人工智能会是未来的环保战士吗?听听这位卡耐基梅隆大学教授怎么说

时间:2019-08-12 08:00:01 来源:肆零财经网 当前位置:亚欣说三农 > 文化 > 手机阅读


小傻说

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Gerald Wang本科就读于耶鲁大学,之后在麻省理工学院取得了机械工程和计算机科学的硕士、博士学位,目前是卡内基梅隆大学土木与环境工程助理教授,同时是力学、材料学、计算机研究组核心成员,多次在SCI/EI国际期刊发表重要论文。


上个月,他做了一个关于留学申请的在线讲座,结合自身的耶鲁、MIT的申请经历,谈及了美国大学在申请中所看重的一些特质,并就大家所关心的问题进行了解答。(查看讲座,请点击《CMU华裔教授揭秘申请内幕:为什么说“完美分数”不被美国大学招生官看重呢?》)昨天,他又接受邀请,就自己即将开课的两个研究课题做了分享。小傻整理了讲座内容分享给大家,希望对小伙伴们有所帮助。

Prof. Wang


以下是Prof. Wang的讲座原文:


大家好,我叫Gerald Wang, 目前在卡耐基梅隆大学的环境工程学院任助理教授。今天,我将与大家分享两个课题内容,让大家了解,前沿的土木与环境工程和计算机科学知识。这两个课题,我将会在这个寒假于中国传媒大学正式开课,如果你对这方面内容感兴趣,不妨到时候参与进来。

 

如何利用计算机科学、机器学习及人工智能保护环境?

 

第一个课题是“如何利用计算机科学、机器学习及人工智能保护环境”。我主要想跟大家分享这门课程的总体框架与主要内容,以及你们需要在这堂课中做些什么。

 

这个课题十分有趣,并且非常有意义,与现代科研趋势紧密联系,其中就包括我们时常挂在嘴边的数据革命、计算革命与技术革命。众所周知,计算技术、算法、数学的发展,以及计算机运算速度的大大提升为科学研究开辟了许多新的路径。科技进步与我们的日常生活息息相关,我们也见证了这些年来社会发生的巨大变化,比如说,计算机、互联网的发展促使了网上购物的兴起,改变了人们以往单一的、面对面交流的方式,提供了更加方便快捷的电话、电脑、手机等通讯设备。更重要的是,计算机技术为科学家、工程师们的科学研究开辟了新的道路,从而使科技迅猛发展,社会不断进步。

 

本课程重点探讨的是环境工程中的问题,例如环境保护、水质污染、能源短缺等等棘手问题,而我们将学习如何运用计算机科学、数据科学、机器学习来缓解人类社会面临的窘境。我们将引入当下环境保护中的难题,了解一下环境工程的发展趋势。然后,我们会着手处理一些真实数据,这些数据与能源短缺、水污染、空气污染等问题息息相关,也是科学家们长期以来研究的对象。接下来,我们就要结合计算机技术,寻找解决这些难题的方法。


以上就是我们学习这个课题的大致流程。在课程的第一个环节,我会明确同学们的学期目标。为达成我们最终的学习目标,你们会有很多参与课堂的机会:有个人任务,也有小组探讨。

 

首先,我们要学习编程。编程的学习内容将为研究计算机科学、机器学习、以及人工智能奠定基础。我们会了解一些基础知识,以及怎么去编写和开发一个程序,但是你不需要具备大量的相关背景知识,或使用python, C+,MATLAB进行编程的经验。当然如果你有过类似的经验会更好,我会为你提供更具挑战性的难题,让你去学习,去思考。

 


学完编程以后,我们要学习计算机科学的基础知识,以及数值模拟的基本原理。我们要讨论两种模拟技术,这两种技术对于解决环境工程问题有很大的帮助。为了对环境工程中的某些特定问题建模,我们还要讨论随机技术。一些使用确定性技术很难解决的复杂问题,概率的方法可以帮助我们获得有用的信息。

 

