智能制造背景下機械工程專業(yè)課程線上教學環(huán)節(jié)設(shè)計*

郭維誠 ，江小輝

（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)在多元化產(chǎn)業(yè)中的不斷應(yīng)用，目前全球制造業(yè)的發(fā)展趨勢也逐步向智能化方向發(fā)展，許多國家都在尋找制造業(yè)智能化的突破口，以搶占未來經(jīng)濟科技發(fā)展的先機。美國提出了先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃，完善制造業(yè)的智能與創(chuàng)新政策；德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，形成以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命。對此，我國在《中國制造2025》中明確了未來制造業(yè)的任務(wù)和重點，并指出智能制造是我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的重要推手，也是我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容。通過研究制定智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品，在信息化浪潮中推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進傳統(tǒng)制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)、3D 打印、機器人等新興科技領(lǐng)域的有機結(jié)合，從而提高我國制造過程的智能化水平[1]。

為了響應(yīng)智能制造的持續(xù)發(fā)展需求，國內(nèi)高等院校相繼開設(shè)智能制造相關(guān)專業(yè)，通過教授機械工程、電氣工程、計算機與信息技術(shù)等智能制造相關(guān)學科的基礎(chǔ)知識和技能，以期培養(yǎng)能夠從事智能裝備和產(chǎn)品的設(shè)計制造、工程研發(fā)以及智能工廠生產(chǎn)管理等工作的高級人才。在此背景下，如何將人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)深度融入“機械設(shè)計”“機械原理”和“機械制造工藝”等傳統(tǒng)專業(yè)課程中，加強學生對于智能制造行業(yè)的概念化理解與專業(yè)化應(yīng)用，是目前機械工程專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)所面臨的新挑戰(zhàn)。近年來，受新冠疫情影響，高等教育的教學方式與教學過程均面臨一定的挑戰(zhàn)，線上教學在經(jīng)歷了深度探索后，逐步展現(xiàn)出線下教學不可比擬的優(yōu)勢，其數(shù)字化、即時交互、學習數(shù)據(jù)自動分析、個性化教學模式等特點，有助于提高學生對智能制造體系的整體認知，打破多學科交叉知識壁壘，提升學生創(chuàng)新應(yīng)用綜合能力[2]。

1 線上教學難點分析

智能制造是現(xiàn)代制造技術(shù)、人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，也是三者結(jié)合的產(chǎn)物。其中，現(xiàn)代制造技術(shù)在機械工程專業(yè)中涉及“機械制造技術(shù)”“機械設(shè)計”“數(shù)控技術(shù)”等多門課程，在當前智能制造發(fā)展趨勢的推動下，這些專業(yè)課程在本科教學中具有更加重要的理論與實踐意義，是促進我國智能制造產(chǎn)業(yè)全面升級的奠基石。隨著新冠疫情在全球范圍流行，線下與線上同步教學逐漸成為主流的教學方式，而數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展促使了大量在線學習平臺的相繼推出，對推動線上教學工作產(chǎn)生了積極的作用。然而，機械類課程理論知識概念性強，核心知識點抽象難以理解，部分教學環(huán)節(jié)與實際生產(chǎn)現(xiàn)場脫節(jié)，傳統(tǒng)的線下教學模式尚且無法滿足學生對于該類課程的立體化授課需求，在增加了線上教學方式后，仍難以有效地體現(xiàn)機械產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、生產(chǎn)管理和服務(wù)智能化的智能制造過程，具體表現(xiàn)為：

1）如何合理利用智能制造相關(guān)在線資源開展教學活動。盡管通過搜索引擎可以獲取海量的智能制造相關(guān)在線資源，但大部分資源魚龍混雜、良莠不齊。例如，對于智能制造的定義以偏概全、部分工程應(yīng)用案例缺乏創(chuàng)新性等，因此在線數(shù)字資源的檢索需要考慮智能制造技術(shù)的全面性和創(chuàng)新性，依托互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)為線上教學活動提供專業(yè)化的資源庫。

2）如何依托智能制造前沿技術(shù)設(shè)計多樣化的教學內(nèi)容吸引學生積極參與。智能制造的技術(shù)范圍極其廣泛，涉及智能產(chǎn)品、智能裝備和智能工廠等多個領(lǐng)域，而這些技術(shù)又與“機械設(shè)計”“機械制造”等專業(yè)課程有極為緊密的聯(lián)系。因此，在教學過程中需要充分運用虛擬仿真、數(shù)字孿生等計算機與信息技術(shù)，通過可視化的方法將二維理論知識延伸至三維實體應(yīng)用案例，提高學生在教學環(huán)節(jié)中的參與度[3]。

3）如何在線上教學環(huán)節(jié)中有效融入“中國智造”課程思政元素。目前，歐美等發(fā)達國家依靠前期積累的工業(yè)基礎(chǔ)與信息技術(shù)快速推動了智能制造的發(fā)展，然而國外的應(yīng)用案例脫離了中國智能制造行業(yè)的現(xiàn)實需求，難以貼合中國智造的戰(zhàn)略方針，無法激發(fā)學生科技報國的情懷與責任擔當。因此，需要立足中國智能制造背景，挖掘具有中國特色的智能制造思政元素[4]。

