，不断完善教学视频的质量，采取合格的教具开展教学工作，增添趣味性教学的内容。高校应该结合工科专业岗位的实际要求，引导学生提前做好职业生涯规划工作，帮助学生全面了解自身的情况，结合具体的人才培养方案参与专项训练。学校应该加强教学工作的推广和宣传，除了采用线下面授的方式之外，还可以借助各种先进的平台和技术，进一步拓宽学生获取资源和信息的渠道。

（四）制定多元化的教学效果评估标准

为了进一步提高教学改革的效果，教师应该不断完善教学评估的标准，开展多元化的实验教学评价措施。教学评价对人才培养具有重要的影响和作用，在一定程度上来说，教学评价的成果，有助于为人才培养方向提供重要的参考依据，教师能够根据教学评价及教学反馈的成果，进一步完善人才培养策略。在当前新工科的背景下，教師应该制定更加完善的教学评价体系，将教学重心放在教学过程的实施上，将人才培育的目标落实在各个环节中。除此之外，学校应该加强对教师专业能力的培训，支持教师参与各种实践和训练，进一步提升师资的整体水平。为了帮助工科专业学生提高自身的应用和实践能力，学校应加大投入，进一步完善教学条件和环境，为教师提供更多的使用新型教学方法和手段的空间。教师在制定教学评估标准的过程中，应该综合考虑教学效果和学生的学习效果，以人才培养为主要导向，采取多元标准对教学过程进行评价[2]。

教师应该进一步引导学生对整个学习过程进行观察和思考，对其中所涉及的一些关键和重要的问题进行研究，及时提出自己在学习和操作过程中所面临的问题和困难，有助于为教师提供有效的课堂反馈。根据这些信息，教师能够进一步改进和完善教学措施，有效提升教学质量和教学效果。在人工智能技术的支持下，教师应该采取线上和线下双重评价机制，根据所收集到的反馈信息，不断地改善和修订教学内容，进一步加强对硬件设施的建设，确保学生在良好的学习环境中提高对实践训练的积极性。在设计评估标准的过程中，应该结合一定的鼓励机制，引导学生加入关键技术和新型技术的研究，结合现阶段在专业课程学习中存在的问题，积极提出有效的建设性意见。

综上所述，在人工智能和新工科的双背景下，培养应用型工科专业人才至关重要，完善工科专业实验教学体系的建设工作是一项复杂的工程，但在当今社会发展的过程中，积极进行工科专业教学改革很必要。学校应该结合工科专业的发展需求和特征，以学生为中心，采取理论和实验相结合的教学模式，结合课程要求不断设计和开发教学内容。除此之外，应该进一步加大实践课程的比重，利用人工智能技术构建更加先进的实验和学习平台，加强师生之间的沟通和交流，通过这种方式有助于构建更加完善的人才培养模式，推动高校培养更多应用型工科专业人才。

参考文献

[1]李茂国，朱正伟.工程教育范式：从回归工程走向融合创新[J].中国高教研究，2017（6）：30-36.

[2]王保建，王永泉，段玉岗，等.“新工科”背景下国家级实验教学示范中心建设与实践[J].高等工程教育研究，2018（6）：47-54.

3657501908297