“人工智能+生產管理”課堂教學模型構建與應用

孫從軍 曾明星 戚利娜 夏瑞潔 付友良

摘? ?要：隨著人工智能在各行各業的廣泛應用，人工智能在教育領域的滲透也越來越深入。為跟上高校課堂教學改革與創新的步伐，吉首大學張家界學院采取校企、校校合作方式引入智能技術，打造智慧校園，開展信息化課堂教學改革，大力推行混合式教學方式。基于學校智慧校園網，研究構建一個“人工智能+生產管理”課堂教學模型，升級改造傳統單一版本下的“生產管理”課堂教學資源，改進教學環境，變革教學方式，提高“生產管理”課堂教學的自動化、感智化與智能化水平，提升學生學習“生產管理”課程的興趣與效率。

關鍵詞：人工智能;生產管理;“智能+”課堂教學模型;互動式課堂教學;個性化學習

1? ? 問題的提出

隨著谷歌圍棋機器人AlphaGo、IBM沃森的智能診斷、科大訊飛的智能翻譯、阿里的AI智能閱卷以及軟銀的情感識別智能機器人Pepper等人工智能技術的不斷發展和應用，人工智能已成為21世紀世界各國關注的熱點和引領未來的前沿性與戰略性技術。為在新一輪的國際科技競爭中占據制高點，掌握主導權，美國、日本、德國、中國等紛紛推出各種舉措搶占先機，不僅發布了人工智能發展戰略規劃，還投入巨額資金用于人工智能的研發和應用。推動人工智能的發展離不開人才這一載體，人才的培養與輸出關鍵在于高校的課堂教學，各大高校為此開始加快建設智能課堂教學的步伐，在基于人工智能、大數據、云計算以及新一代的互聯網技術支撐下構建“主導—主體”交互式學習的數字生態化教學空間。針對傳統“一個版本”教學帶來的重理論、輕實踐，重知識講授、輕能力培養，忽視學生個性化，“學”、“用”脫節等一系列問題，吉首大學張家界學院（簡稱張院）與企業合作升級打造了全覆蓋的智慧校園，建立了智能OA移動辦公系統，啟動了6門校級線上精品課程的自主開發，并外購了“運營管理”和“商務統計”等多門線上課程，實行混合式教學，在學校智慧校園建設的基礎上，研究構建一個“人工智能+生產管理”課堂教學模型，升級改造“生產管理”課堂教學資源，改進課堂教學方式，進一步帶動學院智慧課堂教學改革的深入，培養適應人工智能時代的應用型管理人才，滿足未來企業與社會發展的需要。

2? ? 文獻綜述

人工智能應用于教育領域改變了英語、體育、會計、管理、法律、醫學等專業的傳統課程課堂教學方式，如翻轉課堂和MOOC的出現逐步改變了傳統的學習方式、時空和師生之間的互動關系。隨著計算機強大的計算能力、日趨成熟的算法以及人工智能模型發展，人工智能將可以突破翻轉課堂及MOOC的“認知天花板”[1]，實現學習者的深度學習和個性化學習[2]，形成教育人工智能支持下的STEM跨學科融合模式[3]，全面培養學生的信息素養[4]，構筑“人工智能+教育”的泛在學習生態系統[5]，開設虛擬現實學習中心讓學生可以進一步學習相關知識[6]。

