智能制造背景下面向機(jī)械工程專業(yè)人才的人工智能課程教學(xué)模式探索

張玉彥 李 浩 文笑雨 孫春亞

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入增速轉(zhuǎn)軌、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的新常態(tài)，制造業(yè)正加速?gòu)牡投酥圃煜蚋叨酥圃?、勞?dòng)密集型向技術(shù)密集型、“制造”向“智造”的模式轉(zhuǎn)變。要以智能制造為主攻方向，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級(jí)，其核心是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，主線是工業(yè)化和信息化兩化融合，目標(biāo)是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化，最終實(shí)現(xiàn)智能制造。

機(jī)械工業(yè)作為制造業(yè)的傳統(tǒng)領(lǐng)域，行業(yè)資產(chǎn)總額、增加值、主營(yíng)業(yè)務(wù)收入與利潤(rùn)總額，均在全國(guó)工業(yè)中占比達(dá)25%左右[1]。在智能制造的背景下，對(duì)機(jī)械工業(yè)人才的需求正從專業(yè)型人才向具有學(xué)科交叉背景的復(fù)合型、應(yīng)用型人才轉(zhuǎn)變[2]。然而，傳統(tǒng)機(jī)械工程強(qiáng)調(diào)機(jī)、電、液系統(tǒng)的研究(包括機(jī)械本體設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、液壓回路設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制等項(xiàng)目)，知識(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，并不能滿足制造業(yè)對(duì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的復(fù)合需求。因此，迫切需要考慮智能制造的需求，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械工程專業(yè)人才課程體系，構(gòu)建融合交叉學(xué)科新元素的模塊化課程，大力建設(shè)“智能制造”與“人工智能”等時(shí)代背景下的新技術(shù)特色課程[2-3]。隨之，在教學(xué)模式、教學(xué)機(jī)制等方面應(yīng)采取相應(yīng)的改革舉措，形成可復(fù)制和推廣的經(jīng)驗(yàn)，探索符合本科生教育發(fā)展規(guī)律的教學(xué)模式，促進(jìn)機(jī)械工程專業(yè)人才教育建設(shè)以更好適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4-5]。

鑒于上述分析，本文以鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)為依托，結(jié)合“人工智能”在智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)方案中處于學(xué)科基礎(chǔ)課程的位置，探索符合學(xué)校特點(diǎn)的教學(xué)模式。通過(guò)教學(xué)模式的制定與改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)⑵渌鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的分析、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)；能夠運(yùn)用人工智能知識(shí)基于特定條件進(jìn)行智能制造工程問(wèn)題建模、設(shè)計(jì)及工藝計(jì)算，設(shè)計(jì)滿足特定需求的智能制造系統(tǒng)；能夠針對(duì)智能制造領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，運(yùn)用人工智能的基本原理和方法，開(kāi)發(fā)與使用適合的軟件工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬，突破應(yīng)用邊界。總體上，本文以人工智能課程教育模式探索為研究基礎(chǔ)，對(duì)智能制造背景下的課程建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建、教學(xué)質(zhì)量管控、人才培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建、跨學(xué)科知識(shí)體系融合等方面進(jìn)行分析，探索一種符合機(jī)械工程專業(yè)所需的課程教學(xué)模式。

一、人才培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建

針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)的特點(diǎn)，培養(yǎng)面向智能制造的應(yīng)用型人才，需滿足如下具體的目標(biāo)。

第一，培養(yǎng)具有社會(huì)責(zé)任感、人文精神、職業(yè)道德情操、滿足國(guó)家智能制造需求的專業(yè)人才。

第二，培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力。在工程知識(shí)上，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的高等數(shù)學(xué)、矩陣論、人工智能、檢測(cè)技術(shù)等知識(shí)運(yùn)用于問(wèn)題建模、問(wèn)題求解、結(jié)果分析等方面；在工具手段上，能夠熟練使用相關(guān)工具，如產(chǎn)線建模工具Plant Simulation，工藝規(guī)劃工具Process，人工智能工具Pytorch等；在材料搜集上，能夠利用所學(xué)的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索方法，快速追蹤相關(guān)技術(shù)。

第三，培養(yǎng)具備在獨(dú)立和團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境下解決智能制造工程及相關(guān)復(fù)雜工程問(wèn)題的專業(yè)知識(shí)和技能。具體為：能夠有效分解智能制造領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題，能夠相互協(xié)作或者獨(dú)立制定合理的技術(shù)解決方案或管理解決方案，能夠團(tuán)隊(duì)協(xié)助快速完成每個(gè)子任務(wù)。

