人工智能背景下大氣科學專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)

李 騫，周愛霞，李妙英

（國防科技大學 氣象海洋學院，湖南 長沙 410073）

引言

人工智能（Artificial Intelligence,AI）技術已成為推動人類經(jīng)濟、社會和科技發(fā)展的決定性力量。從首次提出“人工智能”概念至今已有60余年，在該概念提出的初期，有較多不同定義，較早可以追溯至1956年，McCarthy提出人工智能就是要讓機器的行為看起來就像是人所表現(xiàn)出的智能行為一樣。人工智能領域的開創(chuàng)者之一，美國斯坦福大學教授Nilsson指出人工智能為關于知識的科學，所謂知識的科學就是研究知識的表示、知識的獲取和知識的運用。從本質上說，人工智能就是讓機器代替人思考并把思考結果付諸執(zhí)行的一項工程［1］。任何新事物的產(chǎn)生，都是因為有對該新事物的需求，以及正好有該新事物產(chǎn)生的環(huán)境基礎，人工智能的產(chǎn)生亦是如此。當今世界的科學技術發(fā)展正進入一個全新、快速發(fā)展的階段，信息種類和信息量急劇增加，信息傳遞日益加快，人類的自然智能已經(jīng)無法迅速處理如此巨大數(shù)量的信息，于是開始探索通過計算機執(zhí)行需要使用人的智能才能完成的任務。因此，依托計算機科學與技術的最新方法與手段，突破人工智能領域核心關鍵技術，并應用于計算機視覺、機器學習、文本語言處理、自然語言處理、機器人技術和生物識別技術等領域，實現(xiàn)對人類的全方位仿真［2］，是當前最受關注的熱點。

目前，我國的人工智能在智能駕駛、大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)服務以及人工智能自動業(yè)務等領域均得到了發(fā)展和應用。尤其是近期以來人工智能與大氣科學領域逐步開展了深度融合。自20世紀90年代開始，已有研究人員將較為成熟的智能化算法引入氣象應用領域，例如利用決策樹及隨機森林、自回歸移動平均、支持向量機、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術和方法開展強對流識別、統(tǒng)計預報等氣象應用，取得了較好的業(yè)務效果。近年來，以深度學習為代表的先進智能算法在計算機視覺和自然語言處理等方面表現(xiàn)突出，在大氣科學領域也初步得到發(fā)展，并展現(xiàn)出重要的應用潛力。例如，人工智能技術在氣象觀測應用中可增加觀測類別，有效提高觀測頻次和觀測準確率，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡或循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡可有效對非線性變化的中小尺度天氣進行短臨預報，有效提高冰雹、強降水等強對流天氣的預報準確率和時效性［3］。此外，利用人工智能相關技術在智能網(wǎng)格預報、臺風路徑預報、海霧預報、ENSO等氣候事件預測及人工影響天氣等方面也取得了較好的效果。

因此，在大氣科學人才培養(yǎng)過程中大氣科學專業(yè)課程與人工智能知識技術的交叉融合，能提升學生尤其是研究生自主創(chuàng)新能力水平（新知識的學習能力、各知識的融合能力，以及實踐應用能力），是大氣科學類院校目前應該優(yōu)先考慮和著力發(fā)展的方向。

一、人工智能背景下創(chuàng)新培養(yǎng)的必要性

不同學科的交叉能夠有力地突破不同學科內部固有的思維，形成跨學科的概念和思維的連接，為科研創(chuàng)新提供重要的支持。早在2020年2月，在國家教育層面就指出，要依托“雙一流”建設，提升人工智能領域研究生培養(yǎng)水平，培養(yǎng)“人工智能+X”復合型創(chuàng)新人才，實現(xiàn)人工智能對相關學科的賦能改造［4］。其實，“人工智能+X”概念的提出與新工科建設的背景有很大關系。新工科概念自2016年提出，是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后我國工程教育發(fā)展的新思維、新方式、新方向。與傳統(tǒng)的工科教育相比，新工科的“新”主要體現(xiàn)在三個方面：新興學科、新型學科和新生學科。其目的是培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才。“人工智能+氣象”正是在這種形勢下提出的，旨在實現(xiàn)“跨學科融合、育創(chuàng)新人才”的目標。