伴隨著美國《國家人工智能研究和發展戰略計劃》、日本《下一代人工智能/機器人核心技術開發計劃》、德國《人工智能戰略計劃》以及中國《“互聯網+”人工智能3年行動實施方案》和《新一代人工智能發展規劃》[7]文件的相繼出臺，人工智能與課堂教學的融合發展將會越來越深入。AI的自動解題和智能授課APP的應用發展，不僅可以自動求解、生成解題步驟、輔助學生答題解疑，還可以根據學生的思維習慣進行特征提取，評估學生表現與其互動，精準推送并在線講解學生欠缺的知識，引領學生高效自主地學習。另外，可以幫助教師批改作業、評閱試卷、自動生成試卷分析表，便于教師及時掌握學生易錯知識情況，改進課堂教學方法，及時更新課堂教學內容，滿足學生日益個性化的學習需求[8]。未來將是人機共教的時代，新型智能教室和智能學習空間是未來教室變革的趨勢，是實施高效教與學的重要基礎[9]。在人工智能高速發展的新時代，高校要聚焦培養人這一根本使命，基于智慧課堂理論與實踐成果，打造基于智能信息技術一體化的智慧課堂智能化教學服務平臺和體系[10]，實現云平臺的教學資源共享，全過程的課堂教學動態評價，支持教室局域網和多終端投屏，提供師生使用的終端應用工具。基于課堂教學互動理論與實踐成果，可將搶答、抽答、測試、討論、投票、分組、匯報等互動形式[11]融于超星學習通、雨課堂、課立方、E-ducation等互動工具中，以解決當前課堂教學互動類型單一、師生互動主權不均等、互動深度及互動頻率不夠等現實問題。

對人工智能應用教育的學術文獻進行相關梳理與分析，明確了未來生產管理課堂教學的目的與發展方向，為構建“智能+生產管理”課堂教學模型提供了堅實的理論與方法支撐，但現有研究還存在智能化課堂教學服務平臺系統的集成鏈接功能弱小，與終端互動工具的兼容性有限，下課不下線的全員全過程全方位教學動態監管評價性能低、缺乏自動化感知學習者行為表現并進行特征提取與預警通知及干擾功能等方面的不足，需要對本課題進行研究。

3? ? 傳統單個版本“生產管理”課堂教學的主要問題

“生產管理”是研究社會組織如何將資源有效地轉換為滿足顧客需求的產品或服務的學科，具體是指一門研究如何應用有效的管理方法，將制造或服務企業的有限資源高效集成，為用戶提供滿意產品和服務的增值過程的管理課程。該課程實踐性、應用性強，具有一定的深度和廣度。傳統“單個版本”、“生產管理”課堂教學的資源匱乏、內容抽象、方式單一、師生互動少、學生學習興趣低、學后難以致用的問題隨著人工智能在教育領域的滲透與深入顯得越發突出。

3.1? 課堂教學資源匱乏，無法適應差異化教學

傳統的“生產管理”課堂教學資源主要來源于學校每一學期所選購的教材。教材的更新周期一般比較長，原有的教材內容往往跟不上時代日新月異的發展變化，在面對每一屆學生實施課堂教學時，年復一年地重復原有的教材內容，難以讓學生更好地理解并對所學內容舉一反三。每一屆學生中每個學生的學習能力各不相同，也需要教師選用不同的教學資源循循善誘。依據教育教學理論與規律，教師授之學生一滴，事先需自備一桶。教師僅憑自己借助網絡或圖書館查找教學資源難以保證與所講內容完全匹配，也難以達到生動、有趣的教學效果，課堂教學的深度與廣度會大打折扣，無法適應差異化教學，滿足學生的個性化學習需求。

3.2? 課堂教學方式單一，難以全面培養學生的信息素養

傳統單一版本的“生產管理”課堂教學往往重理論、輕實踐，重知識講授、輕能力培養，“學”與“用”脫節。在允許學生攜帶智能手機進課堂的互聯網沖擊下，“傳統板書+多媒體”教學的線下課堂授課方式正成為“過去式”，一群不愛學習、畏懼學習或是自控能力弱的學生在手機游戲的誘惑下逐漸變為“低頭族”。課堂“低頭族”的出現，使得教師原有的自信心和熱情銳減，自然會影響教師課堂教學的積極發揮，不利于全面培養學生的信息素養。