2 線上教學設(shè)計需求分析

機械工程的專業(yè)課程強調(diào)理論知識與工程實踐相結(jié)合，在學習過程中不僅要求學生掌握堅實的機械設(shè)計、加工和管理等基礎(chǔ)知識，而且需要對生產(chǎn)現(xiàn)場具有一定的認識和實踐體驗。在線上教學逐步成為一種重要的授課方式后，應(yīng)該著重考慮如何設(shè)計好線上、線下的教學環(huán)節(jié)和課程內(nèi)容，如哪些知識需要在線下課堂詳細講解，哪些可作為線上學習任務(wù)布置給學生并在課堂中討論。圍繞機械制造技術(shù)理論知識與智能制造熱點問題，充分利用線上教學的信息技術(shù)特點，將圖形、聲音、視頻等電子資源聯(lián)系起來，分別從課前、課中與課后三個階段設(shè)計線上教學環(huán)節(jié)。

2.1 課前

教師在每次課前對教學內(nèi)容進行解析，設(shè)置線上學習對應(yīng)的教學目標與教學過程。教師根據(jù)相關(guān)課程內(nèi)容，提前在超星學習通和一網(wǎng)暢學等在線學習平臺發(fā)布預習知識內(nèi)容，以智能制造技術(shù)概念與工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，輔以動畫、視頻等素材，讓學生對課堂所學內(nèi)容做充分準備，并帶著難點問題進課堂和老師溝通互動。教師通過平臺中的學習結(jié)果分析查看學生的預習情況，為課堂教學做有針對性的準備。

2.2 課中

在授課過程中，圍繞每個知識點準備相應(yīng)的案例說明，并結(jié)合智能制造背景進行講解和分析。根據(jù)預先準備的課程視頻短片，通過線上教學平臺以提問、討論的方式與學生進行互動，快速分析學生對知識點的掌握程度，進一步提升課堂面對面教學的成果。在教學中，適時調(diào)用課程相關(guān)的在線資源，重構(gòu)真實的制造生產(chǎn)現(xiàn)場，增加學生對于知識點的理解，提高課堂教學效率[5]。

2.3 課后

教師利用線上教學平臺推送課后內(nèi)容，包括針對所學知識點的習題解答、圍繞機械制造共性問題的小組討論和注重智能制造概念延伸的視頻分析等，使學生對機械專業(yè)課程關(guān)鍵章節(jié)和基礎(chǔ)知識進行主動把握和重新鞏固。教師通過平臺提供的教學成果分析數(shù)據(jù)，實時掌控學生的學習情況，對教學環(huán)節(jié)進行再調(diào)整、再優(yōu)化，實現(xiàn)線上虛擬課堂與線下現(xiàn)實課堂的有機融合，將智能制造的內(nèi)涵融入機械工程專業(yè)課程[6]。

在課堂的三個階段中，教師都會利用“互聯(lián)網(wǎng)+課堂”的信息化技術(shù)手段，通過線上教學環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計，充分調(diào)動學生的學習興趣和主動性，提高線上課程的教學質(zhì)量和教學效率。

3 線上教學模式的應(yīng)用與實踐

上海理工大學機械學院依據(jù)《中國制造2025》國家十年行動綱領(lǐng)對機械工程領(lǐng)域提出了最新要求，于2021 年重新構(gòu)建課程理論體系和講授框架，開設(shè)了“智能制造技術(shù)”專業(yè)課程。該課程以“機械設(shè)計制造”相關(guān)課程為理論基礎(chǔ)，面向機械工程專業(yè)本科三年級學生，講授智能制造技術(shù)的相關(guān)核心主題及其與機械工程領(lǐng)域各研究方向的關(guān)系，主要涉及智能制造技術(shù)的內(nèi)涵、特征和技術(shù)體系，包括智能設(shè)計、智能加工、加工過程的智能監(jiān)測與控制、智能制造系統(tǒng)及裝備等領(lǐng)域的專業(yè)知識。通過課程的學習，學生掌握智能制造的基礎(chǔ)共性知識和關(guān)鍵技術(shù)，了解現(xiàn)代智能制造的前沿技術(shù)，并能夠在所學專業(yè)中，準確把握本專業(yè)研究領(lǐng)域的智能化發(fā)展方向，同時理解智能化技術(shù)在機械工程行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用場景和實踐意義，利用智能制造技術(shù)解決相關(guān)的制造問題。

基于上述線上教學設(shè)計需求分析，結(jié)合線上教學平臺從課前、課中與課后三階段設(shè)計內(nèi)容和形式豐富的線上教學環(huán)節(jié)。

3.1 課前預習

智能制造是機械工程、電氣工程、計算機科學等多學科交叉融合的產(chǎn)物，若不提前預習課程的關(guān)鍵知識點，極易迷失在智能制造技術(shù)的宏大概念范疇中。因此，教師在每次課前需要提高線上教學目標，輔以智能制造產(chǎn)業(yè)相關(guān)的多媒體素材，使學生對課堂教學做好針對性準備。

