機械工程測試技術課程中融入人工智能教育的探索

南玉龍，盧 倩，曾 勇

（鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引 言

人工智能領域的迅猛發(fā)展引起了社會各界的廣泛關注，為應對這場人工智能技術革命浪潮，社會各界積極參與、融入與學習，以適應人工智能技術的發(fā)展?！陡叩葘W校人工智能創(chuàng)新行動計劃》明確地給出了本科院校關于人工智能發(fā)展的科技創(chuàng)新體系[1]。產教融合是深化改革高等教育體制的重要途徑，即將產業(yè)界先進的技術融入高等教育的教育教學過程中，促進高等教育與產業(yè)技術發(fā)展與時俱進[2]。高等學校積極發(fā)展人工智能教育也是符合新工科建設要求的[3]，促使新工科背景下培養(yǎng)的人才既具備前沿人工智能學科知識與解決人工智能問題的專業(yè)能力，也具有人工智能工程倫理與系統(tǒng)思維等綜合素質。

隨著人工智能行業(yè)的高速發(fā)展，不論是傳統(tǒng)企業(yè)，還是科技創(chuàng)新企業(yè)，不僅對人工智能專業(yè)人才的需求呈現(xiàn)指數(shù)性增長，而且對人工智能人才的專業(yè)能力要求也越來越高[4]。為應對企業(yè)所需的人工智能人才的缺口，高等學校應當承擔起培養(yǎng)人工智能應用型人才的責任[5]。企業(yè)所需的人工智能人才需要解決工程領域的問題，這必然要求高等學校培養(yǎng)人才應更加注重產教融合與校企合作[6]。因此，高等學校在培養(yǎng)人工智能人才時，不僅需要教授人工智能理論知識，更要結合具體的工程應用案例培養(yǎng)學生人工智能技術的實際應用能力[7]。通過校企合作培養(yǎng)人工智能行業(yè)人才可以實現(xiàn)雙方的互利共贏，但是也面臨一些問題。校企合作培養(yǎng)人才過程中企業(yè)更傾向于從自身利益出發(fā)，選擇收益強的工程項目作為合作內容[8]。這使得學生一開始就面臨較難的工程項目，學習難度與攻關技術的難度均較大，很容易導致學生中途放棄。單一人工智能工程項目的合作難以實現(xiàn)對學生人工智能知識與能力的循序漸進、多層次與全方位的培養(yǎng)。

本文以機械工程測試技術課程為教研載體，嘗試將人工智能教育融入工程專業(yè)課程，在機械工程測試技術課程教育中，培養(yǎng)學生人工智能學科知識與實際工程應用能力。通過在機械工程測試技術課程中融入人工智能教育的教學探索實驗，探討在人工智能創(chuàng)新背景下將人工智能融入工程專業(yè)課程中的教育途徑。

1 人工智能教育現(xiàn)狀

隨著近些年人工智能技術的發(fā)展，以及社會對人工智能技術性人才的巨大需求，人工智能教育正在快速進入大學本科教育課程中[9-10]。融入人工智能教育的課程主要有傳感器技術課程、Python 語言課程、自動化類課程、智能機器人技術及其他工科應用課程。在人工智能課程中，理論知識涉及大量積分、微分與偏導方面的數(shù)學知識，學生普遍存在學習困難且不易理解的問題。這導致學生被動接受知識，進而對人工智能課程缺乏熱情，課堂上學生低頭玩手機、相互攀談與玩游戲的現(xiàn)象時有發(fā)生，教師課堂教學質量受到影響。

高校課堂中關于人工智能的教育更多地偏向理論知識，缺乏涉及工科相關領域的人工智能實踐課程。實踐實訓類人工智能課程的缺失，導致學生不能深入理解所學理論知識，并且不能應用軟件實現(xiàn)人工智能實際工程應用實例，這與產教融合的教育理念背道而馳。這導致學生缺乏人工智能工程素質能力，教學效果與實際工程嚴重脫節(jié)，學生缺乏學習人工智能課程的內在動力，老師教學授課的實際效果較差。盡管國內高校在人工智能教育的理論知識教學方面表現(xiàn)得十分優(yōu)異，但是人工智能領域近幾年迎來了井噴式發(fā)展，與人工智能相關的理論知識邊界得到更廣泛的擴展?，F(xiàn)有人工智能理論課本與教學內容跟不上當前人工智能理論的發(fā)展。人工智能理論知識與當前先進人工智能技術的脫節(jié)，造成學生學習的知識無法滿足未來工作中的實際需求，使得學生對人工智能理論知識學習毫無興趣。高校教師應當實時跟進人工智能行業(yè)的理論與企業(yè)人工智能先進技術的發(fā)展潮流，每年定期更新人工智能教材的理論知識，保證教材知識與質量與時俱進。

