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(shè)的重要時(shí)期，要深入貫徹新時(shí)代中國特色社會主義生態(tài)文明思想，全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。大學(xué)生是生態(tài)文明建設(shè)的踐行者和主力軍，尤其在人工智能、“物聯(lián)網(wǎng)+”等高新技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，培養(yǎng)具有人工智能和生態(tài)文明建設(shè)學(xué)科交叉融合知識背景的復(fù)合型人才是目前生態(tài)環(huán)境類高等教育專業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。通過開設(shè)人工智能與生態(tài)文明建設(shè)學(xué)科交叉創(chuàng)新課程，采用線上線下深度融合的教學(xué)模式，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)、多元思維的復(fù)合型生態(tài)文明建設(shè)者和接班人。

關(guān)鍵詞：人工智能；生態(tài)文明建設(shè)；環(huán)境科學(xué)與工程；學(xué)科交叉融合；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)文明建設(shè)提高到新高度，與經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)和社會建設(shè)并列，形成中國特色社會主義五位一體新布局。當(dāng)前，生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻形勢，包括資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化等現(xiàn)狀，生態(tài)文明建設(shè)任重而道遠(yuǎn)。大學(xué)生作為生態(tài)文明建設(shè)的踐行者和主力軍，肩負(fù)著建設(shè)美麗中國的時(shí)代重任，面對當(dāng)前科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級日新月異的發(fā)展形勢，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)、德才兼?zhèn)?、兼具科研?chuàng)新和專業(yè)實(shí)踐能力的生態(tài)文明建設(shè)接班人已成為高校環(huán)境類人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一[1]。近年來，人工智能技術(shù)的突破性進(jìn)展引領(lǐng)了新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)變革，其關(guān)鍵性技術(shù)在環(huán)境污染預(yù)警、生態(tài)保護(hù)及修復(fù)、生態(tài)環(huán)境管理等方面嶄露頭角[2]。生態(tài)文明建設(shè)中許多重大科技問題的突破需要打破原有學(xué)科邊界，融合多學(xué)科知識加以解決，如何通過交叉學(xué)科課程的設(shè)置提升大學(xué)生作為生態(tài)文明建設(shè)核心力量的能力已成為高校特別是環(huán)境、生態(tài)類專業(yè)的重要任務(wù)。

一 ?學(xué)科交叉融合課程的建設(shè)綜述

學(xué)科交叉融合是高等教育尤其是工科專業(yè)，應(yīng)對新的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要舉措，為培養(yǎng)引領(lǐng)未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才需要提前布局。習(xí)近平總書記在中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，要優(yōu)化基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)布局……推動學(xué)科交叉融合和跨學(xué)科研究。突破學(xué)科界限束縛、促進(jìn)學(xué)科交叉協(xié)同已上升到支撐國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的戰(zhàn)略高度，而交叉學(xué)科融合課程的教學(xué)是接軌社會需求與高校教育最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)和最核心的基石[3]。學(xué)科交叉課程的設(shè)置可提高學(xué)生對多學(xué)科知識體系間關(guān)聯(lián)的理解，以及靈活運(yùn)用多學(xué)科知識解決工程實(shí)際問題的能力，助力復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

發(fā)達(dá)國家針對學(xué)科交叉與融合的研究和課程建設(shè)起步較早，且已形成相對完備的人才培養(yǎng)體系[4]。早在1926年美國學(xué)者R.S.Woodworth就提出了交叉學(xué)科（interdisciplinary）概念，即超越一個(gè)學(xué)科邊界且涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上學(xué)科的實(shí)踐活動，并在美國哥倫比亞大學(xué)開展了歷史、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科交叉融合的項(xiàng)目，提高學(xué)生了解世界、認(rèn)識世界的能力[5]。但直到20世紀(jì)70年代這一概念才在全世界范圍內(nèi)引起學(xué)術(shù)界、教育界的廣泛關(guān)注，并在80年代引入我國，國務(wù)院《關(guān)于科學(xué)工作的六條方針》首次提到團(tuán)隊(duì)合作、交叉學(xué)科等問題，為我國學(xué)科交叉在理論和實(shí)踐方面的發(fā)展提供了政策指引[6]。近年我國對學(xué)科交叉的重視達(dá)到新高度，通過不斷推進(jìn)學(xué)科交叉融合，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究范式的深刻變革，提升科技創(chuàng)新與國際競爭力[7]。