第四，培養(yǎng)了解學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢(shì)，能夠在智能制造及相關(guān)領(lǐng)域從事智能制造系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)、調(diào)試與運(yùn)行維護(hù)等方面工作的人才。培養(yǎng)專業(yè)能力強(qiáng)、職業(yè)素養(yǎng)高、具有社會(huì)責(zé)任感和創(chuàng)新精神的應(yīng)用型工程技術(shù)人才，優(yōu)秀者成為相關(guān)技術(shù)或管理領(lǐng)域的高級(jí)人才。

二、人工智能課程建設(shè)

人工智能課程涉及知識(shí)面廣，如涉及矩陣論、概率論、數(shù)字圖像處理、最優(yōu)化方法等知識(shí)，且分科知識(shí)融合性強(qiáng)，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單被動(dòng)教學(xué)模式難以滿足需求，會(huì)造成學(xué)生“似乎懂”的狀態(tài)，表現(xiàn)為“知其然不知其所以然”[6-8]。為了使學(xué)生真正掌握人工智能的理論及應(yīng)用，達(dá)到“會(huì)學(xué)、會(huì)做、會(huì)拓展”的目的，以解決機(jī)械行業(yè)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，采用理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的混合方式，并針對(duì)機(jī)械工程應(yīng)用案例分析不同人工智能方法的利弊，提升學(xué)生的課堂主動(dòng)與被動(dòng)學(xué)習(xí)能力，以及課后的自主動(dòng)手實(shí)踐能力，最終形成基于混合教學(xué)模式的課程建設(shè)。具體建設(shè)內(nèi)容如下。

1.基于混合教學(xué)模式的課程建設(shè)

如圖1所示，以人工智能課程建設(shè)為目標(biāo)，以促使學(xué)生主動(dòng)思考學(xué)習(xí)實(shí)踐為宗旨，從“理論教學(xué)+案例教學(xué)”的角度切入，分別從認(rèn)知、講授、實(shí)踐、自主學(xué)習(xí)等方面，探索課程建設(shè)內(nèi)容。

圖1 基于混合教學(xué)模式的課程建設(shè)

(1)認(rèn)知

通過(guò)傳統(tǒng)的授課方式，介紹人工智能的發(fā)展歷程，利用講解關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)(如1956年達(dá)特茅斯會(huì)議為人工智能元年)、應(yīng)用范圍(如圖像分類、圖像分割、目標(biāo)檢測(cè)等)以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，使得學(xué)生對(duì)人工智能具有基本的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)講授

針對(duì)如圖像分類中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、目標(biāo)檢測(cè)中的YOLO模型、移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的A-star算法等典型的人工智能算法，通過(guò)講授的方式介紹算法的特點(diǎn)、算法流程、關(guān)鍵步驟、核心公式以及公式推導(dǎo)，最終達(dá)到讓學(xué)生“知其然并知其所以然”的目標(biāo)。

(3)實(shí)踐

鑒于人工智能課程開(kāi)課地點(diǎn)往往設(shè)立于鄭州輕工業(yè)大學(xué)智慧教室，將實(shí)踐活動(dòng)搬進(jìn)課堂，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。此外，結(jié)合智能制造專業(yè)背景，以“標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試案例(如Kaggle網(wǎng)站上的測(cè)試案例)+機(jī)械工程應(yīng)用案例(如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè))”為教學(xué)內(nèi)容，將所學(xué)典型算法在這些案例上驗(yàn)證，以提升學(xué)生對(duì)知識(shí)深層次的理解。

(4)自主學(xué)習(xí)

學(xué)生通過(guò)理解，闡述對(duì)人工智能概念原理、特征形態(tài)的認(rèn)知程度，逐漸加深對(duì)人工智能的理解。進(jìn)一步將所學(xué)的知識(shí)遷移到人工智能課程學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)用課堂所學(xué)拓展知識(shí)邊界，逐漸實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主拓展的效果。通過(guò)上述環(huán)節(jié)，學(xué)生可以達(dá)到從認(rèn)識(shí)知識(shí)到理解知識(shí)、理解知識(shí)到運(yùn)用知識(shí)，運(yùn)用知識(shí)到拓展知識(shí)的目標(biāo)。

2.基于機(jī)械工程應(yīng)用案例的課程建設(shè)

