人工智能與生態文明建設學科交叉教學實踐與改革

祝新哲 趙寶全 孫連鵬 李若泓

摘 ?要：未來五年是美麗中國建設的重要時期，要深入貫徹新時代中國特色社會主義生態文明思想，全面推進生態文明建設。大學生是生態文明建設的踐行者和主力軍，尤其在人工智能、“物聯網+”等高新技術快速發展的時代，培養具有人工智能和生態文明建設學科交叉融合知識背景的復合型人才是目前生態環境類高等教育專業的一項重要任務。通過開設人工智能與生態文明建設學科交叉創新課程，采用線上線下深度融合的教學模式，提高學生解決實際問題的能力，培養與時俱進、多元思維的復合型生態文明建設者和接班人。

關鍵詞：人工智能；生態文明建設；環境科學與工程；學科交叉融合；教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2023）33-0042-04

Abstract： The next five years will be a crucial period for Beautiful China Constriction. It is imperative to thoroughly implement the ecological civilization thought of socialism with Chinese characteristics in the new era and comprehensively promote the ecological civilization construction. College students are both practitioners and main force in the ecological civilization construction， especially in the era of rapid development of high-tech such as artificial intelligence and the Internet of Things+. Cultivating versatile talents with interdisciplinary integration of artificial intelligence and ecological civilization construction has become one of the important missions of higher education in ecological environment major. By offering interdisciplinary innovative courses on "Artificial Intelligence and Ecological Civilization Construction"， we adopt a teaching model that combines online and offline learning and enhancing ecological civilization education to elevate the students' ability of solving practical problems and the innovative ?ability. The purpose of the study is to train them to become the complex builders and successors of ecological civilization who keep pace with the times and think in multiple ways.

Keywords： artificial intelligence; ecological civilization construction; environmental science and engineering; interdisciplinary courses; educational reform

黨的十八大以來，我國將生態文明建設提高到新高度，與經濟建設、政治建設、文化建設和社會建設并列，形成中國特色社會主義五位一體新布局。當前，生態系統面臨嚴峻形勢，包括資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化等現狀，生態文明建設任重而道遠。大學生作為生態文明建設的踐行者和主力軍，肩負著建設美麗中國的時代重任，面對當前科技創新與產業升級日新月異的發展形勢，培養與時俱進、德才兼備、兼具科研創新和專業實踐能力的生態文明建設接班人已成為高校環境類人才培養的重要目標之一[1]。近年來，人工智能技術的突破性進展引領了新一輪的科技和產業變革，其關鍵性技術在環境污染預警、生態保護及修復、生態環境管理等方面嶄露頭角[2]。生態文明建設中許多重大科技問題的突破需要打破原有學科邊界，融合多學科知識加以解決，如何通過交叉學科課程的設置提升大學生作為生態文明建設核心力量的能力已成為高校特別是環境、生態類專業的重要任務。

一 ?學科交叉融合課程的建設綜述

學科交叉融合是高等教育尤其是工科專業，應對新的科技革命和產業變革的重要舉措，為培養引領未來科技和產業發展的人才需要提前布局。習近平總書記在中共中央政治局第三次集體學習時強調，要優化基礎學科建設布局……推動學科交叉融合和跨學科研究。突破學科界限束縛、促進學科交叉協同已上升到支撐國家創新驅動發展的戰略高度，而交叉學科融合課程的教學是接軌社會需求與高校教育最基礎的環節和最核心的基石[3]。學科交叉課程的設置可提高學生對多學科知識體系間關聯的理解，以及靈活運用多學科知識解決工程實際問題的能力，助力復合型、創新型人才的培養。