“人工智能+X”中，人工智能對于人才培養(yǎng)的影響，更多體現(xiàn)在其對高校工科人才培養(yǎng)體系的沖擊，也即其對新工科學科專業(yè)設置和未來發(fā)展將形成全方位影響。氣象海洋學科屬于傳統(tǒng)意義上的理科專業(yè)，但是其發(fā)展始終離不開工程專業(yè)的支撐，兩者互相結合，才能促進理論和實踐的不斷深化和進步。在“人工智能+氣象”培養(yǎng)模式中，建立人工智能的應用背景可以幫助學生明確學習目的，增加學習興趣；打牢大氣科學基礎可以提高學生對專業(yè)知識應用實踐的認識，促進不同學科技術的融合與創(chuàng)新。我國高校目前的大氣科學人才培養(yǎng)模式不能適應多學科交叉融合的趨勢是全球化背景下氣象人才教育的重要弊端。因此，在大氣科學類院校的專業(yè)發(fā)展上，“人工智能+氣象”的人才培養(yǎng)模式是必要而緊迫的，要以交叉學科的復合型創(chuàng)新人才為培養(yǎng)目標，既需要人工智能和大數(shù)據(jù)相關的專業(yè)基礎，又需要氣象專業(yè)學科的專業(yè)基礎。作為大氣科學專業(yè)的學生，如何打破學科壁壘，形成更宏大的融合發(fā)展態(tài)勢將是一個全新的科學問題。如何把這兩個學科專業(yè)的知識融合，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可借鑒，沒有固定的模式可遵循，理念創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、途徑創(chuàng)新是解決問題的關鍵［5-7］。

二、大氣科學專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

當前我國高校大氣科學領域創(chuàng)新人才培養(yǎng)，還沒有較好適應人工智能等新技術發(fā)展步伐，也難以滿足人工智能新技術與氣象領域融合的創(chuàng)新需要，主要表現(xiàn)在：（1）課程體系沒有及時吸納人工智能等前沿技術。目前大氣科學專業(yè)課程開設以傳統(tǒng)氣象類等課程為主，教學內容對人工智能等新的信息技術及前沿領域跟蹤不夠緊密，課程設置與培養(yǎng)高素質氣象應用復合型人才要求有較大差距。（2）學生運用新技術的能力不足。大氣科學學生以理科課程學習為主，難以跟上快速發(fā)展的信息技術，尤其是運用人工智能等相關理論和技術解決領域內復雜工程問題的能力不足。（3）教學訓練考核工具、手段智能化水平欠佳。大氣科學類教學實踐仍主要以傳統(tǒng)裝備和手工繪圖等手段進行教學實踐和考核，對學生學習過程支持、教學效果評估不足。

在大氣科學人才培養(yǎng)和教學中存在的主要問題有：（1）現(xiàn)有人才培養(yǎng)目標模型與新的崗位任職需求不夠貼切。（2）育人體系的通識性過強，缺乏對人才個性化和創(chuàng)新性的塑造機制。無論是培養(yǎng)體系還是教學模式，現(xiàn)有人才培養(yǎng)系統(tǒng)中的大眾性普通高等教育思想和過程過濃；缺乏特色且育人效果不明顯。（3）個性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的綜合考核和評價體系尚不健全。目前的人才培養(yǎng)體系雖然在培養(yǎng)方案、教學實施、考核評價等方面框架性地考慮了新型人才培養(yǎng)的特色需求，但仍缺乏具體的適應性謀劃和細節(jié)實施設計，尤其是對個性化和創(chuàng)新性能力素質的培養(yǎng)機制還缺乏有效、系統(tǒng)的融合考慮，對新型人才的培養(yǎng)質量還缺乏適宜的評價機制［8］。

三、創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法探索

為有效解決上述問題，需要進一步優(yōu)化人才培養(yǎng)的頂層設計，以課內教學改革、課外科技創(chuàng)新活動和智能化教學手段為抓手，從課程優(yōu)化、課外實踐拓展和訓練條件支撐等方面，借助人工智能新技術開展大氣科學人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新與實踐。同時，將人工智能通識教育與工程應用教育融入大氣科學教育教學體系；多途徑鼓勵和引導學生開展創(chuàng)新實踐活動，通過各類條件建設為智能化應用創(chuàng)新實踐提供軟硬件支撐，實現(xiàn)“理工結合”；開展大氣科學實踐與考核的條件建設，構建智能化的大氣科學專業(yè)領域訓練考核環(huán)境，為學生提供智能化的大氣科學專業(yè)學習過程支持。通過人工智能等與大氣科學的協(xié)同創(chuàng)新，最終實現(xiàn)人工智能與大氣科學的融會貫通，提高大氣科學領域學生科學思維能力和創(chuàng)新實踐能力。

人才培養(yǎng)頂層設計方面。優(yōu)化人才培養(yǎng)的頂層設計，將個性化與創(chuàng)新理念滲透到教、學、管、保各環(huán)節(jié)。修訂以個性化和創(chuàng)新性為鮮明導向的人才培養(yǎng)方案和課程標準，在教員隊伍建設、教學內容選擇、教學模式運用、實踐平臺構建等方面全方位體現(xiàn)個性化與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，及時引入人工智能技術作為教學內容，融入課堂和教學實踐，形成良好的軍事創(chuàng)新教育氛圍。

