大學(xué)怎么讀-以電子信息類專業(yè)為例 課件【ch01】未來工程的社會背景

未來工程的社會背景“高等學(xué)校電子信息類精品教材大學(xué)怎么讀——以電子信息類專業(yè)為例第1章01工程技術(shù)日新月異工程教育改革工業(yè)革命時代的工程教育培養(yǎng)機(jī)器操作工是工業(yè)革命時代工科類大學(xué)的主要目標(biāo)。第一次和第二次工業(yè)革命最大的變化就是出現(xiàn)了眾多的重要工程發(fā)明，從蒸汽時代到電氣時代，各種新技術(shù)新發(fā)明層出不窮，蒸汽機(jī)、蒸汽輪船、電燈、電話、發(fā)電機(jī)，這些耳熟能詳?shù)陌l(fā)明影響了整個世界的進(jìn)程。電動汽車品牌特斯拉大家應(yīng)該都不陌生，它就是為紀(jì)念物理學(xué)家尼古拉·特斯拉而命名的。工程教育改革工業(yè)革命時代的工程教育資本主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了自然科學(xué)的研究，更促進(jìn)了大學(xué)教育的工程化培養(yǎng)。可以說，在工業(yè)革命時代，機(jī)器操作工的出現(xiàn)對于之前依靠人力、水力、風(fēng)力等自然條件的社會來說都是全新的，其高效能的結(jié)果讓人們看到了工程技術(shù)對于社會的必要性，社會需求也隨之增加。而社會需求的增加則進(jìn)一步促進(jìn)了工程技術(shù)的創(chuàng)新，知識的重要性在這個過程中得到提升，文明的進(jìn)步也隨之而來?？茖W(xué)時代的工程教育隨著社會生產(chǎn)架構(gòu)的逐漸完整,數(shù)理基礎(chǔ)對于研究發(fā)明型人才的重要性日益凸顯大學(xué)也開始逐步改變面向社會直接輸出工程人員的粗獷型教育模式，以科學(xué)訓(xùn)練為切入口，提升學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。MIT第一次工程教育改革和第二次改革之間，社會的工程技術(shù)人員缺口已經(jīng)得到了很大程度的補(bǔ)充，社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定度得到了保障，而國防等軍事政治領(lǐng)域的人才缺口開始凸顯，對于人才的專業(yè)知識儲備和創(chuàng)新能力有了更高的要求。工程教育改革科學(xué)時代的工程教育或許科學(xué)家和工程師的發(fā)展道路不盡相同，科學(xué)家深究原理，探索世界的未知;工程師強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，以滿足社會需求和提升生產(chǎn)力為導(dǎo)向。但無論哪一條路，若想要達(dá)到一定的高度，在自己的領(lǐng)域掌握發(fā)言權(quán)，那么對基礎(chǔ)知識的融會貫通和聯(lián)想創(chuàng)新就是必不可少的。將科學(xué)訓(xùn)練列入每一位學(xué)生的培養(yǎng)方案中，可以牢固根基，破除天花板的桎梏。工程教育改革工程教育改革教育部在2017年發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，從國家戰(zhàn)略高度肯定了深化工程教育改革的意義，圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，提出了期望和要求，“新工科”應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)器人和人工智能開始重構(gòu)人類的生產(chǎn)、學(xué)習(xí)和生活，智能教育與人才培育已然成為新時代的課題，它給人類帶來的影響，甚至可能超過互聯(lián)網(wǎng)曾給世界帶來的巨大變化(見圖1.3)。智能時代的新工程教育工程教育改革2018年10月31日，習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第九次集體學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)，“加快發(fā)展新一代人工智能是事關(guān)我國能否抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇的戰(zhàn)略問題”。