基于人工智能場(chǎng)域的智能制造專業(yè)群新型教學(xué)體系構(gòu)建

唐立偉 龍育才 朱冬

摘? 要 人工智能（AI）助力制造向智造轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的教學(xué)體系已經(jīng)無(wú)法滿足制造企業(yè)對(duì)創(chuàng)新型、復(fù)合型智造技術(shù)技能人才的需求?；谥窃煨碌娜瞬判枨?，融合物聯(lián)、數(shù)聯(lián)、智聯(lián)信息技術(shù)，從智能教學(xué)平臺(tái)打造、“人工智能+X”人才培養(yǎng)模式改革、數(shù)字化教學(xué)資源體系構(gòu)建、實(shí)訓(xùn)基地智能化改造四個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新，最終形成“一平臺(tái)、一模式、一體系、一基地”的智能制造專業(yè)群新型教學(xué)體系，為教師和學(xué)生提供多元化、個(gè)性化的教與學(xué)。

關(guān)鍵詞 智能制造專業(yè)群;人工智能;智能教學(xué)平臺(tái);智能校園;智慧教室;數(shù)字化教學(xué)資源體系;實(shí)訓(xùn)基地

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）20-0037-04

Construction of New Teaching System for Intelligent Manufac-turing Professional Group in Artificial Intelligence Field//TANG Liwei， LONG Yucai， ZHU Dong

Abstract Artificial intelligence helps the transformation from manu-facturing to intelligent manufacturing. The traditional teaching sys-tem has been unable to meet the needs of manufacturing enterprises?for innovative and compound intelligent manufacturing technical?talents. Based on the new talent demand of intelligent manufacturing，?integrating the information technology of IOT， IIOT and AI， innova-ting from four aspects： intelligent teaching platform， “AI +X” trai-ning model， digital teaching resource system and intelligent trans-formation of training bases， and finally form a new teaching system of “one platform， one model， one system， one base”， it provides di-versified and personalized teaching and learning for teachers and stu-dents.

Key words intelligent manufacturing professional group; artificial intelligence; intelligent teaching platform; intelligent campus; intelli-gent classroom; digital teaching resource system; training bases

0? 前言

人工智能的快速發(fā)展，引發(fā)“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的教學(xué)體系已經(jīng)無(wú)法滿足制造企業(yè)對(duì)創(chuàng)新型、復(fù)合型“智造”技術(shù)技能人才的需求。2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)“利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系。開(kāi)展智能校園建設(shè)，推動(dòng)人工智能在教學(xué)、管理、資源建設(shè)等全流程應(yīng)用”[1]?；凇爸窃臁毙碌娜瞬判枨螅疚奶岢鰪乃膫€(gè)方面進(jìn)行改革、創(chuàng)新，最終形成“一平臺(tái)、一模式、一體系、一基地”的智能制造專業(yè)群新型教學(xué)體系。

1? 打造智能教學(xué)平臺(tái)

智能教學(xué)平臺(tái)是基于計(jì)算智能技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等，為教師和學(xué)生提供個(gè)性化教與學(xué)的教學(xué)系統(tǒng)[2]。運(yùn)用人工智能的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集與分析能力，可動(dòng)態(tài)捕捉師生群體學(xué)習(xí)情景及個(gè)性化特征，有助于學(xué)生找到自己的不足和盲點(diǎn)，更加高效地學(xué)習(xí);教師則可以掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而提供即時(shí)、科學(xué)有效、針對(duì)性的教學(xué)。智能教學(xué)平臺(tái)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)。