學(xué)科交叉融合的內(nèi)涵不僅是在知識、信息、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)和理論上的交叉和融合，還是科學(xué)方法、技術(shù)與工具的相互滲透、借鑒、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和交換[8]。學(xué)科交叉的方式主要包含四個(gè)層面：①不同學(xué)科內(nèi)部知識的交叉分析；②不同學(xué)科之間的知識和信息的互換、轉(zhuǎn)移；③利用聚類分析等手段的交叉學(xué)科可視化；④學(xué)科交叉融合程度的指標(biāo)測度[6，8]。其中人才培養(yǎng)是學(xué)科交叉研究的主體，學(xué)科交叉課程設(shè)置及建設(shè)則是高等教育的重中之重[5]。M.F. Orillion通過案例研究發(fā)現(xiàn)大學(xué)教育中，交叉課程的數(shù)量與學(xué)生綜合成績呈現(xiàn)正相關(guān)；蔡菲等[3]以化學(xué)生物學(xué)為例，通過教學(xué)內(nèi)容交叉、教學(xué)組織與方法交叉、教學(xué)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(xué)生物交叉課程上取得卓越的創(chuàng)新型成果；宋劍等[9]基于生物學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科交叉，將生物仿生設(shè)計(jì)與生物摩擦學(xué)課程進(jìn)行了深入淺出的講授，為培養(yǎng)高素質(zhì)工科創(chuàng)新型人才提供了范例。目前，生態(tài)文明建設(shè)的理論和技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，而環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的課程更新速度遠(yuǎn)落后于行業(yè)發(fā)展速度，存在知識結(jié)構(gòu)單一、學(xué)科間關(guān)聯(lián)度低、與新興技術(shù)融合度差等現(xiàn)狀，因此本課程借助學(xué)科交叉的理論與方法，建設(shè)并優(yōu)化了以人工智能為代表的創(chuàng)新技術(shù)與生態(tài)文明建設(shè)的交叉融合課程。

二 ?人工智能與生態(tài)文明建設(shè)學(xué)科交叉融合的教學(xué)模式

人工智能與生態(tài)文明建設(shè)學(xué)科以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo)，以培養(yǎng)具有家國情懷、使命擔(dān)當(dāng)、創(chuàng)新實(shí)踐能力的德才兼?zhèn)浯髮W(xué)生為目標(biāo)，將人工智能技術(shù)與生態(tài)文明建設(shè)有機(jī)融合，引領(lǐng)學(xué)生樹立生態(tài)文明建設(shè)意識、增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的使命感。通過人工智能學(xué)科和生態(tài)環(huán)境學(xué)科的深入融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)力、思想力、行動力和創(chuàng)新力，將其培養(yǎng)為基礎(chǔ)知識扎實(shí)、創(chuàng)新實(shí)踐兼具的復(fù)合型工科人才，肩負(fù)起生態(tài)文明建設(shè)的時(shí)代使命。

（一） ?課程內(nèi)容與方法

生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域從信息采集到加工處理均已進(jìn)入信息化、數(shù)字化、智能化時(shí)代，僅靠人力實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、治理、管理已經(jīng)不能滿足生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展需求。人工智能與生態(tài)文明建設(shè)作為通識選修課，將從人工智能應(yīng)用概述、生態(tài)文明建設(shè)簡介出發(fā)，到人工智能（包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能機(jī)器人、大數(shù)據(jù)分析方法和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用等）在大氣污染治理、水環(huán)境監(jiān)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(tài)城市建設(shè)中的應(yīng)用，最后總結(jié)并展望中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來需求，以及人工智能與生態(tài)文明建設(shè)的有機(jī)融合。