课程中我们还会讲到一些数学知识。你们要知道,一个良好的数学基础对于学习计算机科学和机器学习是非常重要的。当然了,如果你没有专业知识背景也没关系,在正式上课之前,我会为你们准备一些预习材料,方便大家了解。

 

总而言之,我们会先介绍编码的基本原理、基本的数学计算工具,以及计算机科学的基础知识。在这之后,我们会接触一些国际前沿的科技。这些技术呢,你们也许曾经在新闻中听说过,也许教授在课堂上讲过,也许朋友提起过。因为这种源于机器学习和人工智能的技术,正以迅雷不及掩耳之势突破桎梏,强势冲击着传统的计算方法,改变了当今世界的科技发展。虽然目前我们没办法过于深入地了解,但通过这堂课,你们会对此有一个直观的认识,对你们今后的学习也有很大的帮助。

 

那么机器学习到底是什么呢?我们时常听人说道:“人工智能越来越厉害,越来越聪明了”,这些话到底意味着什么呢?这些问题我们都会在课堂中进行分析。基于此,我们将在实践层面上讨论机器学习中的一些技术,包括神经网络,基本的聚类算法等等,这些东西我们要通过分析一些实例进行深度学习。学习过后,你就可以把这些技术应用到数据集中,也可以运用计算机技术来解决你在学习中遇到的问题。

 

课程的最后,我们会讨论当代环境工程和计算机的研究方向。我相信这对于你们来说是非常有意义的。因为不管是在本科、研究生阶段,或是你将来在学术界、社会工作时,你都要考虑这些问题。因此,了解目前前瞻性的学术研究问题、清楚中美两国大学的研究人员究竟把眼光放在哪里,这对你的学习是非常有帮助的。

 

我相信同学们都知道人们最关心的问题是什么,比如空气质量、水质监测、可再生资源,以及网络建模等等。这些问题不仅仅是环境问题,也是计算机科学框架内需要考虑的问题。

 

最后我们来讲一下你们在这堂课上的任务。在课堂结束以后,你们要写一份原创的研究报告,大概3到5页,这也是整堂课的收获所在,不仅总结了学习内容,而且锻炼了学术写作能力,一旦完成并成功发表,会为你的学术生涯添上浓墨重彩的一笔。

 

除学术写作之外,我们还要做一些实践活动,你们可以选择独立完成,也可以2-3人一组合作完成。首先,你们可以选择完成一个研究项目,我会联系相关工作人员,设计一些你们可以做的实验,这些实验不会特别复杂,在自己的电脑上就可以完成。在实验中,你可以运用在课堂上学到的编程和计算工具,体验科学家做研究的感觉。

 

实验结束之后,你要写一份研究报告。总结新发现,分析实验中产生的数据,然后基于这些数据,得出结论。这些结论要与现实生活中的问题相关,具体与什么相关,取决于你们自己的兴趣。比如你对水污染感兴趣,那你就分析关于水质的各方面数据,最后得出造成污染的原因。当然,除了水污染以外,你还可以研究空气质量监测、森林、能源等方面的问题。写完3-5页的论文之后,还要写出你所引用的所有理论的出处,也就是参考文献。

 

除了做实验以外,你们还可以选择阅读一些关于计算机在环境工程中的应用这方面的文章(我会给大家推荐一些这方面的优秀论文及期刊文章),然后写出一篇文献综述。阅读这些期刊文章非常有意义,大家看不懂也没关系,我会给大家讲解一下,帮助大家阅读。阅读大量的期刊文章,也是专业的研究人员每天要做的事情,因为这些已经发表的期刊文章具备很强的真实性和可读性,我们可以从中学习到很多有用的信息。

 


从这些文章中你们可以了解到不同人对某一问题所持的不同观点,从而引发你自己的思考。所以阅读这些材料对你们的学习很有帮助。在文献综述里面,你要总结你学到的内容,并提出自己的观点。与此同时,这项任务还能锻炼你的阅读与写作能力。

 