1.1? 創(chuàng)建優(yōu)化智能校園環(huán)境

中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》提出：“建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái)”[3]。智能校園是基于人工智能的智慧校園，可被視為高階智慧校園。智慧校園建設(shè)始于2010年，其發(fā)展經(jīng)歷了以互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為支撐的數(shù)字化校園和以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐的低階智慧校園兩個(gè)階段，目前正在朝高階智慧邁進(jìn)。數(shù)字化校園注重于單純的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備、數(shù)字化資源建設(shè)，技術(shù)反哺教育的能力差。低階智慧校園智能化程度不高，在學(xué)習(xí)狀態(tài)識(shí)別、大數(shù)據(jù)處理、情境感知等方面成效不佳。人體識(shí)別、智能感知、情感計(jì)算、AR（虛擬現(xiàn)實(shí)）等多項(xiàng)AI技術(shù)的應(yīng)用較好地解決了這些問(wèn)題。

智能校園主要從環(huán)境、管理、教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)。首先對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和智能感知設(shè)施進(jìn)行升級(jí)、優(yōu)化與完善，智能設(shè)施融入校園生活的各個(gè)領(lǐng)域，營(yíng)造快速、便利、智能的生活學(xué)習(xí)環(huán)境;其次，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)獲取校園各維度情況，提升校園綜合管理質(zhì)量;最后，基于AI技術(shù)，校企共建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、數(shù)字課程資源、虛擬仿真實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)資源和智能實(shí)訓(xùn)基地，打造“理實(shí)一體、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放共享”的教學(xué)平臺(tái)，推動(dòng)學(xué)校智能教育發(fā)展。

1.2? 打造基于AI的智慧教室

智慧教室旨在打造一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的全景化教學(xué)場(chǎng)景，通過(guò)AI、機(jī)器視覺(jué)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式走向多元化。傳統(tǒng)多媒體課堂已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代教學(xué)需求，問(wèn)題主要表現(xiàn)為：教學(xué)模式單調(diào)、教育數(shù)據(jù)匱乏、師生互動(dòng)不足、教室管理煩瑣、個(gè)性化需求無(wú)法得到滿足。因此，智慧教室應(yīng)運(yùn)而生。智慧教室從基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層、教學(xué)評(píng)估層進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)?；A(chǔ)設(shè)施層主要由多媒體教學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程互動(dòng)錄播系統(tǒng)、師生終端、環(huán)境設(shè)備智能管控系統(tǒng)組成，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)融合對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，營(yíng)造一個(gè)良好的教學(xué)空間環(huán)境。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層是在大數(shù)據(jù)環(huán)境下為課前準(zhǔn)備、課中互動(dòng)、課后提升提供整體的教學(xué)服務(wù)平臺(tái)，一方面推送教師教學(xué)資源和學(xué)生學(xué)習(xí)資源，教學(xué)內(nèi)容多樣化、情境化，教師可借助VR、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、MR（混合現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)手段進(jìn)行多維交互體驗(yàn)式學(xué)習(xí)[4];另一方面采集及分析課堂教學(xué)活動(dòng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)庫(kù)，形成個(gè)性化教學(xué)診斷報(bào)告，實(shí)現(xiàn)多元化、個(gè)性化的教與學(xué)。教學(xué)評(píng)估層是分析及處理課堂數(shù)據(jù)、評(píng)估課堂教學(xué)質(zhì)量的平臺(tái)，管理者據(jù)此改善教學(xué)決策，教師改進(jìn)教學(xué)，推動(dòng)學(xué)生自主、有針對(duì)性學(xué)習(xí)。