發達國家針對學科交叉與融合的研究和課程建設起步較早，且已形成相對完備的人才培養體系[4]。早在1926年美國學者R.S.Woodworth就提出了交叉學科（interdisciplinary）概念，即超越一個學科邊界且涉及兩個或兩個以上學科的實踐活動，并在美國哥倫比亞大學開展了歷史、經濟等多學科交叉融合的項目，提高學生了解世界、認識世界的能力[5]。但直到20世紀70年代這一概念才在全世界范圍內引起學術界、教育界的廣泛關注，并在80年代引入我國，國務院《關于科學工作的六條方針》首次提到團隊合作、交叉學科等問題，為我國學科交叉在理論和實踐方面的發展提供了政策指引[6]。近年我國對學科交叉的重視達到新高度，通過不斷推進學科交叉融合，實現科學研究范式的深刻變革，提升科技創新與國際競爭力[7]。

學科交叉融合的內涵不僅是在知識、信息、數據、觀點和理論上的交叉和融合，還是科學方法、技術與工具的相互滲透、借鑒、擴散、轉移和交換[8]。學科交叉的方式主要包含四個層面：①不同學科內部知識的交叉分析；②不同學科之間的知識和信息的互換、轉移；③利用聚類分析等手段的交叉學科可視化；④學科交叉融合程度的指標測度[6，8]。其中人才培養是學科交叉研究的主體，學科交叉課程設置及建設則是高等教育的重中之重[5]。M.F. Orillion通過案例研究發現大學教育中，交叉課程的數量與學生綜合成績呈現正相關；蔡菲等[3]以化學生物學為例，通過教學內容交叉、教學組織與方法交叉、教學支撐體系交叉等方式，貫徹“多元交叉融合”的教育改革理念，在化學生物交叉課程上取得卓越的創新型成果；宋劍等[9]基于生物學、力學、材料學、機械學和統計學等學科交叉，將生物仿生設計與生物摩擦學課程進行了深入淺出的講授，為培養高素質工科創新型人才提供了范例。目前，生態文明建設的理論和技術發展勢頭迅猛，而環境科學、環境工程、生態學等相關學科的課程更新速度遠落后于行業發展速度，存在知識結構單一、學科間關聯度低、與新興技術融合度差等現狀，因此本課程借助學科交叉的理論與方法，建設并優化了以人工智能為代表的創新技術與生態文明建設的交叉融合課程。

二 ?人工智能與生態文明建設學科交叉融合的教學模式

人工智能與生態文明建設學科以習近平生態文明思想為指導，以培養具有家國情懷、使命擔當、創新實踐能力的德才兼備大學生為目標，將人工智能技術與生態文明建設有機融合，引領學生樹立生態文明建設意識、增強生態環境保護的使命感。通過人工智能學科和生態環境學科的深入融合，激發學生的學習力、思想力、行動力和創新力，將其培養為基礎知識扎實、創新實踐兼具的復合型工科人才，肩負起生態文明建設的時代使命。

（一） ?課程內容與方法

生態環境領域從信息采集到加工處理均已進入信息化、數字化、智能化時代，僅靠人力實現環境監測、治理、管理已經不能滿足生態文明建設的發展需求。人工智能與生態文明建設作為通識選修課，將從人工智能應用概述、生態文明建設簡介出發，到人工智能（包括物聯網技術、智能機器人、大數據分析方法和機器學習應用等）在大氣污染治理、水環境監測與水污染治理、土壤污染治理、固體廢棄物污染治理和生態城市建設中的應用，最后總結并展望中國環保產業未來需求，以及人工智能與生態文明建設的有機融合。

課程總計18學時，由環境學院和人工智能學院兩個院系的教師共同授課，向環境類、生態類、計算機和人工智能類等專業的本科生開放選課，采用“小班教學+師生討論+案例研討”相結合的方式，其中10學時用于教師的理論和案例的課程教授，其他8學時主要用于師生互動討論和學生分組案例展示。課程采用“以學生為主體、以教師為指引”的翻轉課堂形式，積極探索傳統學科與新興學科的交叉融合方式，以機器學習、深度學習、大數據分析、計算機視覺、智能多模態信息處理與融合等人工智能技術在生態文明建設中的應用為切入點，綜述人工智能在生態文明建設中的應用現狀，展望人工智能助力生態文明建設的發展趨勢，引領學生樹立生態文明建設意識、增強生態環境保護的使命感，并提升學生個人職業素養和綜合能力。