在國家層面，美國、歐盟各國、英國、日本、俄羅斯等紛紛制訂人工智能國家發(fā)展計(jì)劃，我國也先后發(fā)布《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動實(shí)施方案》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和《關(guān)于促進(jìn)人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合的指導(dǎo)意見》等相關(guān)政策。智能時代的新工程教育技術(shù)融合與實(shí)踐創(chuàng)新交叉學(xué)科的蓬勃興起有著時代的契機(jī)。信息技術(shù)曾經(jīng)顛覆了我們的生活，手機(jī)、計(jì)算機(jī)(見圖1.4)都是科技帶來的奇跡。傳統(tǒng)的醫(yī)療技術(shù)無法深入病人的血液深處找尋問題，但醫(yī)療機(jī)器人卻可以攜帶最精密的攝像頭走進(jìn)病人體內(nèi)提前“確診”。交叉學(xué)科蓬勃發(fā)展技術(shù)融合與實(shí)踐創(chuàng)新傳統(tǒng)的密碼理論無法解決通信帶來的信息泄露，但借由圖靈的理論就能保障所有涉及數(shù)字計(jì)算的問題安全;傳統(tǒng)的醫(yī)療技術(shù)無法深入病人的血液深處找尋問題，但醫(yī)療機(jī)器人卻可以攜帶最精密的攝像頭走進(jìn)病人體內(nèi)提前“確診”。這些在學(xué)科的邊緣或者交叉點(diǎn)上發(fā)展出來的新技術(shù),不僅推動了學(xué)科本身的發(fā)展，也帶動著科學(xué)向更新層次擴(kuò)展，去創(chuàng)造還沒有的世界。交叉學(xué)科蓬勃發(fā)展技術(shù)融合與實(shí)踐創(chuàng)新新的基因測序和成像技術(shù)、新的顯微鏡觀測技術(shù)(見圖1.5)使觀測大腦的方式發(fā)生了徹底的改變借助互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算，人們可以輕易地將分布在世界各地的醫(yī)療機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效整合。交叉學(xué)科蓬勃發(fā)展技術(shù)融合與實(shí)踐創(chuàng)新交叉學(xué)科蓬勃發(fā)展學(xué)科交叉的意義就像是學(xué)科之間的團(tuán)隊(duì)交流，你來我往，孕育新的生機(jī)。它的出現(xiàn)并非偶然，而是全球經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)組織變化的必然。學(xué)科交叉解決了傳統(tǒng)認(rèn)知下的分類知識無法對新興事物進(jìn)行解釋的問題，也解決了無法創(chuàng)造出與時俱進(jìn)的新興技術(shù)的問題。2017年起，以北京大學(xué)、清華大學(xué)為代表的一些高校開始了大類招生的模式，招生專業(yè)除了文理工農(nóng)等大方向外，不再細(xì)致到有院系或者學(xué)科的區(qū)別。技術(shù)融合與實(shí)踐創(chuàng)新文理工互聯(lián)操盤全局學(xué)科交叉的概念頗為廣泛，有前面提出的技術(shù)學(xué)科之間融合滲透出的新興學(xué)科，也可以是技術(shù)學(xué)科與人文社會類學(xué)科的相輔相成，以完善某一方面的整體理論。為了追趕科學(xué)技術(shù)前進(jìn)的步伐，工程項(xiàng)目規(guī)模日益壯大，復(fù)雜程度也與日俱增。這意味著，工程實(shí)踐呱須補(bǔ)充系統(tǒng)化運(yùn)行的必備知識。技術(shù)融合與實(shí)踐創(chuàng)新文理工互聯(lián)操盤全局若科學(xué)技術(shù)與道德、法律、社會、政治和文化等領(lǐng)域精誠合作、集思廣益，則能夠有效解決此類困境。當(dāng)技術(shù)學(xué)科遇上人文社科類學(xué)科，就如同人被打通了全身經(jīng)絡(luò)，每個環(huán)節(jié)都暢通無阻，每個部分都邏輯清晰。在未來的社會背景下，對于擁有跨學(xué)科背景的人才需求只會有增無減，知識經(jīng)濟(jì)最終將投射到以科學(xué)技術(shù)、管理及行為科學(xué)為核心的人力資本上——工程師需要納入人與社會維度，使用綜合思維解決復(fù)雜問題。02人工智能風(fēng)云涌動移動通信變遷1G/2G移動通信技術(shù)第一代模擬移動通信技術(shù)的誕生得感謝摩托羅拉它在20世紀(jì)70年代左右研發(fā)出了名為“蜂窩”的移動通信系統(tǒng)(見圖1.7)。