2? 創(chuàng)新智能制造專業(yè)群人才培養(yǎng)模式

在“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變過(guò)程中，人工智能技術(shù)對(duì)制造業(yè)就業(yè)結(jié)構(gòu)、需求產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。一方面，傳統(tǒng)一線操作工等崗位被工業(yè)機(jī)器人取代，表現(xiàn)為就業(yè)替代效應(yīng);另一方面會(huì)催生出新的行業(yè)、領(lǐng)域，產(chǎn)生新的崗位，表現(xiàn)為創(chuàng)造效應(yīng)[5]。隨之而來(lái)的，職業(yè)院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)內(nèi)容、培養(yǎng)方式、評(píng)價(jià)機(jī)制等要進(jìn)行相應(yīng)變革，以滿足制造業(yè)對(duì)人才新的需求。為適應(yīng)新的形勢(shì)，確保學(xué)生知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)與市場(chǎng)需求有效匹配，婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造專業(yè)群提出“人工智能+X”人才培養(yǎng)模式，其中“X”是X證書(shū)。該模式基于人工智能和“1+X”證書(shū)制度，通過(guò)人工智能的融入實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)多元化、個(gè)性化、智能化，X證書(shū)來(lái)源于實(shí)際職業(yè)崗位群中多個(gè)工作領(lǐng)域，集合了其典型工作任務(wù)中的核心知識(shí)點(diǎn)與技能點(diǎn)，可培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力。

“人工智能+X”人才培養(yǎng)模式改革路徑如下。

一是“以鏈建群”，調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo)。對(duì)接湘中地區(qū)裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈，聚焦智能制造這一技術(shù)領(lǐng)域，按照“專業(yè)基礎(chǔ)相通、技術(shù)領(lǐng)域相近、職業(yè)崗位相關(guān)”的原則，由機(jī)電一體化、智能控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械制造與自動(dòng)化等專業(yè)組建智能制造專業(yè)群。精準(zhǔn)分析高職學(xué)生在智能制造領(lǐng)域?qū)?yīng)的需求層次與崗位要求，將以前的高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)目標(biāo)定位轉(zhuǎn)為“掌握現(xiàn)代信息技術(shù)的創(chuàng)新、多元、復(fù)合型技術(shù)技能人才”。

二是更新培養(yǎng)內(nèi)容，培養(yǎng)內(nèi)容要體現(xiàn)多元化、個(gè)性化、智能化的特點(diǎn)。目前高職人才培養(yǎng)方案課程包括公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課，課程基本上都是由學(xué)校和專業(yè)教研室提前設(shè)置好的，選修課的數(shù)量少且流于形式，學(xué)生很難找到滿足自身需求的個(gè)性化學(xué)習(xí)課程和課程資源。而且跨專業(yè)的課程和人工智能方面的課程稀缺，無(wú)法滿足制造企業(yè)對(duì)創(chuàng)新型、復(fù)合型“智造”技術(shù)技能人才的需求。為此，可采用人工智能學(xué)習(xí)者畫(huà)像技術(shù)精準(zhǔn)把握學(xué)習(xí)者個(gè)性特征，積累個(gè)性化培養(yǎng)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)智能教學(xué)平臺(tái)推送個(gè)性化學(xué)習(xí)資源;打破智能制造專業(yè)群各專業(yè)之間的課程壁壘整合課程結(jié)構(gòu)，形成“大智造”的泛專業(yè)課程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合;補(bǔ)充人工智能相關(guān)課程，或者一線教師在授課當(dāng)中適當(dāng)增加一些人工智能的知識(shí)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)多元化、個(gè)性化、智能化的人才培養(yǎng)。

三是改進(jìn)培養(yǎng)方式，采用產(chǎn)教融合、課證融通培養(yǎng)方式。產(chǎn)教融合是校企合作發(fā)展新模式，可有效克服“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生的就業(yè)、師資及實(shí)訓(xùn)條件等方面的瓶頸。學(xué)校與宜科科技有限公司、上海景格科技股份有限公司等合作，以共建智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院為賦能載體，共建產(chǎn)教融合實(shí)驗(yàn)基地為賦能場(chǎng)景，共設(shè)產(chǎn)教融合的教育體系為賦能方法，共編產(chǎn)教融合的教程教材為賦能內(nèi)容，構(gòu)建四位（政府、企業(yè)、院校和學(xué)生）一體產(chǎn)教融合共同體。課證融通是將X標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)內(nèi)容及要求融入原來(lái)的專業(yè)課程，可采用“多對(duì)多”的模式將專業(yè)群與X證書(shū)群對(duì)接，X證書(shū)的多樣性、可選擇性有利于促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展。