人工智能教育目前缺乏與具體工科關聯(lián)的應用實踐案例，多數(shù)停留于理論教學，使得人工智能教育與工程技術課程聯(lián)系不夠緊密。實踐應用案例的缺乏不僅讓教學課堂枯燥無味，而且增加了學生理解人工智能教學內容的難度，進而造成學生學習人工智能知識困難，并喪失對人工智能的學習興趣與內驅力。應用型本科院校的人工智能教育的主要目的是為企業(yè)培養(yǎng)定向型工程應用人才，因此人工智能教育與實際工程學科課程教育應當建立緊密聯(lián)系，使得培養(yǎng)的人工智能人才能夠滿足企業(yè)的實際用人需求。與人工智能相關的工程應用教學案例的開發(fā)與探索顯得尤為重要，是在工程專業(yè)課程中探索人工智能教育的教學方法與實踐途徑的重要任務。

2 人工智能與機械工程測試技術課程的融合

通過分析人工智能的相關工程應用案例與理論知識，恰當選取人工智能教學內容，既要達到教授學生機械工程測試技術知識的目的，也要與機械工程測試技術案例深度融合。在掌握人工智能理論知識與學科體系的基礎上，設計人工智能在機械工程測試技術課程中的切入點，使得人工智能知識與機械工程測試技術深度有機融合。人工智能教學內容切入點應盡可能滿足學生的積極性，激發(fā)學生學習主動性，既要與機械工程測試技術密切關聯(lián)，也要與企業(yè)工程實踐高度契合。

機械工程測試技術課程中的信號分析與處理方面的內容與人工智能密切相關。目前關于人工智能與測試技術課程相融合的研究范圍非常廣泛，例如：采用人工智能中的長短期記憶網絡或swim transformer網絡實現(xiàn)機械故障信號的分析與檢測；采用人工智能中的RNN 實現(xiàn)人的心電圖的分析與分割；采用人工智能中的支持向量機（Support Vector Machine, SVM）算法實現(xiàn)振動信號的實時監(jiān)測與自動診斷。機械工程測試技術課程中涉及的人工智能的最新應用案例非常廣泛，但是這些先進的研究案例與結果是現(xiàn)有教材中所缺失的。通過在機械工程測試技術課程中融入人工智能教育的實踐與探索，能夠為豐富課程內容提供豐富的素材資料，也能夠促進機械工程測試技術課程內容與時俱進、豐富多彩。

3 在機械工程測試技術課程中融入人工智能教育的教學方法與實踐途徑

3.1 開展人工智能用于機械工程測試技術的案例教學

教師策劃將人工智能應用于機械工程測試技術的教學案例時，既要考慮教學案例與機械工程測試技術教學內容的相關性，也要考慮教學案例與人工智能學科知識的相關性。課堂案例教學中，積極引導學生對機械工程測試技術中人工智能相關知識點的思考，鼓勵學生對案例進行討論，積極發(fā)表自己對案例的理解。人工智能應用于機械工程測試技術中的實際工程教學案例非常廣泛，比如：機床不同部分振動信號的識別、軸承的故障信號的智能診斷識別及其語義分割，機床刀具異常撞擊信號的檢測，汽車雷達信號的分類與識別以及電子鼻氣味傳感器對氣味的檢測等。以軸承故障信號的智能診斷識別及其語義分割為例，一方面給學生講解振動傳感器類型與原理、振動信號的計算機采集原理與方法，以及振動信號的調理等機械工程測試技術相關知識；另一方面講解人工智能神經網絡理論知識、振動測試信號的數(shù)據集制作以及人工智能神經網絡的訓練與預測等人工智能相關知識。通過這些教學案例培養(yǎng)學生應用人工智能理論知識解決實際機械工程測試技術工程問題的能力，也培養(yǎng)學生應用人工智能解決工程問題的思維，激發(fā)學生學習機械工程測試技術課程與人工智能的興趣與內驅力。

3.2 以人工智能工程應用為主題的演講

根據機械工程測試技術課程所涉及工程應用的教學內容，要求學生選擇相關工程應用教學內容作為演講主題，并且演講內容要與人工智能知識點相關聯(lián)。教師指定合理的演講評分細則，通過評分指標規(guī)范演講過程與演講材料制作，培養(yǎng)學生演講能力與語言層次邏輯思維。學生在制作人工智能應用于機械工程測試技術案例的演講PPT 過程中，能夠更加深入地理解人工智能的理論知識，學生的人工智能理論知識的運用與知識文獻查詢能力也會得到提高。人工智能工程應用主題演講的時間設定為10 分鐘，要求演講案例PPT 要圖文并茂，邏輯清晰，內容與人工智能、測試技術課程密切相關。演講的評分核心指標主要包括學生演講內容相關性與質量、學生演講邏輯表達的能力與聽演講學生的投票，按照6 ∶2 ∶2 比例獲得學生演講的綜合成績。

