智能制造背景下學生科學素質的養(yǎng)成

董 志

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

研究開發(fā)模擬與拓展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的科學技術稱為人工智能（artificial intelligence，AI）。計算機是用來研究人工智能的主要物質基礎，也是實現(xiàn)人工智能技術的平臺。除了計算機科學，人工智能理論還涉及信息論、控制論、自動化、仿生學、生物學、心理學、數理邏輯、語言學、醫(yī)學和哲學等多門學科。人工智能學科主要的研究內容包括知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統(tǒng)、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動程序設計等方面。人工智能研究的終極目標是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復雜工作[1]。

1 概述

隨著德國工業(yè)4.0概念的提出，新一代人工智能技術的研發(fā)與應用已在全球各國蓬勃興起。目前，人與人的互聯(lián)已是常態(tài)，將來隨著算法、大數據、智能芯片等關鍵技術的突破，人與物以及人與服務的連接將形成“物物互聯(lián)”的嶄新局面?，F(xiàn)如今“網紅”機器人成為講解員、快遞員、手術醫(yī)師，家居智能化已令人刮目相看，智能汽車的發(fā)展突飛猛進，人工智能正在快速地開拓更多的應用領域，將融入千家萬戶的日常生活。曾經是科幻專有名詞的人工智能，正在從“好看、好玩”變成“能用、好用”。作為人工智能領域的重要分支，智能制造（intelligent manufacturing，IM）是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)中的機器設備能進行智能活動，包括對制造過程進行分析、推理、判斷、構思和決策等，智能制造已經把制造自動化的概念延展到柔性化、智能化和高度集成化等新的領域。

智能制造把制造概念的內涵和外延進行了深度的挖掘和廣泛拓展，對科技人員的知識結構及創(chuàng)新能力提出了更高的要求，單一且專門化的專業(yè)知識結構已遠遠不能適應智能制造的要求?？萍既藛T不僅要具有一門專且精的專業(yè)知識，且知識面要寬泛，知識要厚重、結構要合理。重中之重的是科技工作人員要具有與時俱進的學習能力和創(chuàng)新意識，活到老學到老，跟上時代發(fā)展及知識更新?lián)Q代的步伐。

2 學生的科學素質的培養(yǎng)

人類社會中，人自身具有的能夠影響人類活動的穩(wěn)定的基本品質稱為人的素質，它包括身體素質、心理素質、道德素質、勞動素質、審美素質、科學素質和交往素質[2]。學生走入社會、影響自身成才最重要的是科學素質，包括強烈的求知欲、良好的學習習慣、正確的學習方法、科學的知識結構、富于創(chuàng)造精神等。如何養(yǎng)成學生良好的科學素質是學校教育的一項重要責任。

2.1 培養(yǎng)樂學精神

學習有三種境界：知學、好學、樂學。其中第一種境界只是被動學習知識，知其然，然后用于應付各種考試和檢查。現(xiàn)在大部分的學生就處于這樣的學習狀態(tài)，每天聽課、寫作業(yè)、復習考試，循環(huán)往復，周而復始。為什么要學習？為誰而學？怎樣學習？這樣的問題是要探討的，也是學校應重視的。

“好學”者認為學習是一種樂趣，而不是一件苦差事。將知識學精、學透，融會貫通后解決實際問題，就會從中體驗到無窮的學習樂趣與成就感。“樂學”是學習的最高境界，“樂在其中”，學習才能全神貫注，達到“深處鬧市而不聞車馬喧囂”的狀態(tài)，因此才有孔圣人的至理名言：知之者不如好之者，好之者不如樂之者。

學生“樂學”精神的培養(yǎng)不是一朝一夕就能完成的，也不可能一蹴而就。智能制造時代的競爭是知識的競爭，有關資料顯示，知識要素對知識經濟的影響要超過50%，在發(fā)達國家其作用實際上已超過60%[3]。因此，入學伊始就要求學生端正學習態(tài)度，抓緊一切時間學習各種知識，向先賢學習，向同學中的優(yōu)秀者學習，充分開發(fā)智力潛能，盡快完成基礎科學知識儲備工作，為畢業(yè)后的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定知識基礎。

