袁瑞霞 荊國(guó)林 苑丹丹 劉戰(zhàn)劍 王 微

（東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 黑龍江·大慶 163318）

1 人工智能技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用

近年來(lái)，伴隨著數(shù)據(jù)的指數(shù)性增長(zhǎng)、算力的大幅提升及算法的不斷發(fā)展成熟，人工智能迎來(lái)了第三次發(fā)展熱潮。人工智能在推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域提供了新的機(jī)遇。各種人工智能算法通過(guò)對(duì)工藝的完善和環(huán)境治理技術(shù)的提高，不斷推動(dòng)著環(huán)境保護(hù)事業(yè)向前進(jìn)。環(huán)境保護(hù)涉及的專業(yè)非常多，不同領(lǐng)域排放的污染物多種多樣，需要采用的標(biāo)準(zhǔn)和污染控制手段也存在很大差異，環(huán)境污染治理難度非常大。而人工智能技術(shù)的興起，正是契合了我國(guó)環(huán)境大保護(hù)和工業(yè)大發(fā)展的時(shí)代需求。

在國(guó)內(nèi)，已有多個(gè)多個(gè)城市建立了“天空地”一體化智能環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)傳感器、遙感技術(shù)等實(shí)現(xiàn)立體、實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信息處理、判讀分析和野外實(shí)地驗(yàn)證，最終服務(wù)于環(huán)境規(guī)劃、管理及應(yīng)急指揮等部門(mén)的決策。

同時(shí)，人工智能技術(shù)還越來(lái)越多的應(yīng)用于污水廠、垃圾填埋場(chǎng)、廢氣處理系統(tǒng)等傳統(tǒng)三廢處理領(lǐng)域。安徽省亳州市于2020年建成的城南地表水廠可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，比如說(shuō)，水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分析、水質(zhì)參數(shù)智能調(diào)整、智慧安防、還有水務(wù)智能運(yùn)營(yíng)等。其中，生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)需要監(jiān)控2000多套設(shè)備，涉及76道自動(dòng)化工藝，數(shù)據(jù)量特別特別大。如果采用人工分析和判斷存在時(shí)間長(zhǎng)、誤差大等問(wèn)題，所以水廠結(jié)合數(shù)學(xué)仿真模型，采用了計(jì)算機(jī)輔助決策的智慧管理系統(tǒng)，能夠?qū)λ幚碓O(shè)備及各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高效的供水。

2 人工智能對(duì)環(huán)境工程新工科建設(shè)的影響

隨著人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、三廢的處理工程及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，近幾年環(huán)保行業(yè)對(duì)人工智能創(chuàng)新型人才的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。而人工智能對(duì)新工科建設(shè)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提出更高的要求：學(xué)生獲得知識(shí)及能力、素養(yǎng)的提升途徑應(yīng)該是跨專業(yè)的、多元化的，學(xué)生需要熟悉人工智能交叉學(xué)科知識(shí)，具備突出的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、系統(tǒng)思維能力和國(guó)際視野，未來(lái)才可能在我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展中發(fā)揮作用。

然而目前環(huán)境工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)存在仍存在以下問(wèn)題：

2.1 重理論、輕實(shí)踐

“新工科”應(yīng)當(dāng)構(gòu)建以工程創(chuàng)新能力為核心的培養(yǎng)模式，然而目前高校的人才培養(yǎng)理念較為傳統(tǒng)，過(guò)分看重理論學(xué)習(xí)，缺乏培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，導(dǎo)致畢業(yè)的學(xué)生“就業(yè)難”，難以滿足企業(yè)和市場(chǎng)需求。

2.2 人工智能未納入創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)

人工智能與環(huán)保行的結(jié)合，正推動(dòng)新工科環(huán)保人才培養(yǎng)向智能化、自動(dòng)化和類人化等目標(biāo)轉(zhuǎn)變。人工智能時(shí)代需要制訂更加科學(xué)和符合時(shí)代特征的人才培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)，建設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐教育環(huán)節(jié)，以順應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，需要在教學(xué)資源上進(jìn)行優(yōu)化和提高，從純理論指導(dǎo)過(guò)渡到結(jié)合工程訓(xùn)練的實(shí)踐環(huán)節(jié)中。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的環(huán)境工程人才培養(yǎng)方案中沒(méi)有體現(xiàn)人工智能時(shí)代數(shù)據(jù)思維與創(chuàng)新思維結(jié)合的課程，創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)偏重于環(huán)境工程領(lǐng)域傳統(tǒng)技術(shù)，未融合先進(jìn)的人工智能理念和資源。

在“人工智能+新工科”的時(shí)代背景下重構(gòu)環(huán)境工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，是促進(jìn)大學(xué)生高質(zhì)量創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的重要途徑。然而，目前國(guó)內(nèi)高校還未有針對(duì)人工智能環(huán)保創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的模式和統(tǒng)一的課程體系。因此，本項(xiàng)目構(gòu)建“人工智能+新工科”背景下環(huán)境工程專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)模式的研究與改革，將有利于對(duì)接社會(huì)需求，促進(jìn)智慧環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 環(huán)境工程創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式改革思路

2018年，教育部發(fā)布了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》的通知，提出加快構(gòu)建高校新一代人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，積極開(kāi)展“新工科”研究與實(shí)踐，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式，重視人工智能與各學(xué)科專業(yè)的交叉融合。

