人工智能+新工科背景下航空發(fā)動(dòng)控制專業(yè)教學(xué)改革

馬靜，緱林峰，韓小寶，鄭華

（西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

“新工科”是指在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上，與新興產(chǎn)業(yè)相對應(yīng)的專業(yè)，如人工智能、機(jī)器人、智能制造、云計(jì)算等；以及對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造[1]。從2017年教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》起，為推進(jìn)“新工科”的建設(shè)與發(fā)展，深化新時(shí)代工程教育改革，國內(nèi)各高校開展了大量的與“新工科”相關(guān)的實(shí)踐與研究[2-4]。

目前國內(nèi)大學(xué)的學(xué)科專業(yè)設(shè)置中，已逐步將計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)類、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、新能源、新材料等專業(yè)納入“新工科”的范疇；這些 “新工科”專業(yè)的設(shè)置更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的交叉性、實(shí)用性與綜合性，尤其注重新技術(shù)、新理論、新成果與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合，可以說是對傳統(tǒng)工科的升級改造。

同時(shí)，隨著人工智能理論的發(fā)展，其在社會經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用，教育也在從方方面面去適應(yīng)人工智能帶來的沖擊。目前，人工智能已進(jìn)入與產(chǎn)業(yè)深度融合發(fā)展的新階段，必然推動(dòng)著新工科背景下人才培養(yǎng)方向的轉(zhuǎn)變——智能化、自動(dòng)化和類人化等成為新目標(biāo)；這也必然影響新工科的學(xué)科重新布局，意味著新工科某些學(xué)科專業(yè)的生成或消失，同時(shí)也促進(jìn)新工科各學(xué)科專業(yè)的發(fā)展或融合。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是“飛機(jī)的心臟”，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)涉及現(xiàn)代科技和工程的許多專業(yè)領(lǐng)域,集流體力學(xué)、固體力學(xué)、熱力學(xué)、燃燒學(xué)、材料學(xué)、控制理論、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科最新成果的應(yīng)用為一體，對促進(jìn)國家裝備制造業(yè)發(fā)展和提升綜合國力起著引領(lǐng)作用。航動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)從20世紀(jì)40年代的機(jī)械液壓燃油控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了模擬電子控制階段、模擬和數(shù)字電子控制階段、全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)階段等；航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)將向智能控制、主動(dòng)控制和分布控制的方向發(fā)展，航發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化將成為未來總體目標(biāo)。尤其是“兩機(jī)”重大專項(xiàng)的實(shí)施和中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)的成立，加快了實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)和制造生產(chǎn)，也為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制發(fā)展的提供了新的契機(jī)。

因此，新形勢下對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)人才培養(yǎng)也提出了新的要求，基于人工智能的教學(xué)體系、教學(xué)模式及實(shí)踐模式改革勢在必行，這也是高校建設(shè)“雙一流”的發(fā)展要求。

本論文在理清人工智能+新工科的概念、內(nèi)涵、特點(diǎn)，及與本科生教育的關(guān)系等基本問題的基礎(chǔ)上，研究人工智能背景下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)的教學(xué)新模式[5-6]、新方法，構(gòu)建基于人工智能和大數(shù)據(jù)的、以學(xué)生為中心的新工科課程體系，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核模式、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[7-8]等方面進(jìn)行改革，探索人工智能背景下的混合式教學(xué)方法，初步研究在智能選課方面的應(yīng)用。

二 傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)存在的問題

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制專業(yè)由于專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)條件的限制，注重于基礎(chǔ)理論知識的傳授，在教學(xué)中存在以下問題：

（1）因?yàn)樵缙诘暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)以軍用飛機(jī)為主，受到資料保密的限制，專業(yè)教學(xué)體系更新慢，教學(xué)內(nèi)容相對陳舊；并側(cè)重于理論教學(xué)，沒有完全體現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。