這種通過基站進(jìn)行中繼的移動通信網(wǎng)絡(luò)，因每個基站所覆蓋的區(qū)域是一個正六邊形，相鄰基站覆蓋的區(qū)域組合起來看上去就像蜂窩結(jié)構(gòu)，所以被稱為蜂窩移動通信系統(tǒng)。移動通信變遷1G/2G移動通信技術(shù)到了20世紀(jì)90年代初期以AMPS和TACS為代表的蜂窩移動通信系統(tǒng)的普及標(biāo)志著第一代模擬移動通信網(wǎng)絡(luò)(1G系統(tǒng))的成熟。1G系統(tǒng)存在一些明顯的弊端，例如通道容量有限，需要預(yù)留保護(hù)頻段，復(fù)用的效率不高等。2000年又推出了通用無線分組技術(shù)(GeneralPacketRadioService，GPRS)發(fā)送和接收電子郵件及圖片開始被應(yīng)用，數(shù)據(jù)流量的概念開始成型。E是多樣化數(shù)據(jù)可以在用戶間傳輸?shù)拈_始,第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)(2G系統(tǒng))真可謂是長江后浪推前浪。移動通信變遷3G/4G移動通信技術(shù)1、關(guān)于交流的夢:重新定義手機(jī)智能手機(jī)搭載3G的方式，讓3G的速度優(yōu)勢完全發(fā)揮了出來，也讓手機(jī)脫離了只能打電話、發(fā)短信、看網(wǎng)頁的呆板印象，成了集通信、社交、娛樂等為一體的移動終端，計(jì)算機(jī)能做的事，手機(jī)同樣能做而且更為方便?！耙苿油ㄐ拧迸c“互聯(lián)網(wǎng)”融合的模式大獲成功，帶來了前所未有的機(jī)會市場。而這種從未有過的爆炸性增長更讓3G向4G的演進(jìn)得到了充足的推動力。移動通信變遷2、關(guān)于效率的夢:重新定義速度除了與3G相同的應(yīng)用場景外，男生會發(fā)現(xiàn)，用數(shù)據(jù)流量可以直接打手機(jī)游戲了，甚至某些地方比Wi-Fi的穩(wěn)定度都高；女生會發(fā)現(xiàn)，用數(shù)據(jù)流量可以直接在線看視頻了，高清模式下也幾乎沒有卡頓.....而若是和3G手機(jī)同場較量，前者可能還在轉(zhuǎn)著圈加載GIF動圖，4G手機(jī)已經(jīng)翻過了好幾張高清大圖。3G/4G移動通信技術(shù)移動通信變遷新中國70華誕，59個方隊(duì)、1.5萬人、160余架飛機(jī)編隊(duì)、580臺(套)裝備，用精確到秒的完美表現(xiàn)，驕傲地接受全世界的檢閱；7路視角靈活切換，俯仰平遠(yuǎn)近景記錄獨(dú)家閱兵記憶；焰火晚會震撼人心，有線電話網(wǎng)傳遞燃放控制信號保障“人民萬歲”綻放于天空，毫秒不差(見圖1.8)······這一切的背后，是5G技術(shù)在保駕護(hù)航。5G移動通信技術(shù)移動通信變遷5G移動通信技術(shù)移動通信變遷5G移動通信技術(shù)1G到4G是主要面向人的通信，雖然2G開始逐漸應(yīng)用于人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器通信，但是2G到4G的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是針對人的通信。5G，則與此不同，從設(shè)計(jì)之初，5G技術(shù)就因?yàn)槠涮匦?見圖1.9)能夠適應(yīng)更多的場景，如物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化、無人駕駛等。移動通信變遷5G移動通信技術(shù)變化遠(yuǎn)不止于此，5G的普及會進(jìn)一步帶動云計(jì)算的發(fā)展，在未來萬物可云。在5G時代，以智能算法為切入點(diǎn)的各類技術(shù)解決方案正在向各類復(fù)雜場景進(jìn)軍或許在將來，每個人都能擁有一個像鋼鐵俠的管家Jarvis一般的超級智能管家，幫助主人操控和管理所有設(shè)備，智能處理各種事項(xiàng)。遠(yuǎn)不止如此，5G的鋪設(shè)還沒有完全，6G的研究就已經(jīng)在路上了。2019年11月科技部會同國家發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、中科院、自然科學(xué)基金委在北京組織召開了6G技術(shù)研發(fā)工作啟動會。