环保设备工程与人工智能学科交叉人才培养模式初探

张璐璐，远 野，王飞鸿，杨百忍

（1.盐城工学院科学技术处，江苏 盐城 224002；2.盐城工学院环境科学与工程学院，江苏 盐城 224002）

“交叉学科”门类是在自然、人文社会和技术科学等多学科间交叉、融合的基础上产生的新兴学科，其包含的知识范围广泛且结构复杂。美国学者亚伦·瑞克（Allen F.Repko）曾在其跨学科领域著作《如何进行跨学科研究》中表明，交叉学科需对各学科专业知识进行加工整合、融会贯通。2021年1月，教育部公布《国务院学位委员会教育部关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知》，交叉学科成为我国第14个学科门类。交叉学科有助于增强各学科领域间的深度交流合作，在孕育新兴学科的同时，能够打破传统专业学科的垄断，把焦点聚集到容易被专业学科忽视的研究课题上，使很多关系到国计民生根本的重大问题得到加速解决。

环保设备工程专业的主要研究内容是环保设备的工作原理、结构组成和调试养护等，进而实现对环保设备的设计制造、操纵维护、应用研究以及设备的功能改善等。在“人工智能”“云计算”和“大数据”技术迅猛发展的时代背景下，新一轮信息技术革命协同产业数字化变革蓬勃兴起，深刻影响了环保设备工程的发展轨迹，未来环保设备的发展趋势是与数字化和智能化相结合。为了突破学科限制，加强创新思维的培养，促进跨学科、跨专业的交叉融合，同时更好地适应智慧城市中对环保工作的实际需求，亟须加强环保设备工程与人工智能学科交叉人才的培养。基于此，本文首先分析了国内外学科交叉现状；其次，通过对人工智能和环保设备工程进行介绍，探讨了智能化环保设备学术体系建设；最后，对智能化环保设备专业人才培养模式进行了探索，可为多学科交叉背景下的复合型人才的高效培养提供有益的参考借鉴。

1 学科交叉现状

目前，国内外部分高校结合自身特色学科相继实行了学科交叉人才培养模式的改革，基于校内外实践基地加强了多维创新实践能力的培养，但由于各高校科研水平、培养目标、专业及课程设置不同，其培养模式也不尽相同。

1.1 国内外学科交叉现状

在国外，随着学科交叉意识不断深入，学科交叉理念得到了广泛认可，学科交叉改革也在不断完善下逐步走向成熟，交叉研究中心的数目也在不断扩增。在多学科交叉发展趋势下，斯坦福大学成立了跨学科研究中心，为学科交叉发展搭建创新平台并提供了有效资源[1]。麻省理工学院与哈佛大学在交叉学科的共识和发展需求下，通过把理工科与医学进行多学科交叉，合作成立了交叉学科研究所，加快了攻克人类重大疾病的科研和试验进程。加州理工学院也已拥有50余个学科交叉研究中心，每个研究中心交叉偶联了至少6个不同学科。

在国内，随着对学科交叉意义的深入认识，很多高校也逐渐步入学科交叉改革的道路。清华大学在把脑科学、人文社科和生命科学等进行多领域交叉融合的基础上，建立了未来实验室及脑与智能实验室。为了充分培养学生的多维实践创新能力，除了进行多媒体授课、线上线下结合教学，还充分利用了学校实验平台、校外实训基地和国家重点实验[2]。复旦大学成立了由文理医工社政法等学科组成的交叉学科学部学位评定委员会。西安交通大学通过开设“法律治理学”交叉学科博士点，从学科设置方面为交叉学科提供了新的发展思路和方向，把交叉学科的重要性提升到了一个新的高度。为专项鼓励多学科的自主交叉偶联，山东大学科学技术研究院成立了交叉学科培育项目，为多维课堂教学的实现及多维实践能力的培养做出了重要贡献。

