基于新工科背景下人工智能与偏微分方程交叉融合课程教学改革的研究与实践
Research and Practice on the Teaching Reform of the Cross Integration Curriculum of Artificial Intelligence and Partial Differential Equations under the Background of New Engineering
DOI: 10.12677/ae.2025.15112195, PDF,    科研立项经费支持
作者: 吴奕飞:南京师范大学数学科学学院,江苏 南京;李 冰*:成都理工大学数学科学学院,四川 成都;白若冰:河南大学数学与统计学院,河南 开封;宁 翠:广东金融学院金融数学与统计学院,广东 广州;贾 锐, 杨长萍, 郭誉今:天津大学应用数学中心,天津
关键词: 人工智能偏微分方程教学体系教学改革Artificial Intelligence Partial Differential Equation Teaching System Teaching Reform
摘要: 随着人工智能的快速发展,我们提出了“AI × PDE”课程改革方案,旨在解决传统课程中基础衔接不足、学科交叉缺失、实践薄弱等问题,构建“理论–方法–实践”三位一体的教学体系。改革内容聚焦优化基础课程,融入AI求解偏微分方程(PDE)的前沿技术,推动学科交叉,建立动态课程机制,实施多元化考核体系,将实验报告、专题讨论纳入评估(占比30%),强化过程性评价。教学实践表明,该方案有效提升了学生的数理建模能力、编程实践水平与跨学科创新思维,通过PINNs方法复现与改进等环节,培养出具备AI与PDE深度融合能力的交叉学科人才。
Abstract: With the rapid development of artificial intelligence, we have proposed an “AI × PDE” curriculum reform plan. This plan aims to address issues in traditional courses such as insufficient foundational cohesion, lack of interdisciplinary integration, and weak practical components, thereby establishing a tripartite “theory-methodology-practice” teaching system. The reform focuses on optimizing foundational courses, incorporating cutting-edge AI techniques for solving partial differential equations (PDEs), promoting interdisciplinary collaboration, establishing a dynamic curriculum mechanism, and implementing a diversified assessment system. This system incorporates lab reports and thematic discussions (accounting for 30% of the grade) to strengthen process assessment. Teaching practice has demonstrated that this plan effectively enhances students’ capabilities in mathematical modeling, programming practice, and interdisciplinary innovative thinking. Through activities such as reproducing and improving Physics-Informed Neural Networks (PINNs), the program cultivates interdisciplinary talent equipped with deep integration capabilities in both AI and PDEs.
文章引用:吴奕飞, 李冰, 白若冰, 宁翠, 贾锐, 杨长萍, 郭誉今. 基于新工科背景下人工智能与偏微分方程交叉融合课程教学改革的研究与实践[J]. 教育进展, 2025, 15(11): 1511-1516. https://doi.org/10.12677/ae.2025.15112195

参考文献

[1] 教育部高等教育司. 新工科建设复旦共识[Z]. 北京: 中华人民共和国教育部, 2017.
[2] 教育部高等教育司. 新工科建设天大行动[Z]. 北京: 中华人民共和国教育部, 2017.
[3] 教育部高等教育司. 新工科建设北京指南[Z]. 北京: 中华人民共和国教育部, 2017.
[4] 国务院. 新一代人工智能发展规划[Z]. 北京: 中华人民共和国国务院, 2017.
[5] 科技部基础研究司. 人工智能驱动的科学研究专项部署工作方案[Z]. 北京: 中华人民共和国科学技术部, 2023.
[6] 教育部高等教育司. 未来技术学院建设指南(试行) [Z]. 北京: 中华人民共和国教育部, 2020.
[7] 教育部学位管理与研究生教育司. 人工智能领域研究生指导性培养方案(试行) [Z]. 北京: 中华人民共和国教育部, 2020.
[8] 哈尔滨工业大学教务处. 智能计算与数学建模课程成果总结报告[R]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2022.
[9] 国务院. “十四五”数字经济发展规划[Z]. 北京: 中华人民共和国国务院, 2021.
[10] 教育部高等教育司. 新工科研究与实践项目指南[Z]. 北京: 中华人民共和国教育部, 2023.
[11] MIT News Office (2021) Computational Thinking for PDEs: A New MIT Course Bridging Mathematics and Engineering.
[12] Stanford University (2023) CS520: Data-Driven Methods for Partial Differential Equations.
[13] 中国科学技术大学教务处. 跨学科课程学习效果调研报告[R]. 合肥: 中国科学技术大学, 2023.
[14] 北京理工大学教务处. 理工交叉课程师资能力调研报告[R]. 北京: 北京理工大学, 2023.
[15] 上海交通大学教育技术中心. 智能PDE求解器设计课程评价体系研究[J]. 高等工程教育研究, 2023, 41(2): 45-52.
[16] Wang, Y., Bai, J., Lin, Z., Wang, Q., Anitescu, C., et al. (2024) Artificial Intelligence for Partial Differential Equations in Computational Mechanics: A Review. arXiv: 2410.19843.
[17] Lu, L., Meng, X., Mao, Z. and Karniadakis, G.E. (2021) DeepXDE: A Deep Learning Library for Solving Differential Equations. SIAM Review, 63, 208-228. [Google Scholar] [CrossRef