（二） ?人工智能與生態文明建設學科群交叉融合的教學案例

隨著社會經濟的不斷增長和城市化進程的推進，污水處理廠的出水水質監測和控制變得愈發重要。然而，傳統的污水處理模型在應對日益復雜多變的進水水質和工藝參數時，由于需要花費大量時間測定大量復雜指標、調整模型參數，逐漸顯現出局限性[10]。與此同時，機器學習方法在數據挖掘領域嶄露頭角，為污水處理領域的模型改進和優化帶來了嶄新的前景。正是在這個挑戰與機遇并存的背景下，我們選擇將污水模型作為課程研究內容，引導學生們利用先進的技術手段來實現污水處理廠水質預測并以小組單位嘗試實現。其中某個小組選擇將“基于機器學習的污水處理廠出水水質預測”作為他們的研究主題，收集并清洗了污水處理廠的歷史數據，對污水處理廠出水水質進行了預測。

在“基于機器學習的污水處理廠出水水質預測”的項目中，小組成員先是收集了某污水處理廠連續3年的歷史監測數據，選取了其中包含進出水水質指標和過程工藝參數的10余項數據作為原始數據集，實施三個數據預處理步驟：①時滯性調整。根據該污水處理廠的工藝流程計算各個處理單元的水力停留時間，累加計算得到位于不同處理單元的數據指標的滯后時間，并調整其在數據集中的位置。②重復數據去除。由于水質監測儀器的精度與性能的限制，會出現連續重復的數據行，建立預測模型前需要將其去除，避免數據泄露、模型無法學習到數據指標間的復雜耦合關系的現象。③異常值去除并標準化。采用箱線圖識別異常值，并借助貝葉斯回歸插值法填補缺失值，應用Box-Cox變換與Min-Max標準化，將數據分布調整為接近正態分布，并映射至0～1之間。完成數據預處理后，該小組學習了Python編程語言及機器學習算法的相關理論知識，將總計17 703份的數據集按80∶20的比例劃分為訓練集和測試集，利用訓練集數據構建并優化（五折交叉驗證方法）基于決策樹算法的多目標預測模型，對優化后的模型利用測試集進行外部驗證，預測結果如圖1所示。

如圖1所示，決策樹模型對出水總氮（TN）的預測值與實測值的相關系數R2僅在0.3左右、RMSE高達4.261 mg/L；而當決策樹模型對出水總磷（TP）進行預測時，R2為0.618、RMSE為0.002 mg/L。說明該模型預測性能較差且不穩定，這是因為決策樹算法對數據較為敏感、易出現過擬合或欠擬合現象。在分析出原因后，該小組將模型算法更換為預測穩定、性能高效的隨機森林算法，并再次對出水總氮、總磷進行多目標預測，結果如圖2所示。雖然隨機森林算法所需要的計算資源較多、計算時間較長，但展現出了更好的預測性能。此時，模型對出水總氮的預測R2可以達到0.732、RMSE降低為1.633 mg/L；模型對出水總磷的預測精度進一步提高到R2為0.852、RMSE進一步降低為0.001 mg/L。準確的出水預測是污水處理廠達到排放標準前提下進行節能降耗措施的重要依據，減少污水處理廠的運營成本，可促進碳中和目標的實現。

在學科交叉課程的教學中，教師在講授基礎知識的基礎上，通過貼近實際問題的案例分析，可讓學生更好地對人工智能在環境治理中的應用有更加深入的理解，并為學生以小組形式執行其他類似項目的探索實踐做好鋪墊。本課程通過理論與實際的結合、小組自主學習討論等方式，提高了學生多元思維能力、解決實際工程應用問題的能力及與不同學科背景的人員進行團隊合作的能力。