3.3 企業(yè)工程師進入課堂

通過校企合作模式，邀請數(shù)名企業(yè)工程師進入課堂，為同學講解企業(yè)工程案例中如何應用人工智能。比如當前企業(yè)最新產品中如何應用機械工程測試信號的理論知識，同時人工智能技術的應用如何為產品創(chuàng)新力賦能，如何提升產品的智能化程度。通過企業(yè)工程師的案例講解，一方面切實讓學生明白人工智能與機械工程測試技術知識的實用性與價值，激發(fā)學生對這門課程學習的興趣與積極性；另一方面，讓學生感受機械工程測試技術的發(fā)展趨勢與人工智能在解決傳統(tǒng)工程技術問題方面的巨大潛力。企業(yè)工程師親自帶學生體驗工廠，了解機械工程測試技術相關的工業(yè)產品，比如各種傳感器、信號智能分析儀等，切實做到理論與實踐相結合，促使學生對機械工程測試專業(yè)技術形成全方位的了解。企業(yè)工程師對工廠產品的技術分析與解讀，能夠促使教學內容緊跟市場技術動態(tài)與需求，保證學生所學的知識滿足用人單位需求、市場技術發(fā)展與未來工業(yè)產品研發(fā)的需求。

3.4 人工智能融入機械工程測試技術實驗課

在機械工程測試技術實驗課程中設置一個含有人工智能應用相關內容的實驗，比如信號智能分割、信號智能識別、機械故障信號的分類等，實現(xiàn)人工智能與機械工程測試技術課程的深度融合。通過將人工智能融入工程測試技術實驗課程，真正做到理論聯(lián)系實際，讓學生深入了解人工智能運行原理與實現(xiàn)流程。以機械工程測試技術實驗課程中的金屬箔式應變片傳感器為案例，讓學生記錄金屬箔式應變片傳感器電壓信號、裝載金屬箔式應變片的載體形變距離以及箔式應變片阻值變化，將實驗中記錄的數(shù)據制作成人工智能軟件所規(guī)定格式的數(shù)據集，分別采用不同人工智能神經網絡訓練該數(shù)據集，并通過電壓信號預測載體形變距離與阻值變化，與真實值作比較，進而評估不同人工智能神經網絡的性能。在這個機械工程測試技術實驗中，學生既能深度理解金屬箔式應變片傳感器的原理，也能獲得人工智能在工程測試技術中的應用能力；真正讓學生在實驗課中做到學以致用，不僅能夠增強學生對機械工程測試技術課程的興趣，而且能夠讓學生感受到人工智能技術的實用性與前沿性。

3.5 課程考核方法的改進

為了在機械工程測試技術課程中考察人工智能教育的效果，改變傳統(tǒng)機械工程測試技術課程考核方法勢在必行。傳統(tǒng)機械工程測試技術課程考核分數(shù)主要以平時成績與期末考試成績按3 ∶7 比例獲得，忽視了對實踐環(huán)節(jié)的評價。為了在機械工程測試技術課程中考查人工智能教育的效果及學生工程應用的素質能力，課程考核中著重增加過程性評價，過程性評價主要包括學生平時表現(xiàn)、演講表現(xiàn)與實驗實踐表現(xiàn)，降低以往期末考試成績的比重。這將極大程度地激發(fā)學生學習機械工程測試技術與人工智能的熱情與驅動力，避免了學生對平時上課、案例演講與實踐實驗環(huán)節(jié)的敷衍行為與無目標態(tài)度，過程性評價能夠促使每位學生以更認真的態(tài)度與行為狀態(tài)對待本門課程的每一個環(huán)節(jié)。改進后的機械工程測試技術課程考核方法是以平時成績、演講平均成績、實踐實驗成績與考試成績按2 ∶1 ∶2 ∶5 比例得到本門課程總評成績。

4 結 語

在各高校大力推動人工智能教育發(fā)展的背景下，為了培養(yǎng)學生人工智能工程應用能力，促進高校人工智能人才培養(yǎng)方案的完善，以及解決人工智能工程應用人才短缺的問題，本文以機械工程測試技術課程為載體，研究在機械工程測試技術課程中融入人工智能教育的教學方法與實踐途徑，進而探索將人工智能教育融入工程專業(yè)課程的教學方法與實踐途徑。本文研究可以為將人工智能教育融入工程專業(yè)課程提供一些思路，為培養(yǎng)企業(yè)需要的人工智能工程技術型人才提供解決方案。