1.2 国内外环境类学科交叉现状

斯坦福大学设有2个与环境类学科交叉的院系。一是土木与环境工程系，研究方向偏向于建筑环境与大气/能源和水环境的交叉融合。二是地球、能源与环境科学学院，在人类环境系统、能源科学与技术和生物圈等研究方向基础上，融入地理学、经济学和化学等基础课程，形成了能源与环境政策分析、可再生能源与绿色能源过程等大批学科交叉课程，促进了能源系统、环境和地理学的交叉融合发展。伊利诺伊大学香槟分校在农业与环境科学学院下设立了环境经济学与政策、自然资源与环境科学、环境经济学与法律等专业，在文理学院下也设立了环境地质、环境化学、地球科学等专业，突出了对交叉学科人才培养的重视。

国内方面，南京农业大学借鉴了CDIO国际工程教育模式的教学理念，打破了环境工程、环境科学和生态、农业资源与环境专业之间的学科壁垒，对“环境科学与工程”大类专业进行研究生的招生培养。南开大学为顺应时代发展趋势和社会需求，引导学生掌握智能化技术，通过与人工智能学院联合，在环境工程专业的培养方案中，加入了“人工智能导论”“大数据计算及应用”等前沿技术选修课程，从而将新型人工智能技术有机融入环境领域，培养出环境领域新工艺与技术开发、工程应用等方面的复合型人才。

2 学科交叉背景下智能化环保设备专业体系建设

在国内外高度重视人工智能技术的背景下，教育领域正面临着学习方式转变、人才培养模式变革、学习场景重塑等诸多挑战，各大高校竭力探讨“人工智能+X”复合特色专业人才培养新模式。在“双碳”背景下，环保设备工程专业就必须主动适应时代趋势，稳中求变，进而获得生机和发展，积极推动“人工智能+环保设备工程”复合专业的形成，使“智能化环保设备工程”成为可能。

2.1 智能化环保设备中的人工智能

人工智能作为一个以计算机科学为基础，由计算机、哲学、心理学等多学科融合的交叉学科，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，主要涉及机器人、图像识别、专家系统、语言识别和自然语言处理等研究。

2018年教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》明确要求推进“新工科”建设，形成“人工智能+X”复合专业人才培养新模式。各大高校成为培养人工智能创新型人才的主要平台，不仅建立了人工智能专业，还设立了与人工智能相关的多个二级学科，比如清华大学的数据科学和信息技术、上海大学的智能医学诊疗、中山大学的智能交通工程、安徽理工大学的智能制造工程等。目前，已有300多所院校开设了人工智能相关专业，可以说，人工智能专业在我国已经有了较为合理的布设。

2.2 智能化环保设备中的环保设备工程

2011年，为了顺应我国环保形势和需求，环保设备工程作为新兴专业应运而生，旨在培养系统掌握环境科学与工程及机械工程相关学科知识和专业技能的高级专业技术人才，同时重视培养学生良好的科学素质和较强的动手实践能力，为以后在污染控制及资源化领域从事环保设备的研发、设计、制造、运行与管理等工作打下坚实的基础[3]。

环保设备工程教学团队秉承素质为先、能力为本、实践为重的教学理念，在保证学生具备扎实理论基础的前提下，通过实践活动调动学生的自主创新和合作能力，在巩固所学理论知识的同时，加深了对抽象知识的理解。

在“双碳”的大环境下，当今社会对于环保高度重视，加上新技术、新理论的不断涌现，各学科间相互交叉融合，呈现综合化、整体化的趋势，因此，培养环保设备方面高素质复合型人才已成为一项迫切任务。

2.3 智能化环保设备的发展前景

在“新基建”加速推动下，5G基站建设、人工智能、大数据中心等新型基础设施建设为传统环保模式的数字化转型、智能化升级提供了强大推动力。将AI技术融入环保设备的优化设计中，是新兴技术与当前环保设备领域有机结合的重要体现。在人工智能和5G技术的加持下，智能化环保设备不仅能够实时监控污水废弃物，还能按照行业标准控制污水的排放，有助于加强环境信息的监测能力、环境数据的传输能力、环境现状治理的能力及环境保护的应急管理能力等，以此实现污水处理流程的高效、高质量运行，降低危险发生率。此外，智能化环保设备还能根据具体工作要求进行功能的调整，高效适应不同工作条件，突出了智能化环保设备功能的优越适应性。