3.3? 課堂師生互動頻率低，無法融洽師生關系

傳統“單個版本”、“生產管理”的課堂教學基本上是教師占據主導地位，學生在課堂上處于被動位置，教師在前面講，學生在下面聽，這種填鴨式的課堂教學使得師生互動頻率低，課堂氣氛沉悶、壓抑、不活躍。進入信息化時代，師生都能利用各種通信工具實時獲取“生產管理”課堂教學內容方面的信息，徹底打破了原有的信息不對稱壁壘，教師傳統的角色再不及時調整，師生互動頻率只會更低，師生關系愈發難以融洽。

3.4? 課程內容抽象，學生學習興趣低

“生產管理”課程內容抽象，需要學生具備比較扎實的理工基礎，培養邏輯思維，擁有較強的信息技術知識和能力。在傳統“單個版本”的課堂教學方式下，經濟管理專業的學生大多文科出身，理工基礎薄弱，學習能力參差不齊，學習起來感到很吃力，學生對此課程的學習興趣往往比較低，需要及時改革傳統“單個版本”的課堂教學方式，提高學生學習“生產管理”課程的興趣。

4? ? “人工智能+生產管理”課堂教學模型的構建

為解決上述課堂教學資源匱乏、授課方式單一、師生互動頻率低以及課程內容抽象，學生學習興趣低的問題，基于學院升級改造的校園智慧網WLAN的支撐和與廣州英荔教育集團合作推廣使用的E-ducation在線學習平臺，與達內集團合作投入運營的虛擬仿真實訓平臺以及與正方集團合作開發使用的OA系統管理平臺，再加上用戶的電腦和智能手機，將這些人工智能技術和設備融合應用在“生產管理”課堂教學中，便可以構成一個方便、經濟、實用的“人工智能+生產管理”課堂教學模型（見圖1）。

4.1? “人工智能+生產管理”課堂教學模型的構成要件

“人工智能+生產管理”課堂教學模型由硬件和軟件系統兩大部分構成。硬件主要有計算機、網卡、集線器、路由器、掃描器、教學終端設備、無線射頻識別技術（RFID）等[12]。軟件由OA系統管理平臺、人工智能虛擬仿真實訓平臺、人工智能課堂教學系統、用戶登錄界面的電腦和智能手機等軟件系統和E-ducation APP、管理員后臺管理系統、教師課程管理系統、學生在線選課、學習和考試系統等應用軟件組成。

4.2? “人工智能+生產管理”課堂教學模型的功能特點

“人工智能+生產管理”課堂教學模型是一個集整體性、集成性、鏈接性、兼容性的全員、全過程、全方位自動化感知學習者行為表現并進行行為特征提取與預警干擾功能的嵌入智能化生產管理仿真虛擬技術的課堂教學動態管理系統。該系統可以運用人臉識別技術與大數據分析，對學生進行課堂考勤，及時了解跟蹤、記錄、分析學生的課堂學習狀態，實時改進課堂教學方式，實現教師的差異化教學與學生的個性化學習。借助虛擬現實技術，對生產管理全過程進行仿真模擬，讓學生沉浸在身臨其境的智能企業生產管理環境中，激發學生的學習興趣。能夠幫助學生在線選課、在線學習、在線考試、在線咨詢、自動答疑、自動生成實訓數據表、實訓報告、實訓成績單以及實訓成績分析表等。還能基于學生平時學習的行為進行特征提取，實現學習資源的自動推送，引導學生自適應學習。