（2）由于傳統(tǒng)專業(yè)劃分的限制，對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制這種多學(xué)科交叉方向，通常都是劃分在控制大類中，教學(xué)中以控制理論的課程體系為主，使得被控對象航空發(fā)動(dòng)機(jī)和控制理論成為兩張皮，沒有體現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的特色和特點(diǎn)。

（3）在教學(xué)內(nèi)容上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制專業(yè)相關(guān)前沿知識不系統(tǒng)，教學(xué)內(nèi)容相對于學(xué)科發(fā)展與應(yīng)用有一定滯后；沒有體現(xiàn)新工科和人工智能的影響。

（4）教學(xué)中缺乏適合本科生的新的教學(xué)方法，課堂講授過多過細(xì)，留給學(xué)生獨(dú)立思考的空間和時(shí)間少；翻轉(zhuǎn)式、混合式、分層次等新的教學(xué)方式使用較少，科研訓(xùn)練參與度小，未能因材施教，不能使學(xué)生最大限度地發(fā)揮創(chuàng)造性。

（5）課程的考核方法比較單一，以知識的掌握為主，對能力考核有限，不能完全體現(xiàn)教學(xué)效果，也缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)和引導(dǎo)作用。

（6）現(xiàn)有教學(xué)手段以多媒體教學(xué)為主，網(wǎng)絡(luò)化在教學(xué)中使用程度較低，實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)少，學(xué)生專業(yè)的整體認(rèn)知度低，對后續(xù)畢業(yè)論文、課題研究不利。

（7）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主，沒有充分發(fā)揮融合工程實(shí)踐、產(chǎn)教結(jié)合和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)的作用。

這些問題嚴(yán)重地阻礙了新工科、人工智能對航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)教學(xué)的影響和應(yīng)用，阻礙現(xiàn)有教學(xué)質(zhì)量的提高。

三 人工智能背景下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)教學(xué)改革方案

教學(xué)改革從研究“人工智能+新工科”建設(shè)的基本特征出發(fā)，借鑒國外高校把創(chuàng)新教育和工程教育相融合的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果，從“人工智能+新工科”背景下建設(shè)本科生教育的概念出發(fā)，研究將“人工智能+新工科”理念融入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制本科生教育、教學(xué)的路徑、方法及其重要作用；以“人工智能”概念下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)本科生教學(xué)、考核及實(shí)踐模式為研究內(nèi)容，重點(diǎn)研究如何將人工智能相關(guān)的理論及課程建設(shè)融入到傳統(tǒng)的專業(yè)培養(yǎng)方案中，使兩者能夠無縫銜接；把發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)造能力作為人工智能背景下“新工科”人才培養(yǎng)的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，在教學(xué)模式上研究基于“雨課堂”、MOOC等的混合教學(xué)模式和多元化考核模式，以更好地適應(yīng)新航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)對相關(guān)應(yīng)用型人才的要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)教學(xué)改革方案如圖1所示。

圖1 教學(xué)改革的總體方案

四 人工智能背景下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)教學(xué)改革內(nèi)容

（一） 更新人工智能+新工科背景下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)近些年的研究成果和學(xué)科發(fā)展前沿，分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢，獲得了人工智能+新工科背景下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)需求和教學(xué)特點(diǎn)——“加強(qiáng)基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)科，注重創(chuàng)新，融入智能”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制發(fā)展趨勢與控制理論的關(guān)系如圖2所示。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制發(fā)展趨勢

（二） 總結(jié)人工智能與新工科的結(jié)合方式，與本科生教育的關(guān)系和特點(diǎn)

“新工科”的提出是本科教學(xué)工程化的激勵(lì)因素，為工程教育理論和實(shí)踐的探索改革提供了全新的視角。通過對“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)定位、基本內(nèi)涵、培養(yǎng)模式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)等方面的研究，為國家或?qū)W校新工科建設(shè)和實(shí)踐提供決策。