四是創(chuàng)新評(píng)價(jià)機(jī)制。以學(xué)生為中心，以“校、企、教、生”為評(píng)價(jià)主體，評(píng)價(jià)內(nèi)容集專業(yè)課程、思想教育、信息化學(xué)習(xí)、技能大賽、X證書(shū)于一體，構(gòu)建多元化、多維度的評(píng)價(jià)機(jī)制，同時(shí)利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)和人機(jī)交互等技術(shù)對(duì)人才培養(yǎng)進(jìn)行過(guò)程化的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

3? 構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)資源體系

基于AI、VR和AR技術(shù)，政、校、行、企多元聯(lián)動(dòng)，按照一體化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化課程、新技術(shù)支撐、協(xié)同化團(tuán)隊(duì)、智慧化平臺(tái)、開(kāi)放式管理、持續(xù)性更新的要求，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)共享、虛實(shí)結(jié)合型專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)，提供智能化教學(xué)資源服務(wù)。智能制造專業(yè)群資源庫(kù)框架如表1所示。

資源庫(kù)包含六個(gè)中心庫(kù)與三個(gè)特色園：基于智慧職教平臺(tái)，建設(shè)專業(yè)園地、課程中心、微課中心、職業(yè)培訓(xùn)、技能訓(xùn)練及素材庫(kù)共六個(gè)中心，虛擬實(shí)訓(xùn)、農(nóng)機(jī)智造、職教立交橋三個(gè)特色園地。資源庫(kù)集教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施、虛擬實(shí)訓(xùn)、職業(yè)培訓(xùn)、職教立交橋?yàn)橐惑w，提供在線瀏覽、智能查詢、資源推送、教學(xué)組課、在線組卷、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、在線測(cè)試、在線交流、APP手機(jī)應(yīng)用等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)共享型教與學(xué)、繼續(xù)教育與培訓(xùn)、就業(yè)服務(wù)與管理、技術(shù)交流推廣四大功能[6]。課程中心是建設(shè)的重心，包含各專業(yè)核心及“大智造”的泛專業(yè)課程，多采用圖片、文本、音視頻、動(dòng)畫(huà)等媒體形式，把課程從抽象變得直觀，從呆板變得鮮活。微課短小精干，便于碎片化學(xué)習(xí)和移動(dòng)學(xué)習(xí)。MOOC（慕課）難度較深，有利于教師將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和課堂講授結(jié)合起來(lái)，便于線上線下混合式教學(xué)。

在技術(shù)手段上，借助于大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用AI、VR和AR技術(shù)，打造一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的全景化教學(xué)場(chǎng)景，提高資源庫(kù)的應(yīng)用效力，實(shí)現(xiàn)“能學(xué)”“輔教”，打通資源庫(kù)落地的最后一公里。AI畫(huà)像技術(shù)能精準(zhǔn)把握學(xué)習(xí)者個(gè)性特征，能最大限度地滿足不同學(xué)習(xí)者個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求;VR能無(wú)差異還原現(xiàn)實(shí)存在的場(chǎng)景，AR通過(guò)疊加全息影像加強(qiáng)視覺(jué)呈現(xiàn)，打破空間、時(shí)間界限，創(chuàng)造出虛擬與現(xiàn)實(shí)、數(shù)字與實(shí)體、線上與線下相融合的沉浸式環(huán)境與多維交互學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

4? 融入IoT、AI改造實(shí)訓(xùn)基地

婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院已建有現(xiàn)代制造技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地，功能較齊全，基本滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求。但是大多數(shù)實(shí)訓(xùn)室是根據(jù)各個(gè)專業(yè)的教學(xué)需求建設(shè)的，功能劃分不合理;裝備智能化水平低下，大部分是單機(jī)操作;實(shí)訓(xùn)管理尚未實(shí)現(xiàn)信息化，不利于智能校園建設(shè)的推進(jìn)。整合智能制造專業(yè)群實(shí)訓(xùn)資源，融入IoT（物聯(lián)網(wǎng)）和AI技術(shù)進(jìn)行智能化改造勢(shì)在必行。