4.3? “人工智能+生產管理”課堂教學模型的應用

在全覆蓋式的校園智慧網WLAN和OA系統管理平臺鏈接學院各個職能部門的信息管理系統支撐下，師生可以通過學院的網站主頁進入信息門戶，也可以通過移動校園APP注冊、登錄，查看、上傳、下載所需的文件、文檔等信息資料。師生還可以通過電腦端進入主頁E-ducation網站或是通過E-ducation APP進行注冊和登錄，選擇對應的系統再次輸入賬號和密碼進入，找到對應的信息資源，學生可以在線選課、學習、考試，教師可以在線備課、授課、閱卷，管理員可以在線監督與管理課堂教學實況。此外，師生還可以自由鏈接超星學習通APP或是雨課堂和課立方，只要輸入賬號和密碼進入超星學習通或是雨課堂和課立方，就可以利用電腦或手機創建（加入）課程和班級，就可以在課堂上投屏顯示所授的課件、視頻、文檔等資源，學生利用智能手機掃一掃功能可以在線掃二維碼或輸入班級邀請碼進入班級，再畫手勢簽到完成考勤，課堂上隨機提問、選人抽答、討論、搶答、測試、投票、分組、匯報等師生互動環節可以瞬間完成，并能自動生成可視化的課堂教學效果圖，方便師生對每一堂課進行反思與改進。

管理員系統即后臺管理系統由監督管理系統和應急管理系統組成。具有管理員身份的教師能有此權限進入。監督管理系統設置有課程管理、課程選購、直播管理、視頻管理、平臺費用、基本設置、權限管理、操作日志等功能。應急管理系統設置有對師生課堂突發狀況的預警、跟蹤、分析、干擾等功能。授課教師查看學生學習的進度，只需點擊課程管理就會出現課程列表，課程列表中就可以出現課程圖片、課程名稱、授課教師、助教、開課時間、操作，接下來再點擊操作按鈕，便可以查看學員和課程報表，了解到學生學習課程的實際進度。

教師系統即課程管理系統包括在線備課、授課和閱卷系統，進入在線備課系統便可以編輯“教學大綱”，運用拖放工具快速、有序地創建課程內容，可以按星期或學期發布課程內容，通過點擊可以添加視頻、課程討論以及習題等。題庫除了涵蓋單項和多項選擇題之外，還支持數十種題型。通過多媒體、HTML和練習題等方式幫助學生理解課程知識點。授課教師還可與共同作者以及其他團隊成員一起創建課程，在即時修改問題后只需點擊“保存”按鈕就可以將原有的課程內容更改上線，優化課程。在線授課只需利用校園一卡通刷一下RFID智能講臺，鏈接主頁E-ducation網站，選擇在線授課系統再次輸入賬號和密碼便可在線開始授課和章節測試，選擇在線閱卷系統再次輸入賬號和密碼便可在線評閱學生考試試卷，自動生成學生成績單與試卷分析表，點擊鏈接便可將學生成績導入學院教務系統，輸入課程密碼便可以完成本課程學生學習成績的錄入與提交。

學生系統設置有在線選課、學習和考試3個子系統。學生通過設置好的賬號和密碼可以借助電腦或手機進入在線選課系統或學習系統或考試系統，在該系統界面，可以發現已為學生精準推送的課程，只要點擊課程名稱即可選課、學習或考試，內有課件、討論、資料、公告、試卷這些功能。點開課件，可查看視頻和作業。加入討論，可以搜索到所有的帖子，也可以創建自己的帖子，還可以回復別人的帖子，便于師生、生生互相溝通、幫助和成長。打開資料，學生可直接下載視頻、文檔等課程學習資料，以視頻或PDF的格式保存在電腦或手機里，方便學生回看與復習沒有理解的內容。點擊考試，就可以進入考試界面，看到自動隨機生成的“生產管理”課程考試試卷，按考試卷面要求有序作答，答題完畢，只需點擊提交和確認按鈕就可以退出考試系統。

“人工智能+生產管理”課堂教學虛擬仿真實訓平臺設置有智能化生產管理虛擬仿真系統、管理員系統、教師系統、學生系統，并與人工智能課堂教學系統相鏈接。智能化生產管理虛擬仿真系統由資源層、感知層、虛擬層和應用層構成。師生只要點擊人工智能課堂教學系統，選擇智能化生產管理虛擬仿真系統輸入賬號和密碼注冊、登錄，就可以仿真模擬生產運營管理過程。在此過程中遇到自己不能解決的異常問題時可以在線求助管理員系統，系統可自動測試、答疑、預警、跟蹤、分析與干擾。虛擬生產運營管理過程完成時，系統自動生成各種實訓數據表、實訓報告、實訓成績單以及實訓成績分析表，師生只需點出導出按鈕便可以選擇上傳、另存或是打印。