要把人工智能全面、深入地融入到“新工科”建設(shè)中，首先要?jiǎng)?chuàng)新學(xué)科和專業(yè)建設(shè)的理念與實(shí)踐過程；然后在開發(fā)以“人工智能+新工科”為導(dǎo)向課程的基礎(chǔ)上，從人工智能專業(yè)基礎(chǔ)知識和人工智能共性技術(shù)兩個(gè)方面建設(shè)“人工智能+新工科”的新課程體系；再針對學(xué)生教學(xué)和培養(yǎng)階段的不同特點(diǎn)，細(xì)化并扎實(shí)推進(jìn)本科生的創(chuàng)新培養(yǎng)工作。因此，從發(fā)展“新工科”的戰(zhàn)略高度出發(fā)，系統(tǒng)地規(guī)劃基于人工智能的學(xué)科和專業(yè)，并積極發(fā)展以人工智能為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科和專業(yè)，努力培養(yǎng)具有與人工智能技術(shù)相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用新型人才。

（三） 構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)新工科課程體系

工科專業(yè)課程設(shè)置一般按照本科教學(xué)規(guī)律分為通識通修課程、學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程、專業(yè)選修課程、綜合實(shí)踐課程等。對人工智能和新工科背景下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)課程建設(shè)進(jìn)行研究規(guī)劃，明確所需基礎(chǔ)、專業(yè)支撐和課程內(nèi)容；對人工智能背景下的新工科航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)課程體系及人工智能為基礎(chǔ)的實(shí)踐平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)從通識通修課程、專業(yè)骨干課程、專業(yè)前沿課程和工程實(shí)踐類課程四個(gè)層面融入人工智能的思想和理論構(gòu)建人工智能+新工科課程體系。使學(xué)生從基本認(rèn)知、興趣培養(yǎng)、思想了解、理論學(xué)習(xí)、方法掌握、實(shí)踐操作幾個(gè)方面逐步培養(yǎng)關(guān)于人工智能及學(xué)科專業(yè)的特點(diǎn)、優(yōu)勢和發(fā)展趨勢，既能立足于當(dāng)前的學(xué)習(xí)，又能兼顧將來的專業(yè)發(fā)展和新知識的不斷更新。由此形成滾動(dòng)動(dòng)態(tài)發(fā)展的課程知識體系。

（四） 開展適合新工科下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)混合式教學(xué)方法

“雨課堂”是一款基于微信和PowerPoint的教學(xué)軟件，既可以在手機(jī)上使用，也可以在電腦上使用。雨課堂的突出特點(diǎn)在于能夠覆蓋課前-課上-課后的每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，課前教師可以通過該軟件將含 MOOC資源、視頻、語音和習(xí)題的預(yù)習(xí)課件提前推送到給學(xué)生，學(xué)生可以用手機(jī)及時(shí)和老師互動(dòng)反饋；在課堂教學(xué)中，該軟件除提供內(nèi)容豐富的多媒體教學(xué)課件外，也可完成課堂簽到、實(shí)時(shí)答題、彈幕互動(dòng)、紅包獎(jiǎng)勵(lì)、教學(xué)效果反饋等；課后除復(fù)習(xí)內(nèi)容外，還可以為師生提供完整、立體的數(shù)據(jù)支持，包含個(gè)性化教學(xué)效果報(bào)表、教學(xué)任務(wù)提醒等，提高教與學(xué)的興趣和效果。

以“雨課堂”為核心構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)課程的混合式教學(xué)模式，由課前導(dǎo)學(xué)（線上自主學(xué)習(xí)）、課堂重點(diǎn)和難點(diǎn)講解（基于雨課堂線下實(shí)時(shí)講授+線上深度討論）、課后深入復(fù)習(xí)（線上指導(dǎo)復(fù)習(xí)）、各個(gè)環(huán)節(jié)的過程性考核等方式構(gòu)成，使傳統(tǒng)的“教師教授為主”的教學(xué)模式向以“學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。因此，教師借助以“雨課堂”為核心的現(xiàn)代化教學(xué)工具引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)，充分利用教學(xué)各個(gè)階段的特點(diǎn)和優(yōu)勢，結(jié)合多種教學(xué)手段和方法以期實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化教學(xué)?；旌鲜浇虒W(xué)模式框架如圖3所示。