課程總計(jì)18學(xué)時(shí)，由環(huán)境學(xué)院和人工智能學(xué)院兩個(gè)院系的教師共同授課，向環(huán)境類、生態(tài)類、計(jì)算機(jī)和人工智能類等專業(yè)的本科生開放選課，采用“小班教學(xué)+師生討論+案例研討”相結(jié)合的方式，其中10學(xué)時(shí)用于教師的理論和案例的課程教授，其他8學(xué)時(shí)主要用于師生互動討論和學(xué)生分組案例展示。課程采用“以學(xué)生為主體、以教師為指引”的翻轉(zhuǎn)課堂形式，積極探索傳統(tǒng)學(xué)科與新興學(xué)科的交叉融合方式，以機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)視覺、智能多模態(tài)信息處理與融合等人工智能技術(shù)在生態(tài)文明建設(shè)中的應(yīng)用為切入點(diǎn)，綜述人工智能在生態(tài)文明建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望人工智能助力生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展趨勢，引領(lǐng)學(xué)生樹立生態(tài)文明建設(shè)意識、增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的使命感，并提升學(xué)生個(gè)人職業(yè)素養(yǎng)和綜合能力。

（二） ?人工智能與生態(tài)文明建設(shè)學(xué)科群交叉融合的教學(xué)案例

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷增長和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，污水處理廠的出水水質(zhì)監(jiān)測和控制變得愈發(fā)重要。然而，傳統(tǒng)的污水處理模型在應(yīng)對日益復(fù)雜多變的進(jìn)水水質(zhì)和工藝參數(shù)時(shí)，由于需要花費(fèi)大量時(shí)間測定大量復(fù)雜指標(biāo)、調(diào)整模型參數(shù)，逐漸顯現(xiàn)出局限性[10]。與此同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)方法在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域嶄露頭角，為污水處理領(lǐng)域的模型改進(jìn)和優(yōu)化帶來了嶄新的前景。正是在這個(gè)挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的背景下，我們選擇將污水模型作為課程研究內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生們利用先進(jìn)的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)污水處理廠水質(zhì)預(yù)測并以小組單位嘗試實(shí)現(xiàn)。其中某個(gè)小組選擇將“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的污水處理廠出水水質(zhì)預(yù)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(shù)據(jù)，對污水處理廠出水水質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測。