在这堂课之后,我相信你们可以收获很多。首先,你们会对计算机改变科学研究方式这一事实有一个深刻的理解;学到一些科学家们正在实验中使用的前沿计算技术;理解不同领域之间的联系;找到计算机技术简化现实问题的方法。不管你们今后选择什么专业,在学习这个课程之后,你都会有建立联系的意识。而且,我相信你们会在学习过程中交到志同道合的好友。

 

土木与环境工程基本原理

 

我的第二个课题是“土木与环境工程基本原理”。我给大家分享一下这门课程的总体框架与主要内容,以及你们能在这堂课中收获什么。

 

这门课主要介绍的是土木与环境工程的基本理念。这门课结束之后,你不仅能了解到现如今环境科学家们的真正关注点,也能判断你是否对这些问题感兴趣。同时,你们还能了解一些科学家们用于建模、分析和解决问题的技术手段。

 

本课程的重点是工程力学,其中包括固体力学和流体力学。如果你在上学期间喜欢上数学课,物理课或化学课的话,那你一定对这门课很感兴趣。在我们的日常生活中,到处都可以发现固体力学和流体力学的存在,比如我们居住的楼层建筑,建造大楼的地基,都需要特殊的材料来支撑。

 

这些材料非常复杂,这之中也存在非常复杂的力学原理,我们需要用数学分析这些建筑材料面对风或地震等一些外力因素时的反应变化。我们还要对这些反应体系进行分析,以便找到好的方法,设计更优的建筑结构减少自然灾害对建筑物的损害。

 

首先我给大家介绍一下本节课要讲的大概内容。我们会探讨你们在本科,甚至是博士期间会学到的一些知识点,了解科学家们关注的前瞻性问题,有助于你们开阔眼界,站在一个更高的层面上思考问题。然后,我会告诉大家你们在本节课中需要做实践活动与研究项目。

 

数学对于研究来说是一门非常有用的工具,所以你们一定要利用好这门工具。如果你没有相关专业背景,也不用担心,所有的基础知识我们都会在课程开始时讲清楚。

 

我们会介绍一些材料的基础知识。首先就是形态会随时间而变化的材料,也就是固体。然后,提出几个固体力学中重要的理论成果。接下来,我们就要学习如何把这些理论成果运用到土木工程建构中去。比如说如何设计建筑的结构以及其中的连接点,思考这些现实问题能促进更有效的学习。

 

学完固体力学之后,我们就要开始讲流体力学了,我个人的研究也是倾向于流体力学的。流体力学这一学科十分有趣,我也希望通过我的课程能够激发你们的兴趣。流体的形状是由容器决定的,会随着容器形状的变化而改变。我们将引出几个核心的理论成果,思考流体建模的规律,分析流体结构问题。接下来,我们要学习如何利用流体力学来模拟一些真实有趣的现实结构。比如说,大气科学中的建模问题,以及河流或海洋等大型水体中的建模问题。这些问题也是环境工程师们一直以来要思考并解决的问题,同时也可以加深你们对理论知识的理解。

 

然后,我们要学习材料科学,也就是如何在某个特定的结构或环境,选择最恰当的材料。比如说,筑坝用的材料不能用于造桥,造桥用的材料也不能用于筑坝,因为每一种材料都有自己的特性,只能适用于特定情况。所以我们会学习一些材料科学中的基本理念,思考为什么某种材料会应用在这种情况,这也是学习材料科学的终极目标。

 

然后我们要介绍一些重要的材料,比如,脆性材料,韧性材料,以及他们之间的区别;还有陶瓷,金属,玻璃等等,他们之间之所以不同的原子论基础是什么,分子结构是什么样的。在了解大概知识之后,我们就能思考如何为某个特定结构选择理想的材料,

 


除了这些,我们还要思考选择这种材料的成本,经济性等问题。当你决定选择一种材料构造建筑的时候,要考虑很多因素以及将要面临的自然状况。比如雨雪风霜会对材料造成不同程度的影响:可能会磨损,退化甚至破裂,这些问题是材料科学中非常重要的研究方向。