選取典型的機(jī)械工程應(yīng)用案例，采用“說(shuō)講→討論→跟著做→自主做”多階段法進(jìn)行實(shí)踐[9]。首先，根據(jù)機(jī)械工程專業(yè)所學(xué)內(nèi)容，從裝備、產(chǎn)線、物流、加工質(zhì)量等角度選取典型的工程應(yīng)用案例；其次，對(duì)如何選取適用的人工智能技術(shù)進(jìn)行講解，并介紹所選技術(shù)如何適配到問(wèn)題；再次，基于工程實(shí)例，對(duì)理論及技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行講解；最后，采用“自主設(shè)計(jì)式、開(kāi)放式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，針對(duì)機(jī)械工程問(wèn)題，讓學(xué)生自己動(dòng)手操作。通過(guò)四步驟學(xué)習(xí)，課程教學(xué)充分與智能制造行業(yè)接軌，同時(shí)令學(xué)生看到自己所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用前景，為今后走向工作崗位奠定基礎(chǔ)。

表1列出了筆者在課堂上用到的機(jī)械工程應(yīng)用案例以及評(píng)價(jià)方法，主要包括3個(gè)案例。具體為：基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械零件識(shí)別，鍛煉學(xué)生采用人工智能中的圖像識(shí)別方法，解決機(jī)械裝配過(guò)程中的零件識(shí)別問(wèn)題；基于智能優(yōu)化算法的產(chǎn)線建模與優(yōu)化，鍛煉學(xué)生采用群智能優(yōu)化算法(如遺傳算法、蟻群算法等)，解決生產(chǎn)線的負(fù)載均衡問(wèn)題；基于人工智能的機(jī)器人路徑規(guī)劃與搜索，鍛煉學(xué)生利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，解決爆炸空間中機(jī)器人路徑的搜索及優(yōu)化問(wèn)題。各自在案例教學(xué)部分課時(shí)的占比分別為30%、35%、35%。其中基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械零件識(shí)別占比略低于其他2個(gè)案例，是考慮到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的深度知識(shí)，機(jī)械領(lǐng)域的本科生達(dá)到會(huì)用即可的目的，所以降低了權(quán)重?？紤]到鄭州輕工業(yè)大學(xué)智能制造本科階段的“人工智能”課程是在大二下學(xué)期開(kāi)設(shè)，學(xué)生已經(jīng)掌握了完整的數(shù)學(xué)知識(shí)內(nèi)容體系，完全能夠支撐其他2個(gè)案例的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，所以提高了比重，即增加案例教學(xué)的深度。

表1 基于機(jī)械工程應(yīng)用案例的課程內(nèi)容及評(píng)價(jià)體系

采用機(jī)械工程案例的人工智能課程建設(shè)，有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，結(jié)合機(jī)械工程學(xué)生的專業(yè)背景，能夠最大程度發(fā)揮學(xué)生的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，解決相關(guān)問(wèn)題時(shí)不存在知識(shí)障礙；第二，結(jié)合工程案例，能夠以智能制造的角度為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)新制造模式的興趣，同時(shí)能夠激發(fā)學(xué)生探索智能制造規(guī)律，提升自我價(jià)值和專業(yè)素養(yǎng)，在新模式下找到符合自己職業(yè)發(fā)展的方向。

三、實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建

鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為主，因此在智能制造的背景下，急需建立適用于地方院校的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，深入融合教研成果，依托人工智能技術(shù)，將復(fù)雜的機(jī)械工程問(wèn)題和科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化成示范性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技創(chuàng)新、各類學(xué)科競(jìng)賽打下基礎(chǔ)。面向機(jī)械工程專業(yè)，立足智能制造，搭建實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，支撐人工智能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、生產(chǎn)物流、產(chǎn)品服務(wù)等環(huán)節(jié)的應(yīng)用。具體思路為：利用主流的人工智能框架如tensorflow、pytorch等搭建模型庫(kù)；構(gòu)建機(jī)械工程問(wèn)題集，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、零部件的生成式設(shè)計(jì)、零件加工尺寸優(yōu)化、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制等；建立問(wèn)題集和模型集的映射關(guān)系；立足鄭州輕工業(yè)大學(xué)已有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障仿真平臺(tái)，搭建典型機(jī)械工程問(wèn)題的數(shù)據(jù)采集實(shí)踐；撰寫(xiě)實(shí)踐方案，指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。