人工智能與大氣科學融合的教學實踐方面。從人才培養(yǎng)頂層設計入手，將個性化與創(chuàng)新理念滲透到教、學、管、保各環(huán)節(jié)。修訂以個性化和創(chuàng)新性為鮮明導向的人才培養(yǎng)方案和課程標準，在教員隊伍建設，教學內容選擇、教學模式運用、實踐平臺構建等方面全方位體現(xiàn)個性化與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，及時引入人工智能技術作為教學內容，融入課堂和教學實踐。把人工智能新技術有機融入大氣科學教學內容，優(yōu)化論證人才培養(yǎng)方案，在已有大氣科學人才培養(yǎng)體系基礎上，對研究生、本課程等各培養(yǎng)層次，以必修、選修及講座課等形式開設“人工智能導論”等人工智能通識類課程，“氣象海洋信息智能處理”等氣象應用類課程，兼顧基礎性和前沿性，涵蓋人工智能技術在大氣科學領域的主要學科前沿和應用方向；鼓勵教師啟用深度融合信息技術的課程教學模式；根據(jù)教學內容調整，開展相關教材、在線課程及教學資源等方面建設大氣科學課程“氣象海洋信息智能處理與決策支持”“氣象海洋信息處理處理與應用”“氣象信息可視化”等信息類課程，將最新信息處理技術與大氣科學應用深度融合。

在實踐教學內容改革的基礎上，針對人工智能專業(yè)綜合性、前沿性及應用性強的特點，設計能夠綜合利用多領域、多行業(yè)、多單位的人才聯(lián)合培養(yǎng)模式。遵循需求為引導、工程為核心、創(chuàng)新為特色、能力為重點的教學理念，從應用性培養(yǎng)與創(chuàng)新性培養(yǎng)兩方面入手進行教學模式改革。在應用性培養(yǎng)方面，通過與用人單位合作，逐步建立與規(guī)范由學校和單位共同參與、專兼結合的聯(lián)教聯(lián)訓團隊和培養(yǎng)機制；形成需求牽引與創(chuàng)新實踐相融合的氣象海洋專業(yè)人工智能產(chǎn)學研融合人才培養(yǎng)模式。在創(chuàng)新性培養(yǎng)方面，以人工智能人才培養(yǎng)能力目標為牽引，與理論教學環(huán)節(jié)緊密結合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。開展以學生為主體的智能氣象應用創(chuàng)新實踐平臺建設，提供滿足智能應用及大數(shù)據(jù)分析的氣象海洋數(shù)據(jù)庫和計算服務，為學生的創(chuàng)新實踐提供數(shù)據(jù)服務和計算服務。鼓勵和指導學生參加氣象類智能應用競賽，結合各類科技競賽、畢業(yè)設計等活動，組織學員開展智能化氣象應用創(chuàng)新實踐，通過論文發(fā)表、專利申請等形式，凝練創(chuàng)新成果，提升創(chuàng)新能力。建立能夠長效持續(xù)運行的培養(yǎng)環(huán)境，設置相關課程及第二課堂作為競賽的預備和后延。

在教學條件建設方面。依托學校“雙一流”項目，利用人工智能技術開展大氣科學領域教學實踐條件建設和考核評估機制。根據(jù)大氣科學學科相關教學、實踐和考核需求，構建智能化的大氣科學專業(yè)領域訓練考核環(huán)境，為學生提供智能化的大氣科學專業(yè)學習過程支持，開展智能化的大氣科學技能教學訓練效果評估評價，為大氣科學專業(yè)技能教學提供智能化的訓練支撐，進行教育訓練的智能管理與服務。構建涵蓋考核機制、激勵機制和評估機制等三個個性化創(chuàng)新性人才培養(yǎng)新的質量保證體系。建立完善的考核機制、合理的激勵機制以及動態(tài)靈活的評估機制，構建包含知識、能力、創(chuàng)新、成果和發(fā)展的五維綜合測評體系，主要從培養(yǎng)目標、質量標準、組織保障、資源配置、培養(yǎng)教育體系、過程控制、教育監(jiān)督以及質量文化等方面全面衡量個性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機制，確保個性化和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機制剛性運行，不斷提升人才培養(yǎng)的質量。

結語

創(chuàng)新是科技發(fā)展的動力和源泉，創(chuàng)新能力培養(yǎng)是高校教育的首要任務之一。我國高校目前的大氣科學人才培養(yǎng)模式不能適應多學科交叉融合的趨勢是全球化背景下氣象人才教育的重要弊端，制約了大氣科學專業(yè)的進一步發(fā)展。在人工智能背景下，為實現(xiàn)大氣科學專業(yè)人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，高校應該從人才培養(yǎng)的頂層設計、學科融合的教學實踐、教學內容改革和配套教學條件建設等諸多方面提出有針對性的措施和有效的方法及實現(xiàn)途徑。