2.2 重視方法學習

學習態(tài)度端正了，學習就有了不竭的動力和源泉。但要取得事半功倍的學習效果，還要講究科學的學習方法。學習的過程要勞逸結合，身體健康精力充沛才能事半功倍；學習的過程還要多動腦，多問為什么，多進行知識的縱向及橫向比較，把知識學深學透，真正掌握其精髓。而不是死記硬背，生搬硬套。

學習過程更應注重群體效應，注重培養(yǎng)良好的學習氛圍?！耙换í毞挪皇谴?，百花齊放春滿園”，良好的學習風氣是可以相互感染的，大家在學習過程中互幫互助，比學趕幫超，獎勵先進，激勵后進，這種良性競爭的氛圍能更加激發(fā)學生昂揚的學習熱情。

學習過程要使學生變被動為主動，變要你學為我要學。只有個體的積極主動參與，才能充分激發(fā)學生的主觀能動性，挖掘學生的才智潛力。人的潛力的是無窮的，電影《勇闖奪命島》有一句臺詞：“永遠不要說你已經盡力了，失敗者總是抱怨自己已經盡力了，只有勝利者才能贏得選美皇后的芳心！”

學習過程中也要培養(yǎng)學生吃苦耐勞的精神。學習過程是艱辛的，要冬練三九，夏耐三伏，只有堅持不懈地努力，才能水滴石穿，才能到達成功的彼岸。學習的過程也是一點一滴積累的過程，沒有運氣與巧合，厚積才能薄發(fā)；學習過程中還要耐得住寂寞，經受住各種考驗與誘惑，不能人云亦云，要學會做自己的主人，對不利學習與成長的言行要堅決地說“不”。

3 構建科學合理的知識結構

作為人類智力重要組成部分的知識是人類社會各種能力的基礎。一個人的創(chuàng)新層次和水平一定程度上取決于知識的擁有量，創(chuàng)新必須以一定的知識為基礎[4]，但知識擁有量與創(chuàng)新能力強弱并無簡單的線性關系。因此，優(yōu)化知識結構，拓寬知識來源渠道就顯得尤為重要。合理的知識結構既要求有精深的專門知識，同時知識面又要盡量廣而博。合理的知識結構是學生入職，是走入社會的必要條件，尤其在智能社會，每一個職業(yè)崗位都需要將所學的知識進行科學地組合，創(chuàng)造性地運用到實踐中去。比如智能制造時代，只有機械制造或機械設計的專門知識是遠遠不夠的，還要懂得計算機，要懂得控制系統(tǒng)的運行，要懂得倉儲物流的基本常識，等等。廣收博采才能得眾家所長，方能汲取到各種營養(yǎng)，才能不斷進步。魯迅先生曾經說過：“學習必須如蜜蜂一樣，采過許多花，這才能釀出蜜來，倘若叮在一處，所得就非常有限枯燥了。”

3.1 人才的知識結構主要模式

1) 寶塔型知識結構。其主要特征為學科前沿知識、位于高峰塔頂，基本理論、基本知識搭建寶塔基礎。特點是學生基本理論、基礎知識比較扎實，可以快速接近學科前沿。

2) 蜘蛛網型知識結構。這種知識結構以專業(yè)知識為中心，與相近專業(yè)相互作用，知識成網狀連接，形如蜘蛛網。這種知識結構能夠實現(xiàn)知識廣度與深度的統(tǒng)一，是復合型人才的主要知識結構，也是深受用人單位歡迎的知識結構。