 

在课程的最后,我们要探讨土木与环境工程的当代研究方向,这也许是我们整个课程中最有趣的环节了。虽然可能不比之前讲的种种理论专业,但一定是最具启发性的,能够激励你们放宽视野,开拓思维。首先要讲的就是,现如今中美两国大学对于这一领域正在进行的各种研究,发现前沿趋势。就我个人而言,这是我非常乐于去做的一件事情。

 

我们要讨论人类对于开发社会基础设施建设的工作,以及环境保护方面的工作。比如说,水质监测,空气质量监测,能源开发等等,这些问题在课程中都会讲到。

 

正如我之前所说,我希望你们去做一些实践,我也会带领你们去做。因为只有通过这些实践活动,你们才能真正地融入课堂,学以致用。课程的最后,你们都要完成一项学术研究任务。我相信如果认真去做的话,你们的学术研究能力会大大提升,在将来的申请过程中,也会为你的履历添彩。你们可以选择独立完成,也可以选择2-3人组成小组。研究任务完成之后,写出一篇大概3-5页的研究报告。

 

对于最后的研究任务,你有两种选择:一种选择是参与实验。这些实验都与课上我们探讨的内容相关。我会设计一些你们可以做的实验,比如说有关力学、机械的实验,有关固体、流体的实验,以及有关材料科学的实验。通过实验获得一些数据,然后你需要用电脑分析这些数据。

 

这些研究可以通过一些日常生活中的事物,加深你们对抽象理论的理解。实验结束后,你需要完成一篇实验报告,写清楚你的实验是如何进行的,你的数据观察以及最终结论是什么,以及你获得的经验教训。整个实验流程可以让你初步体会,作为一名科学家或工程师的感觉。无论你今后是在学校工作,还是在公司工作,一些实验是你必须要完成的。你需要分析数据,上交研究报告,之后才能付诸于实践,所以这项研究对于你们的将来很有帮助。

 

除了做实验以外,你还可以选择阅读相关学术期刊,完成一篇文献综述。阅读这些期刊文章非常有意义,我会为大家讲解,帮助大家阅读。

 

在文献综述里面,你要总结你学到的内容,并提出自己的观点,与此同时,这项任务还能锻炼你的阅读与写作能力。可能有很多人没有时间和精力阅读这些文章,但这项任务恰恰是人们作为前沿研究人员最需要做的,学术界也正需要这类人才,所以你们一定要培养这种能力。

 

通过这堂课,你们可以收获很多知识,了解到环境领域的前沿研究趋势,了解很多连续介质力学,固体力学,流体力学以及材料科学的相关理论知识,从而在将来为社会的建筑环境做出贡献。

 

我很期待一月份与你们的相见,谢谢大家!

 



疑解惑

 

Q1:卡耐基梅隆大学的学术氛围怎么样?对中国留学生友好么?孩子年纪还比较小,作为家长比较担心孩子自己在国外不适应。去读书前应该做些什么准备能更快适应国外的学习和生活?


A1:高等学府的学术环境都是非常好的,卡耐基梅隆大学拥有大量的学术资源和浓厚的学习氛围。学生可以使用图书馆和互联网上丰富的学习资源来提升自己,同时教授和同学们对中国和其他国际学生都非常友好。卡耐基梅隆大学还设有专门部门,来帮助国际学生解决生活中和学习上遇到的问题。我认为出国留学之前一定要提高自己的英语能力,可以通过多用英语交流、阅读专业论文杂志等方法。

 

另外,我建议学生参加一些学术背景提升项目,或者是夏校,这样就可以提前熟悉美国的教学方式,这些活动都能帮助学生在国外留学时更好的融入到群体之中。

 

Q2:王教授您好,我孩子现在高中二年级对于物理和化学非常感兴趣以后也想要申请这个方向的本科专业。现在比较担心的是英语能力,上课会不会听不懂或者没有办法写出完成的论文?