自人工智能诞生以来，相关理论和技术日益成熟，应用领域不断扩大。可以预见，在人工智能的赋能下，未来的环保领域将更高效地产出质量优、性能佳的智能化环保设备，用以完成一些通常需要人类智慧才能完成的复杂工作，极大提高生产效率，积极推动“双碳”工作稳步进行。

3 智能化环保设备专业人才培养模式探索

在工程教育专业认证的推进下，我国高校人才培养模式正在逐步转变，主导关系也由政府及学校行政转为社会、高校和教师及学生多方协商确立。对于设有环保设备工程专业的高校而言，需要明确社会需求的导向性，主动与当地政府、环保行业组织、环保企业等取得联系，获取相关社会需求信息，进而及时反馈到人才培养模式中，为培养高质量复合型人才奠定基础。

3.1 专业定位

“十四五”时期是我国污染防治攻坚战取得阶段性胜利、继续推进“美丽中国”建设的关键期。随着全球加速向智慧化方向发展，环保产业与新型基础设施建设的深入交叉融合，智慧环保将成为环保行业的新热点，在当今社会的生态环境保护中占据更加重要的地位，环境类人才也必将走上智慧化发展的道路。

与其他行业不同，环保行业由于其公益属性，被认为是一个以达标为单一导向的纯投入行业，使整个行业缺乏研发和创新的动力。因此，智能化环保设备专业旨在打破各产业间的界限，使环保产业与生物技术、物联网、大数据、人工智能等领域协同纵深发展。同时，积极应用现代化技术，加速突破环保装备技术创新瓶颈，使技术创新与经济效益正向循环，推动环保设备的智能化发展，促进环保产业的高质量转型、升级，进而保障社会的整体性、绿色化发展。

3.2 培养方案构建

3.2.1 遵循高等教育培养规律和智能化环保产业发展规律

智能化环保设备人才培养方案除了应遵循高等教育对人才培养的普遍规律外，还要结合当今环保设备、人工智能行业的发展特点，突出强调智能化环保设备专业的特色，培养出具备高适应性、学习性和特色性专业人才。

环保产业对人才的需求使培养目标从“技术专”发展为“行业专”，人工智能的融入又使“行业专”发展为“行业智能”，实现“由注重理论知识传授向注重创新能力培养，由注重系统性学科教育向注重产教综合性教育”的转变，深刻体现了当前科学技术和市场经济的迅速发展对人才培养趋势的影响。

3.2.2 课程设置“宽基础、重应用、灵活性”原则

在大众化与终身学习的新教育理念下，智能化环保设备专业的基础课程设置应从“宽基础”出发，注重培养学生形成人工智能、环境、机械三个学科的综合知识体系，改变原有教学窄、专、深的特点，进而获得更加广阔的视野思维。

同时，为实现课程从系统性理论教学向实践性应用教学方向发展，培养面向智能化环保设备一线应用型人才，以人工智能工程综合训练、环境污染控制综合训练、机械设计综合训练等实践课程为纽带，贯通和整合学科基础课程与专业课程之间的知识联系，培养和提升学生综合应用所学知识的实践应用能力，激发创新意识和思维。

3.2.3 产学研用结合，构建创新实践基地平台

在教育部对人才培养方案的基本要求基础上，积极实行产学研用相结合策略，通过校企合作搭建创新实践平台，将人工智能元素融入环保设备领域专业的人才培养环节，激发学生的创新意识和自主实践能力，同时加强对实践教学和创新学分的统筹规划，为环保设备领域的产业技术升级创新提供后备力量，积极应对社会对智能化环保设备人才的需求。

4 结语

多学科交叉是人工智能领域进行科技创新、技术改革的核心突破点，也是其他学科进行智能化改革的机遇。高校学生是提升国家创新能力提升的主力军，为响应国家在人工智能方面的布局、满足“双碳”背景下对高层次环保行业人才的需求，探索智能化环保设备的学科交叉人才培养模式显得尤为重要。中国高校应抓住人工智能及环保设备领域蓬勃发展的历史机遇，在培养机制、课程体系、产教融合等多方面发力，为我国智能化环保设备领域培养具有创新意识与开拓精神的高层次复合型人才。