3) 幕簾型知識結構。組織的成員依據其所處地位和所發(fā)揮的作用不同，知識結構存在差異。如一個機械產品生產企業(yè)，要求其成員具有機械設計、機械制造、營銷、管理等知識。而不同的成員掌握上述知識的比例是不同的，如產品設計人員，一定要具有扎實的機械設計、機械結構、材料選用等方面的知識，產品營銷策略、營銷手段等不是他的知識側重點。

智能時代要求人自身調整知識結構的能力越來越強，全球競爭的經濟格局以及“不進則退”的生存理念，每個人都要根據事業(yè)發(fā)展需要不斷調整知識結構，以增強就業(yè)后的適應性及整個企業(yè)人才的“板凳”厚度。

3.2 建立合理的知識結構原則

1) 注重知識的整體性。要求做到專博相濟，一專多通，廣采百家所長。教學管理部門在制定各專業(yè)教學計劃時肯定考慮到了知識的整體性，因此正規(guī)學校的學生都會接受到本專業(yè)完整的知識傳授與訓練。學生知識的廣度和積累可以通過課外閱讀、參加形形色色的“智力沙龍”、聆聽各界精英或行業(yè)專家的學術報告等來實現(xiàn)本專業(yè)知識與其他專業(yè)知識的銜接與溝通。

2) 形成層次分明的知識結構。在人類大腦的知識庫中，各種知識可以是縱向聯(lián)系，也可以是橫向聯(lián)系?？v向聯(lián)系的各種工程技術知識，應分為基礎層次、中間層次和高級層次。打好了堅實的基礎，才能形成人才知識的金字塔結構，才能厚積薄發(fā)，為以后的深入研究與發(fā)展提供不竭動力。蜘蛛網般橫向聯(lián)系的人文歷史、天文地理、文學藝術等類知識，可以陶冶情操，激發(fā)創(chuàng)新的火花與靈感。

3) 合理配比各類知識。學海無涯，隨著科學技術的快速發(fā)展，知識的廣度和深度不斷推進，學科門類越分越細，交叉學科不斷涌現(xiàn)，要學習的知識太多。而人的一生太過短暫，可用的學習時間實在太少。因此，學習時一定要合理配比各類知識。什么都學，往往什么都學不好。各門學科知識的比例應根據職業(yè)規(guī)劃來定，不同的發(fā)展方向所要求的知識結構的組成要素也是有差別的，要合理組合。

4) 與時俱進原則。社會在進步，知識更新?lián)Q代的步伐越來越快。活到老學到老，每個人的知識結構總是在不斷地動態(tài)調整。工作需要什么就學什么，未來發(fā)展需要什么就補充什么，這樣才能不斷研究探索新的課題和領域，跟上時代發(fā)展步伐。

3.3 敢于懷疑，勇于創(chuàng)新

不破不立，敢于懷疑現(xiàn)有權威是推動人類社會發(fā)展的不竭動力。古希臘偉大的哲學家蘇格拉底說過：“問題是接生婆，它能幫助新思想的誕生?！笨茖W巨匠愛因斯坦也說過：“提出問題比解決問題更重要?！备绨啄岣矣谫|疑“地心說”，才誕生了偉大的“日心說”和“天體運行論”；時年25歲的青年教師伽利略懷疑亞里士多德1 700年來一直被奉為真理的“物體的下落速度和它的重量成正比，物體越重，下落的速度越快”理論，用“比薩斜塔實驗”證明了輕重不同的物體從同一高度墜落，加速度一樣，它們將同時著地，從而產生了自由落體定律。所以，學生學習時要多問為什么，要有打破砂鍋問到底的精神，要知其然，更要知其所以然。學習過程中要不唯書、不唯師。正如劍橋大學校長艾麗森·理查德女士談到大學的核心價值時所說：學習的重點不僅是關于已知的東西，還包括學術研究和發(fā)現(xiàn)，不僅要學習知識，還要培養(yǎng)批判性的、邏輯性的和刨根問底的思維方式[5]。