A2:学生们开始准备论文时,我会帮助他们确定论文题目,指导他们书写论文大纲。在大纲的基础上,学生可以自己扩展论文内容,同时助教会进行指导,我也很愿意帮助他们解决论文中遇到的问题。

 

此外,课程安排是很灵活的,我会根据学生上课表现和反馈对课程内容进行调整。学生们在纯英文学习环境下使自己的英文水平得到提升也是非常重要的。

 

Q3:我现在在准备跨专业申请美国研究生,我本科专业是环境科学,平时有自学一些代码编程的知识,研究生想要申请计算机科学的相关专业,所以想请问教授我在申请的过程中应该如何弥补我计算机科学方面的不足?


A3:如果你学过一些编程方面的知识,这对你跨专业是非常有帮助的。如果你想从环境科学转到计算机科学专业,你需要扩展在计算机科学领域的知识面,比如,你可以参加一些与计算机科学相关的学术课程。如果你可以和计算机科学领域的知名教授学习一段时间,你会收获很多东西,这对你未来申请国外大学和学习都非常有帮助。

 

Q4:在您授课的两个课题中,我们会有一些实践类的活动么?通过上您的课学生可以得到哪些成果?这些成果对于之后的申请会不会有帮助?


A4:我正在计划组织一次实地考察旅行。我会安排一些实例分析,也会通过让学生们写论文,做展示等活动来提升他们的学术能力,这对他们以后申请国外院校和学习都很有帮助。

 

Q5:教授,孩子目前在浙大读智慧能源,准备研究生阶段去美国,读哪些专业,哪所大学更适合孩子呢?


A5:实际上,在了解学生的具体情况之前,我无法给出非常确切的建议。但我认为他可以继续学习能源、环保工程、或可持续发展相关专业。在选择留学学校之前,我认为他应该先在本科挖掘自身的兴趣所在,然后再决定想要继续深造的专业。

 

Q6:您好王教授,非常感谢您的演讲。我现在在美国上本科,已经大四了,专业GPA并不是很理想,不是差到没研究生可上,但想问问具体是重修低分课更重要,还是开始找实习增加工作经验更有意义呢?目标是拿到博士学位。


A6:不同专业对申请博士学位有不同的要求,但是通常来说,博士期间的学习不只是搞研究。所以,实习工作对申请博士学位并不是那么重要。你需要要找机会提高自己的 GPA 分数,除此之外,要参加一些能够提升自己研究能力的活动。如果可能的话,发表一些学术论文,对于你的情况会非常有帮助。

 

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太傻留学精品科研项目介绍
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Sharing

项目亮点

★系统科学的指导和训练学生进行学术文章发表(国际CPCI/EI会议论文);

★ 全英文语境展开项目,突破自我,助力GT考试、申请面试和未来学习;

★ 获得CMU教授的学术推荐信(学校正式edu邮箱提交)

★ 获得高质量英文writing sample


Project

课题介绍

出国留学人工智能和移动计算的巨大进步推动了越来越多的科技公司和科研机构研发个人智能助理,卡内基梅隆人机交互系的小组目前正在研发一个能够帮助回复好友信息问题的智能助理,减少用户查找答案和组织语言的时间开销。该课题适合工科类本科生(计算机,电子工程,物理,数学,信息科学等),对于计算机算法方向感兴趣的优秀的高中生,或是想要申请国外本科,需要科研经历的同学参加。学员将参加CMU人工智能的科研讨论会,掌握人工智能和环境保护的前沿问题。与顶级大师为伍,获得最有分量的推荐信。全面提升个人综合背景和软硬件实力,助力学子成功申请名校。


Professor

教授介绍


Prof. Wang

卡耐基梅隆大学土木与环境工程助理教授

CMU力学、材料学、计算机研究组核心成员

多次在SCI/EI国际期刊发表重要论文

麻省理工学院材料工程和计算机博士

耶鲁大学机械工程、数学、物理学士

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