圖3 課程混合式教學(xué)模式框架設(shè)計(jì)

（五） 開展融合工程實(shí)踐、產(chǎn)教結(jié)合和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的新航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

將人工智能的最新概念始終貫穿在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)的課程體系中，通過不同類型的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的不同能力；以興趣培養(yǎng)為導(dǎo)向，以知識面拓寬為方向，以動(dòng)手實(shí)踐能力、主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力提高為目標(biāo)；并初步具備開展獨(dú)立研究的能力，能將課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)和校外企業(yè)實(shí)習(xí)相互結(jié)合。除正常實(shí)驗(yàn)課程外，鼓勵(lì)學(xué)生參加各鐘類型的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)競賽；同時(shí)，學(xué)生可以組隊(duì)參加科研見習(xí)、高峰體驗(yàn)計(jì)劃等實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室，由相關(guān)研究方向的教師為學(xué)生指引道路，使學(xué)生早日融入教師的科研團(tuán)隊(duì)中去；通過一定科學(xué)研究的開展，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力。

（六） 新航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)本科生多元化考核模式

適當(dāng)?shù)目荚囉欣诮處煖?zhǔn)確、及時(shí)地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提高教學(xué)水平；也有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。多樣化的考核形式能考查出學(xué)生的真實(shí)素質(zhì)和能力，除傳統(tǒng)的線下筆試（含閉卷考試、開卷考試）外，可采用口試、平時(shí)課后作業(yè)、課堂練習(xí)、單元測驗(yàn)、期中測驗(yàn)、課堂辯論、專題研討、團(tuán)隊(duì)作業(yè)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)報(bào)告等多種考核形式，注重評價(jià)總結(jié)和效果反饋，使學(xué)生及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)狀況，提高學(xué)習(xí)興趣。最終實(shí)現(xiàn)以考促教、以考促學(xué)的目的，達(dá)到考核類型多樣化、考核內(nèi)容全面化、考核過程全程化。

（七） 初步探索智能控制理論構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)本科生智能選課系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能的核心內(nèi)容之一，由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)。結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)特點(diǎn)，選取學(xué)生已學(xué)課程和新工科專業(yè)需求等多參數(shù)作為輸入元素，選取你選擇課程作為輸出，初步實(shí)現(xiàn)智能選課；這樣利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別可構(gòu)建本科生智能選課系統(tǒng)，利用MATLAB構(gòu)建人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)人工智能+新工科環(huán)境下不斷更新的智能選課GUI系統(tǒng)。初步思路如圖4所示。根據(jù)基于人工智能的新工科背景下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)特點(diǎn)，選取合適的輸入、輸出元素，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別構(gòu)建本科生智能選課系統(tǒng)，初步探索人工智能在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。

圖4 智能選課平臺思路

五 結(jié)語

高校教學(xué)既要體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，也要緊跟時(shí)代科技和行業(yè)發(fā)展已成為引導(dǎo)趨勢。根據(jù)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合人工智能+新工科背景下對于已有工科專業(yè)的影響，預(yù)測了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)的未來發(fā)展趨勢；重點(diǎn)分析此背景下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制在內(nèi)容、結(jié)構(gòu)等方面的變化和本科生教育的變化，認(rèn)真梳理本專業(yè)人才的核心素養(yǎng)。依據(jù)新工科學(xué)生培養(yǎng)的新質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建專業(yè)教學(xué)體系和智能選課系統(tǒng)，采用多種結(jié)合專業(yè)特色的教

學(xué)模式和手段，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，使培養(yǎng)的學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題能力、具備創(chuàng)造能力和終身學(xué)習(xí)的能力。