4.1? 整合實(shí)訓(xùn)資源

依據(jù)智能制造專業(yè)群各專業(yè)課程之間的交叉與獨(dú)立關(guān)系，遵循既突出學(xué)校重點(diǎn)又兼顧智能制造專業(yè)群建設(shè)的原則，形成包含公共基礎(chǔ)、專項(xiàng)技能、綜合等實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的科學(xué)層次結(jié)構(gòu)。公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要用于專業(yè)群公共的專業(yè)基礎(chǔ)模塊課程中，完成專業(yè)課程的基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，主要包括鉗工實(shí)訓(xùn)室、電工電子實(shí)訓(xùn)室、傳感器實(shí)訓(xùn)室、電機(jī)控制實(shí)訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室、液壓氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)室。專項(xiàng)技能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要用于各專業(yè)的核心課程中，完成專業(yè)核心課程的專項(xiàng)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，主要包括普通機(jī)加工車間、數(shù)控加工車間、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)訓(xùn)室、智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室、教學(xué)型智能制造實(shí)訓(xùn)室、機(jī)器視覺(jué)實(shí)訓(xùn)室、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室。綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要用于綜合性的生產(chǎn)性實(shí)習(xí)，實(shí)踐內(nèi)容注重與崗位要求對(duì)接，使學(xué)生對(duì)智能制造有感性且直觀的認(rèn)識(shí)，了解智能制造相關(guān)的文化、技術(shù)、生產(chǎn)、前沿應(yīng)用等內(nèi)容，以及開(kāi)展安全教育，包括自動(dòng)產(chǎn)線車間、生產(chǎn)型智能制造車間、智能加工車間、物料準(zhǔn)備間、安全教育與學(xué)習(xí)準(zhǔn)備間、可視化控制室。

4.2? 智能化改造

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控是實(shí)訓(xùn)基地實(shí)施智能化改造的關(guān)鍵。以IoT為基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)為紐帶、AI為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行智能化改造，打造共享智慧型生產(chǎn)性實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地與智能化管理平臺(tái)。在實(shí)訓(xùn)車間引入IoT技術(shù)，為生產(chǎn)設(shè)備、工件等生產(chǎn)資源配備傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、物與環(huán)境之間的互聯(lián)[7]，采集生產(chǎn)過(guò)程信息與實(shí)訓(xùn)室狀態(tài)信息并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù);AI以此為依據(jù)，對(duì)實(shí)訓(xùn)基地的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行自協(xié)作管理，從而實(shí)現(xiàn)制造車間的智能化生產(chǎn)和實(shí)訓(xùn)基地的遠(yuǎn)程巡查、遠(yuǎn)程控制，使實(shí)訓(xùn)基地的管理更加科學(xué)化、規(guī)范化和開(kāi)放化。

5? 形成新型智能教學(xué)體系

通過(guò)四個(gè)方面的改革、創(chuàng)新，最終形成“一平臺(tái)、一模式、一體系、一基地”的智能制造專業(yè)群新型教學(xué)體系，如圖1所示。該新型教學(xué)體系以創(chuàng)新型、復(fù)合型“智造”技術(shù)技能人才為培養(yǎng)目標(biāo)，以智能校園建設(shè)為抓手，利用人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息融合技術(shù)，優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)共享、虛實(shí)結(jié)合型專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)，對(duì)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)施智能化改造，凸顯智能特色，非常有利于多元化、個(gè)性化學(xué)習(xí)，有利于智能制造業(yè)人才培養(yǎng)，對(duì)加速促進(jìn)中國(guó)智能制造業(yè)的發(fā)展同樣具有重要意義?！?/p>

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