“人工智能+新工科”的特征是前沿引領(lǐng)性、學(xué)科交融性和創(chuàng)新性。人工智能時(shí)代依靠記憶學(xué)習(xí)的低階認(rèn)知技能將逐漸被機(jī)器所取代，而高階認(rèn)知能力會(huì)更加凸顯，需要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)素養(yǎng)、計(jì)算思維素養(yǎng)、設(shè)計(jì)思維素養(yǎng)和交互思維素養(yǎng)。因此在教育改革中，將人工智能融入專業(yè)創(chuàng)新教育是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)鍵途徑。

環(huán)境工程創(chuàng)新性人才培養(yǎng)涉及環(huán)保專業(yè)能力、人工智能教育和“人工智能+環(huán)保”創(chuàng)新實(shí)踐三大模塊。基于工程認(rèn)證理念，以成果為導(dǎo)向，為培養(yǎng)出適應(yīng)新時(shí)代要求的創(chuàng)新性環(huán)保人才，這三大教學(xué)模塊應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改革。

3.1 環(huán)保專業(yè)能力教育改革

環(huán)保專業(yè)能力模塊包括水污染控制工程、大氣污染控制工程、固廢廢物處理與處置、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境法學(xué)等環(huán)境專業(yè)核心課程。由于近幾年人工智能技術(shù)發(fā)展太快，傳統(tǒng)的教材很少或未融入人工智能技術(shù)在環(huán)保相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，水污染控制工程課程主要還集中于物理法、化學(xué)法和生物法處理污水的原理及工藝，大氣污染控制工程主要講授除塵器、氣體污染物吸收/吸附法等的原理及設(shè)備等。然而，人工智能在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用是系統(tǒng)性的工程，涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染物處理、環(huán)境執(zhí)法等多門(mén)課程內(nèi)容。

為應(yīng)對(duì)人工智能發(fā)展過(guò)快的挑戰(zhàn)，可以根據(jù)環(huán)保領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀及前景，適時(shí)的、動(dòng)態(tài)的在原有專業(yè)核心理論課程中加入人工智能技術(shù)應(yīng)用成果，拓寬學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，繼而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。教學(xué)模式建議采用案例法，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)人智能的系統(tǒng)認(rèn)知。同時(shí)，還可邀請(qǐng)相關(guān)人工智能領(lǐng)域的專家進(jìn)課堂，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域前沿研究的了解。

3.2 人工智能教育

雖然目前各高校在人才信息化培養(yǎng)方面大多設(shè)置了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)類課程，但是難以滿足環(huán)保領(lǐng)域?qū)θ斯ぶ悄芗夹g(shù)的需求。人工智能教育模塊應(yīng)該涵蓋人工智能基礎(chǔ)、Python程序設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)等教學(xué)資源的搭建，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)思維和計(jì)算思維。

人工智能是一門(mén)多學(xué)科綜合、高度復(fù)雜的學(xué)科，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，人工智能是以腦認(rèn)知科學(xué)為基礎(chǔ)，內(nèi)容涵蓋知識(shí)表示、知識(shí)推理、機(jī)器感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能系統(tǒng)構(gòu)建等。對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，全面系統(tǒng)掌握人工智能知識(shí)與能力從學(xué)時(shí)分配和學(xué)習(xí)難度方面都不具備可行性。因此，應(yīng)將理清行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)，了解行業(yè)需求，開(kāi)發(fā)環(huán)保應(yīng)用場(chǎng)景式教學(xué)模式，通過(guò)實(shí)例教學(xué)，使學(xué)生掌握人工智能技術(shù)原理及應(yīng)用方法。

3.3 “人工智能+環(huán)?！眲?chuàng)新實(shí)踐教育

“人工智能+環(huán)保”創(chuàng)新實(shí)踐教育應(yīng)深度耦合環(huán)境工程專業(yè)核心課程、人工智能相關(guān)元素。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)方法，能夠更好地提升學(xué)生的計(jì)算思維素養(yǎng)、設(shè)計(jì)思維素養(yǎng)、交互思維素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)素養(yǎng)。

“人工智能+環(huán)?！眲?chuàng)新實(shí)踐教育改革內(nèi)容主要包括創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目資源的建設(shè)、教學(xué)模式、學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出評(píng)價(jià)制度與系統(tǒng)等，重點(diǎn)強(qiáng)化學(xué)生人工智能創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力。

通過(guò)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)施，最終形成環(huán)保專業(yè)能力、人工智能技術(shù)、創(chuàng)新能力三大教育環(huán)節(jié)相互互補(bǔ)、緊密聯(lián)系、主線清晰的一體化實(shí)踐教學(xué)體系。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、聯(lián)結(jié)能力、元認(rèn)知能力、意義建構(gòu)能力和高階認(rèn)知能力等人工智能時(shí)代需要的5種高階能力，顯著提升學(xué)生從事環(huán)保領(lǐng)域人工智能相關(guān)崗位的能力。

創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的選題尤其重要，指導(dǎo)教師需要引導(dǎo)學(xué)生挖掘生活及環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生基于人工智能技術(shù)進(jìn)行環(huán)保實(shí)踐項(xiàng)目的選題。

4 總結(jié)

將人工智能教育、新工科教育與環(huán)境工程專業(yè)教育相融合，有助于滿足工業(yè)4.0時(shí)代國(guó)家和地方環(huán)保人才培養(yǎng)的迫切需求。通過(guò)環(huán)保專業(yè)能力模塊、人工智能教育模塊和“人工智能+環(huán)保”創(chuàng)新實(shí)踐模塊教學(xué)資源的重建和培養(yǎng)模式的研究，有望實(shí)現(xiàn)適應(yīng)人工智能時(shí)代環(huán)保創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。