在“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的污水處理廠出水水質(zhì)預(yù)測”的項(xiàng)目中，小組成員先是收集了某污水處理廠連續(xù)3年的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取了其中包含進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)和過程工藝參數(shù)的10余項(xiàng)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)集，實(shí)施三個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟：①時(shí)滯性調(diào)整。根據(jù)該污水處理廠的工藝流程計(jì)算各個(gè)處理單元的水力停留時(shí)間，累加計(jì)算得到位于不同處理單元的數(shù)據(jù)指標(biāo)的滯后時(shí)間，并調(diào)整其在數(shù)據(jù)集中的位置。②重復(fù)數(shù)據(jù)去除。由于水質(zhì)監(jiān)測儀器的精度與性能的限制，會出現(xiàn)連續(xù)重復(fù)的數(shù)據(jù)行，建立預(yù)測模型前需要將其去除，避免數(shù)據(jù)泄露、模型無法學(xué)習(xí)到數(shù)據(jù)指標(biāo)間的復(fù)雜耦合關(guān)系的現(xiàn)象。③異常值去除并標(biāo)準(zhǔn)化。采用箱線圖識別異常值，并借助貝葉斯回歸插值法填補(bǔ)缺失值，應(yīng)用Box-Cox變換與Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化，將數(shù)據(jù)分布調(diào)整為接近正態(tài)分布，并映射至0～1之間。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，該小組學(xué)習(xí)了Python編程語言及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的相關(guān)理論知識，將總計(jì)17 703份的數(shù)據(jù)集按80∶20的比例劃分為訓(xùn)練集和測試集，利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)構(gòu)建并優(yōu)化（五折交叉驗(yàn)證方法）基于決策樹算法的多目標(biāo)預(yù)測模型，對優(yōu)化后的模型利用測試集進(jìn)行外部驗(yàn)證，預(yù)測結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，決策樹模型對出水總氮（TN）的預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)R2僅在0.3左右、RMSE高達(dá)4.261 mg/L；而當(dāng)決策樹模型對出水總磷（TP）進(jìn)行預(yù)測時(shí)，R2為0.618、RMSE為0.002 mg/L。說明該模型預(yù)測性能較差且不穩(wěn)定，這是因?yàn)闆Q策樹算法對數(shù)據(jù)較為敏感、易出現(xiàn)過擬合或欠擬合現(xiàn)象。在分析出原因后，該小組將模型算法更換為預(yù)測穩(wěn)定、性能高效的隨機(jī)森林算法，并再次對出水總氮、總磷進(jìn)行多目標(biāo)預(yù)測，結(jié)果如圖2所示。雖然隨機(jī)森林算法所需要的計(jì)算資源較多、計(jì)算時(shí)間較長，但展現(xiàn)出了更好的預(yù)測性能。此時(shí)，模型對出水總氮的預(yù)測R2可以達(dá)到0.732、RMSE降低為1.633 mg/L；模型對出水總磷的預(yù)測精度進(jìn)一步提高到R2為0.852、RMSE進(jìn)一步降低為0.001 mg/L。準(zhǔn)確的出水預(yù)測是污水處理廠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)前提下進(jìn)行節(jié)能降耗措施的重要依據(jù)，減少污水處理廠的運(yùn)營成本，可促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

在學(xué)科交叉課程的教學(xué)中，教師在講授基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，通過貼近實(shí)際問題的案例分析，可讓學(xué)生更好地對人工智能在環(huán)境治理中的應(yīng)用有更加深入的理解，并為學(xué)生以小組形式執(zhí)行其他類似項(xiàng)目的探索實(shí)踐做好鋪墊。本課程通過理論與實(shí)際的結(jié)合、小組自主學(xué)習(xí)討論等方式，提高了學(xué)生多元思維能力、解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力及與不同學(xué)科背景的人員進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作的能力。

三 ?學(xué)科交叉課程教學(xué)改革路徑

人工智能與生態(tài)文明建設(shè)作為創(chuàng)新型學(xué)科交叉類課程，課堂以引導(dǎo)式、討論式為主要教學(xué)理念，以案例介紹、小組研討等方式引導(dǎo)學(xué)生對人工智能與生態(tài)文明建設(shè)兩學(xué)科的交叉融合加深理解。目前，本課程的教學(xué)方式仍需進(jìn)一步優(yōu)化改革，主要從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行。

（一） ?優(yōu)化教學(xué)大綱，提高課程品質(zhì)

人工智能與生態(tài)文明建設(shè)課程目前主要針對人工智能類與環(huán)境類專業(yè)的學(xué)生制定教學(xué)大綱，而生態(tài)文明建設(shè)處于生態(tài)文明建設(shè)高度，需要多種專業(yè)技術(shù)人員的參與。下一步需要繼續(xù)優(yōu)化教學(xué)大綱，擴(kuò)大課程選修對象，使更多專業(yè)的學(xué)生能夠加入課堂、融入課堂，真正實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科人才培養(yǎng)的目標(biāo)；結(jié)合選課學(xué)生的專業(yè)背景、知識結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、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(xué)生對課程的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)生參與度；人工智能與生態(tài)文明建設(shè)作為學(xué)科交叉的通識選修課程，鑒于選修課程成績對學(xué)生評優(yōu)、保研等影響較小，學(xué)生往往不太重視課程成績，要進(jìn)一步從根本上提高課程品質(zhì)，增加學(xué)生對課程的興趣。