沖擊中的機(jī)遇這個時代的產(chǎn)業(yè)沖擊，第一個浪打在了企業(yè)自身的可持續(xù)發(fā)展上。這個時代的產(chǎn)業(yè)沖擊，第二個浪打在了對傳統(tǒng)行業(yè)的擠壓上。最為直觀的感受就是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的蓬勃發(fā)展(見圖1.10)，它沒有實(shí)業(yè)支撐，卻能夠吸引大批的資金和最頂尖的人才，字節(jié)跳動依靠數(shù)據(jù)搜索推薦和短視頻異軍突起，三年多便實(shí)現(xiàn)了盈虧平衡。產(chǎn)業(yè)沖擊沖擊中的機(jī)遇職業(yè)危機(jī)愈演愈烈。人工智能時代的職業(yè)沖擊是不可避免的(見圖1.11)，送餐機(jī)器人的出現(xiàn)解放了餐廳服務(wù)員，掃地機(jī)器人解放了家政人員，自助付款機(jī)解放了超市收銀員，甚至無人超市的出現(xiàn)解放了全部工作人員。未來可能有數(shù)十萬乃至上百萬人會因?yàn)槭艿街苯記_擊而失業(yè)。職業(yè)沖擊沖擊中的機(jī)遇不僅僅是高等教育，人工智能的熱度已經(jīng)蔓延到了高中、初中乃至小學(xué)?！皩W(xué)會編程，贏在起跑線”“編程大賽，培養(yǎng)孩子的又一途徑”……教育機(jī)構(gòu)和培訓(xùn)班將人工智能的效果宣傳成了萬能，撩動著家長們的心(見圖1.12)。這一領(lǐng)域的熱度超出了所有人的想象，以至于家長們擔(dān)心，我的孩子如果對這方面不了解，會不會就被社會淘汰。教育沖擊03息息相關(guān)的社會生存環(huán)境經(jīng)濟(jì)全球化經(jīng)濟(jì)全球化趨勢如今正愈演愈烈，全球化的好處是毋庸置疑的。全球化可以減少由于地域物質(zhì)條件或技術(shù)條件限制而產(chǎn)生的全球社會勞動力浪費(fèi)；可以調(diào)整優(yōu)化本國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置……全球化的負(fù)面作用卻也不容小覷。中美貿(mào)易爭端不僅傷害了中美兩國，全球各國的經(jīng)濟(jì)都受到了一定程度的影響，經(jīng)濟(jì)互通卻反而造成了牽一發(fā)而動全身的后果?？沙掷m(xù)發(fā)展對于工程實(shí)踐而言，可持續(xù)發(fā)展的社會生態(tài)是非常有利的發(fā)展保障。它首先提供了一個穩(wěn)定的外圍環(huán)境，保證了工程技術(shù)能夠在心無旁騖的情況下進(jìn)行創(chuàng)新。饑荒不再，人們才能開始追求精神生活;動蕩不再，人們才能開始追求安家立業(yè);污染不再人們才能專心技術(shù)研發(fā)與進(jìn)步。其次，這樣的生態(tài)也給技術(shù)發(fā)展提供了新的思路和空間。將“可持續(xù)”的要求納入工程設(shè)計(jì)的考慮要素，給生產(chǎn)生活帶來了新的驚喜。老齡化愈演愈烈“銀發(fā)浪潮”在中國已經(jīng)是一個非常嚴(yán)峻的社會問題了，預(yù)計(jì)到2025年，我國60歲以上人口將達(dá)到3億，成為超老型國家。老年人口數(shù)量增多的第一需求就是社會服務(wù)資源的增加，這對政府規(guī)劃養(yǎng)老的能力是不小的考驗(yàn)。目前智能化發(fā)展還沒能完全滿足各類人性化需求，但若能夠用信息技術(shù)輔助，例如提供智能化醫(yī)療設(shè)施(見圖1.13)，打造智能養(yǎng)老社區(qū)等，不僅能降低社會養(yǎng)老的運(yùn)營成本，解放重復(fù)性非必要人力，也能有效諒解老年人與社會的隔閡，提升生活的質(zhì)量。老齡化愈演愈烈人性的考驗(yàn)人性困境”是科學(xué)研究進(jìn)展到后期不得不面臨的問題?？茖W(xué)技術(shù)的負(fù)面影響不僅僅是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，多個領(lǐng)域都出現(xiàn)了法律無法界定的問題?？萍加煤昧耸呛穗娬緶p少能源消耗，減輕環(huán)境污染，用壞了就是當(dāng)年“小男孩”與“胖子”兩顆原子彈于日本廣島市區(qū)與長崎工業(yè)區(qū)從天而降，暴露出嗜血如命的邪惡本性——10萬名居民瞬間喪生，城市滿目瘡演，核輻射病、心理問題與環(huán)境污染等夢魘至今猶在(見圖1.15)。人性的考驗(yàn)04更遠(yuǎn)處思考更遠(yuǎn)處思考原華中科技大學(xué)校長李培根對于“新工科”是這樣解讀的:“新工科”不