1) 教學相長。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新教育體現(xiàn)在教學、科研工作的方方面面。要改變教師的授課方式，從“滿堂灌”到學生的積極主動參與，真正踐行“教學相長”。在學生討論環(huán)節(jié)，教師要引導啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題，學生可以天馬行空，要少用權威和規(guī)則去約束學生的想象力?？荚嚟h(huán)節(jié)的改革也是勢在必行，注重過程考核，而不是一考定終身；實踐性較強的課程考核可以沒有標準答案，只要學生給出可行性答案即可。還有一部分課程可以采用案例討論、小組辯論或完成學期論文等方式完成結業(yè)考試[6]。注重實踐環(huán)節(jié)在學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的地位和作用。作為高等教育的重要組成部分，實驗教學旨在培養(yǎng)學生操作技能，發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的能力，但目前多數高校的實驗教學僅是一種課堂教學輔助形式，在學生的綜合能力、創(chuàng)造能力和研究能力等方面的訓練和作用不夠。有鑒于此，高校的實驗教學應偏重設計性實驗和創(chuàng)新性實驗，其中前者培養(yǎng)實踐能力和研究能力，而后者則是實驗教學的最高境界。教師安排的設計性實驗，或直接取自企業(yè)的生產實際，或非常貼近工程實際，教師可以只給出產品的總裝圖、技術指標、完成期限和驗收方式，至于每個零件具體的加工路線設計、精度檢驗、裝配方案制訂及裝配精度保證等則全部由學生自主完成。這樣的設計性實驗充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，調動了學生積極參與的熱情，學生的能力訓練效果才能顯著提升。

2) 實驗創(chuàng)新。在以問題和課題研究為核心的創(chuàng)新性實驗中，學生是實驗的設計師和工藝師，教師只給出實驗的宏觀要求，至于學生采用何種理論、何種儀器設備、何種技術路線完成實驗，則應由學生群策群力提出建議，這樣才能體現(xiàn)集體的智慧。創(chuàng)新實驗使學生能充分運用所學知識解決實際問題，訓練學生的科學研究與發(fā)明創(chuàng)造能力，能夠改變目前高等教育培養(yǎng)過程中實踐教學環(huán)節(jié)薄弱，動手、動腦能力訓練不足的現(xiàn)狀。鼓勵高年級學生更多地參與到教師的科研、教學活動中。校級研究性課程，采用教師指導、學生申報的方式，學生自定研究內容，后續(xù)所有的研究工作也由學生獨立完成。這個過程，鍛煉了學生提煉問題、語言組織、團隊合作、分析問題與解決問題的能力。這樣的研究性課程能夠激發(fā)學生探索發(fā)現(xiàn)真理、綜合應用知識、勇于實踐創(chuàng)新的勇氣和信心，為學生畢業(yè)后的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)奠定了良好的基礎。積極融入教師科研項目也是學生創(chuàng)新教育的重要舉措。教師獲批立項的科研項目，包括政府指導的縱向類項目和企業(yè)需要解決的橫向類項目，研究目標明確，研究方法和技術路線較為先進成熟，并且都涉及了該領域的前沿技術。在完成項目的過程中，學生會增長見識，基本科研素質和創(chuàng)新潛能會得到挖掘和提升，而且在具體的實驗操作或計算機建模仿真的研究過程中學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力得到鍛煉。

4 結語

學生經過系統(tǒng)學習和訓練，牢固掌握了本專業(yè)的基礎知識，兼容了其他知識，形成了“專”與“博”的科學合理的知識結構。由于具備了一定的自主學習能力，學生自我適應調整知識結構的能力有所增強。分析判斷問題可以做到基本正確、客觀，具備了解決復雜技術問題的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。高校培養(yǎng)出大量科學素質高超的技術人才，會大大提升中國趕超世界強國的速度，實現(xiàn)中華民族的偉大復興。