四、教學(xué)質(zhì)量管控

教學(xué)質(zhì)量管理需要學(xué)生、教師、家庭、社區(qū)、學(xué)校和政府多方參與實(shí)施，通過(guò)多維度的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制、監(jiān)督管理機(jī)制、激勵(lì)機(jī)制等，運(yùn)用高效的決策體系、健全的保障體系、全面的管理體系、靈活的信息系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)質(zhì)量管理目標(biāo)，然后再確定新的教學(xué)質(zhì)量管理目標(biāo)。通過(guò)持續(xù)、逐步改進(jìn)升級(jí)，螺旋式上升，才能促使教學(xué)質(zhì)量管理體系日臻完善，管理質(zhì)量不斷提高[10]。

智能制造背景下，結(jié)合鄭州輕工業(yè)大學(xué)的教學(xué)安排和教學(xué)形式，需以學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐學(xué)習(xí)相結(jié)合為重心，培養(yǎng)的機(jī)械工程專業(yè)人才應(yīng)該具有綜合素質(zhì)能力。單一的考評(píng)方式難以滿足需求，不能全面反映教學(xué)成效并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，因此需建立完善的評(píng)價(jià)方式，管控教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)理論學(xué)習(xí)效果評(píng)測(cè)，應(yīng)布置階段性的任務(wù)，如：文獻(xiàn)綜述調(diào)研、算法流程分析報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總與分析和拓展案例展示等。根據(jù)階段性的任務(wù)，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行評(píng)測(cè)，采用平時(shí)理論學(xué)習(xí)考評(píng)與期末綜合考評(píng)相結(jié)合的方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。針對(duì)實(shí)踐教學(xué)評(píng)測(cè)，采用融合多種考核相結(jié)合的方法，包括實(shí)踐過(guò)程數(shù)據(jù)的記錄、實(shí)踐報(bào)告與大作業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)案例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、拓展案例的展示與分享等，綜合評(píng)測(cè)學(xué)生的調(diào)研能力、閱讀文獻(xiàn)能力、語(yǔ)言表達(dá)能力以及實(shí)操能力等，達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)能力的目的。

五、跨學(xué)科知識(shí)體系融合

如圖2所示，基于基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的跨學(xué)科知識(shí)融合，以理論基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐等方面的提升，達(dá)到掌握多學(xué)科知識(shí)的融合及應(yīng)用，具體包括兩塊內(nèi)容。

圖2 基于“理論學(xué)習(xí)+實(shí)踐應(yīng)用”的跨學(xué)科知識(shí)融合

1.培養(yǎng)學(xué)生具有學(xué)科交叉融合的學(xué)習(xí)能力

人工智能的學(xué)習(xí)不再只是獨(dú)立一門(mén)學(xué)科的理論學(xué)習(xí)，需要同數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程等學(xué)科建立緊密聯(lián)系，使得學(xué)生掌握人工智能的數(shù)理知識(shí)、編程實(shí)現(xiàn)、分布式加速計(jì)算、機(jī)械工程問(wèn)題應(yīng)用等，最終培養(yǎng)的學(xué)生具備學(xué)科交叉融合的意識(shí)，達(dá)到學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通，加深對(duì)人工智能的深入理解，提高學(xué)科間知識(shí)融合及多學(xué)科間知識(shí)遷移能力。

2.培養(yǎng)學(xué)生具有理論與實(shí)踐相融合的能力

面向智能制造發(fā)展中解決機(jī)械工程問(wèn)題的需求，以機(jī)械工程案例應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械工程問(wèn)題的思維能力和動(dòng)手能力。樹(shù)立學(xué)科交叉融合、科技創(chuàng)新的理念，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，積極參與到人工智能的技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)習(xí)、實(shí)踐的積極性和主動(dòng)性，提高解決工程問(wèn)題的思維意識(shí)。

六、結(jié)論

本文以鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)為例，從人工智能課程內(nèi)容建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建、教學(xué)質(zhì)量管控、人才培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建、跨學(xué)科知識(shí)體系融合等方面探討了人工智能課程的教學(xué)模式，著重分析了課程內(nèi)容安排應(yīng)考慮機(jī)械工程背景，并且提出了“多學(xué)科理論知識(shí)融合+機(jī)械工程實(shí)踐”的培養(yǎng)模式，旨在建立符合機(jī)械工程專業(yè)所需的人工智能課程教學(xué)模式，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)智能制造專業(yè)人才的需求。