（二） ?增強(qiáng)教師的學(xué)科交叉教育理念，提升教學(xué)能力

我國大部分高校的學(xué)科交叉課程建設(shè)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(xué)能力。首先授課教師應(yīng)樹立正確的學(xué)科交叉教育理念，要深刻認(rèn)識到跨學(xué)科、復(fù)合型人才是目前國家科技發(fā)展的急需人才，要區(qū)別于傳統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)模式，杜絕教學(xué)模式的生搬硬套，探索出適應(yīng)于學(xué)科交叉課程教學(xué)的新路徑[11]；雖然學(xué)科交叉課程是由不同專業(yè)的老師共同完成，但每個(gè)授課教師不僅要在本專業(yè)上具有精湛的業(yè)務(wù)水平，還需不斷擴(kuò)充自身的多學(xué)科知識，以身作則、終身學(xué)習(xí)，才能更好地引導(dǎo)教育學(xué)生；在授課過程中做到邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、表達(dá)清晰，深入淺出地講授學(xué)科知識，不斷提高教學(xué)能力；在為學(xué)生設(shè)計(jì)課程案例分析時(shí)，針對環(huán)境、化學(xué)、生態(tài)和計(jì)算機(jī)等不同類專業(yè)背景的學(xué)生，選擇更貼近學(xué)生專業(yè)背景的案例，有針對性地布置任務(wù)，提高學(xué)生跨學(xué)科分析、解決問題的能力。

（三） ?實(shí)行線上線下混合教學(xué)模式

線上線下混合教學(xué)模式是后疫情時(shí)代誕生的新的教學(xué)模式，既保障了本校學(xué)生的課程學(xué)習(xí)質(zhì)量，也有利于與其他高校形成教學(xué)資源共建共享體系，強(qiáng)化高校、教師、專家和企業(yè)之間的聯(lián)系，提高課程影響力。人工智能與生態(tài)文明建設(shè)可通過線上線下混合模式，將課程基礎(chǔ)內(nèi)容和難點(diǎn)制作為線上視頻，深度講解課堂難點(diǎn)，包括人工智能應(yīng)用概述、生態(tài)文明建設(shè)核心等，同時(shí)增加教學(xué)案例分析，如人工智能方法中的機(jī)器學(xué)習(xí)是如何用來預(yù)測流域水環(huán)境質(zhì)量變化等與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際問題；線上線下混合式教學(xué)也可通過平臺提前發(fā)布教學(xué)任務(wù)，便于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課下復(fù)習(xí)，提高教學(xué)效率；“互聯(lián)網(wǎng)+”的大數(shù)據(jù)背景下涌現(xiàn)了海量信息數(shù)據(jù)，線下線上資源的同步形成，如MOOC等學(xué)習(xí)庫為學(xué)生提供多樣化學(xué)習(xí)資源[12]，教師可結(jié)合學(xué)生基礎(chǔ)進(jìn)行針對性指導(dǎo)，發(fā)展為有深度、有品質(zhì)的學(xué)科交叉課程。

四 ?結(jié)束語

人工智能與生態(tài)文明建設(shè)學(xué)科交叉課程的設(shè)置旨在向環(huán)境類、計(jì)算機(jī)類等工科專業(yè)科普人工智能的發(fā)展前沿和生態(tài)文明建設(shè)的核心內(nèi)容，介紹人工智能在生態(tài)文明建設(shè)中的應(yīng)用場景，提高不同專業(yè)背景學(xué)生通過高效合作解決實(shí)際工程問題的能力。在以后的教學(xué)中本課程將進(jìn)一步豐富課程案例，充分利用慕課等線上資源和平臺實(shí)現(xiàn)真正的線上線下混合教學(xué)模式，提升課程影響力和價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生在面對實(shí)際科技問題時(shí)運(yùn)用人工智能等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的能力，增強(qiáng)學(xué)生核心科技創(chuàng)新能力，提高解決學(xué)科交叉問題的水平，助力我國生態(tài)文明建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

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