三 ?學科交叉課程教學改革路徑

人工智能與生態文明建設作為創新型學科交叉類課程，課堂以引導式、討論式為主要教學理念，以案例介紹、小組研討等方式引導學生對人工智能與生態文明建設兩學科的交叉融合加深理解。目前，本課程的教學方式仍需進一步優化改革，主要從以下幾個方面來進行。

（一） ?優化教學大綱，提高課程品質

人工智能與生態文明建設課程目前主要針對人工智能類與環境類專業的學生制定教學大綱，而生態文明建設處于生態文明建設高度，需要多種專業技術人員的參與。下一步需要繼續優化教學大綱，擴大課程選修對象，使更多專業的學生能夠加入課堂、融入課堂，真正實現跨學科人才培養的目標；結合選課學生的專業背景、知識結構基礎、年級等，把握好課程的難度和深度，因材施教，從根本上提高學生對課程的學習熱情和學生參與度；人工智能與生態文明建設作為學科交叉的通識選修課程，鑒于選修課程成績對學生評優、保研等影響較小，學生往往不太重視課程成績，要進一步從根本上提高課程品質，增加學生對課程的興趣。

（二） ?增強教師的學科交叉教育理念，提升教學能力

我國大部分高校的學科交叉課程建設仍處于起步階段，課程的效果很大程度上取決于授課教師對課程的理解和教學能力。首先授課教師應樹立正確的學科交叉教育理念，要深刻認識到跨學科、復合型人才是目前國家科技發展的急需人才，要區別于傳統專業人才培養模式，杜絕教學模式的生搬硬套，探索出適應于學科交叉課程教學的新路徑[11]；雖然學科交叉課程是由不同專業的老師共同完成，但每個授課教師不僅要在本專業上具有精湛的業務水平，還需不斷擴充自身的多學科知識，以身作則、終身學習，才能更好地引導教育學生；在授課過程中做到邏輯嚴謹、表達清晰，深入淺出地講授學科知識，不斷提高教學能力；在為學生設計課程案例分析時，針對環境、化學、生態和計算機等不同類專業背景的學生，選擇更貼近學生專業背景的案例，有針對性地布置任務，提高學生跨學科分析、解決問題的能力。

（三） ?實行線上線下混合教學模式

線上線下混合教學模式是后疫情時代誕生的新的教學模式，既保障了本校學生的課程學習質量，也有利于與其他高校形成教學資源共建共享體系，強化高校、教師、專家和企業之間的聯系，提高課程影響力。人工智能與生態文明建設可通過線上線下混合模式，將課程基礎內容和難點制作為線上視頻，深度講解課堂難點，包括人工智能應用概述、生態文明建設核心等，同時增加教學案例分析，如人工智能方法中的機器學習是如何用來預測流域水環境質量變化等與專業相關的實際問題；線上線下混合式教學也可通過平臺提前發布教學任務，便于學生的課前預習和課下復習，提高教學效率；“互聯網+”的大數據背景下涌現了海量信息數據，線下線上資源的同步形成，如MOOC等學習庫為學生提供多樣化學習資源[12]，教師可結合學生基礎進行針對性指導，發展為有深度、有品質的學科交叉課程。

四 ?結束語

人工智能與生態文明建設學科交叉課程的設置旨在向環境類、計算機類等工科專業科普人工智能的發展前沿和生態文明建設的核心內容，介紹人工智能在生態文明建設中的應用場景，提高不同專業背景學生通過高效合作解決實際工程問題的能力。在以后的教學中本課程將進一步豐富課程案例，充分利用慕課等線上資源和平臺實現真正的線上線下混合教學模式，提升課程影響力和價值，培養學生在面對實際科技問題時運用人工智能等現代科學技術的能力，增強學生核心科技創新能力，提高解決學科交叉問題的水平，助力我國生態文明建設。

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