以“智能制造技術(shù)”課程第六章智能制造裝備為例，根據(jù)課堂教學內(nèi)容于課前在線上教學平臺上發(fā)布智能數(shù)控機床章節(jié)的學習背景與目標，讓學生明確本次課程的教學目的及需要預先學習的內(nèi)容。之后發(fā)布與章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的視頻資源，使學生對機床的功能和作用、精密機床智能化加工的關(guān)鍵技術(shù)與難點等方面有初步的了解。通過對多樣化學習資源的預習，學生能夠提前熟悉機床實現(xiàn)高精密加工的工作原理以及智能機床所需的智能數(shù)控技術(shù)、智能傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)，從而在課堂教學過程中更好地了解各項技術(shù)的作用與應(yīng)用范圍[7]。

3.2 課中學習

在線上課堂教學時，針對不同的智能制造知識點，給出圖片或視頻形式的說明，深入淺出地將智能制造關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用案例教授給學生，使他們在了解相關(guān)理論知識的同時，能夠與其他機械專業(yè)課程中學到的知識交叉融合，進一步提升學生對于智能制造過程的理解。

以“智能制造技術(shù)”課程第二章智能設(shè)計技術(shù)為例，在介紹智能設(shè)計的發(fā)展過程時，根據(jù)不同階段將智能設(shè)計的承擔者分為人類專家、設(shè)計型專家系統(tǒng)和人機智能化設(shè)計系統(tǒng)，再分別對這三個關(guān)鍵知識點進行說明。例如，通過三維設(shè)計軟件SolidWorks、CATIA 對飛機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，從而引申出國產(chǎn)大型客機C919 前期自主研發(fā)過程的課程思政案例，并對比當前采用人機智能化設(shè)計系統(tǒng)對航空發(fā)動機進行虛擬設(shè)計的方法，讓學生深刻認識到我國智能制造技術(shù)與國外先進技術(shù)的差距，增強學生科技強國的信念和奮發(fā)學習的動力[8]。

3.3 課后復習

通過在線教學平臺發(fā)布多樣化的課后作業(yè)，利用動畫、視頻等方式展示智能制造的動態(tài)過程。學生通過對智能制造模式的可視化了解，充分運用課中所學的知識點，回答在線作業(yè)中的各類問題，實現(xiàn)對智能制造理論基礎(chǔ)的復習和鞏固。教師通過在線成績分析，掌握學生對于知識點的理解程度，根據(jù)分析結(jié)果對教學環(huán)節(jié)進行調(diào)整與優(yōu)化。

以“智能制造技術(shù)”課程第三章智能加工技術(shù)為例，在線上課堂教學中介紹制造加工過程的智能預測方法后，布置視頻作業(yè)，要求學生在觀看視頻后簡述銑削加工中振動的來源及其檢測與抑制方法。學生根據(jù)課堂中所學的智能加工知識，結(jié)合“機械制造技術(shù)”“機械制造工藝學”等其他專業(yè)課程內(nèi)容，通過手寫、思維導圖、圖文描述等多種形式完成，并在線提交電子版或線下提交紙質(zhì)版作業(yè)。根據(jù)在線學習平臺中的作業(yè)成績統(tǒng)計，可以讓教師了解到學生對于智能加工知識內(nèi)容的掌握程度。

通過課前、課中與課后三個階段的學習與鞏固，讓學生體會到智能制造技術(shù)在國家發(fā)展中的角色和地位，增強自身的責任感和使命感，進一步提高學生對于專業(yè)學習的積極性和有效性[9-10]。

4 結(jié)語

課題組以智能制造為背景，針對機械工程專業(yè)課程的教學特點，充分利用在線學習平臺的教學靈活性、情景相關(guān)性、學習個性化和互動快捷性等優(yōu)勢，積極探索新型線上教學模式。通過設(shè)計多樣化的教學環(huán)節(jié)調(diào)動學生的學習積極性，增強學生線上互動交流，提升課程思政氛圍感，并采用機械制造基礎(chǔ)理論與智能制造案例相結(jié)合的教學方式，逐步轉(zhuǎn)變學生由被動學習到主動參與線上教學活動的局面。依靠在線學習平臺提供的各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，教師能夠?qū)⒕€上教學與評估進行深度融合，使學生實時了解自身學習狀態(tài)的同時，又可以讓教師通過大數(shù)據(jù)掌握學生的學習情況，分析、優(yōu)化教學方案，融合教學資源。線上教學環(huán)節(jié)中的“學習+評價”為雙向反饋，使得學生能夠更加深入地掌握機械工程專業(yè)課程的理論知識內(nèi)容與應(yīng)用實踐能力，從而提升個人思想覺悟，從根本上解決機械制造領(lǐng)域的瓶頸問題，為國家智能制造新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定扎實的理論與實踐基礎(chǔ)。