總之，“人工智能+生產管理”課堂教學模型不僅可以解決傳統單一版本下的“生產管理”課堂教學問題，還可以為學院的信息化課堂教學改革與創新提供相關參考。

5? ? 完善“人工智能+生產管理”課堂教學模型的建議

從實際應用“人工智能+生產管理”課堂教學模型的情況來看，學院還需要做好以下工作。

5.1? 不斷升級改造校園智慧網

目前，學院的校園智慧網雖然可以覆蓋各個教學樓，但是仍有極少部分教室如2442教室處于斷網狀態，不能進行線上“運營管理”課程的收看和講授，影響線上線下同步講授課程內容的進度和效果。另外，師生同時用網時，網速特別慢，上傳課件等資料時總是不停地打圈圈，有時甚至連網頁也打不開。因此，學院要不斷地升級改造校園智慧網，增加上網容量和提高上網速度，以保證師生順利地完成人工智能+生產管理課堂教學的應用與實踐任務，推進學院的智慧校園和智慧課堂建設。

5.2? 增強學院系統管理平臺的鏈接功能

自本學期試行“生產管理”課程的混合式課堂教學方式以來，發現在課堂教學中難以自由地鏈接和轉換E-ducation和超星學習通功能。在使用E-ducation在線學習平臺進行線上收看視頻后，無法利用智能手機上下載的E-ducationAPP進行投屏顯示，學生無法掃碼簽到以及進行搶答、抽答、測試、討論、投票、分組、匯報等形式的互動，智能手機上的E-ducationAPP只能在校園智慧網WLAN支撐下進行觀看、測試和咨詢，無法與電腦端鏈接，進行班級創建、邀請加入、投屏互動、上傳資料或是查找與“運營管理”課程相關的課堂教學資料。超星學習通功能齊全，可以做到智能手機與電腦的鏈接，但是不能直接與E-ducation鏈接，運用其功能直接投屏展示E-ducation上的課程視頻、課件、測試等內容，實現師生的在線交互式學習。基于這些實際問題，學院應不斷增強OA系統管理平臺的集成、兼容與鏈接功能，改善“生產管理”課程混合式課堂教學效果。

5.3? 為教師提供相應的技術培訓和服務

為從根本上解決課堂教學資源匱乏、課堂授課方式單一以及師生互動頻率低的問題，真正應用好“人工智能+生產管理”課堂教學模型，一是需要學院因勢利導，引進虛擬現實技術及可穿戴設備，把企業搬進課堂，讓學生直觀地全方位地學習“生產管理”，正確引導學生利用智能手機和可穿戴設備進行生產管理，采取“導”把學生“低頭族”盡力轉變為學生“抬頭族”。二是需要學院加大投入力度為任課教師提供相應的技術培訓和服務。教師只有通過觀摩學習優秀教師的課堂教學，才能不斷地創新自身的課堂教學思維方式、方法，利用好現有的智能技術與設備，豐富完善課堂教學內容，深入淺出地講解，增強師生互動頻率，融洽師生關系，全面培養學生的信息素養與技能。

6? ? 結語

人工智能在教育領域的日益滲透與深入，為人工智能用于生產管理課堂教學的研究與實踐創設了強感知、高交互[13]、泛在的學習環境。未來人工智能技術與教學內容、教學媒體和知識傳播路徑的多層次融合，將會提供跨學科、跨媒體、跨時空的智能教育服務，成為“人人皆學、處處能學、時時可學”的“主導—主體”[14]交互式的數字生態化學習空間。為順應時代發展趨勢，學院應立足現實，因勢利導，開展“人工智能+生產管理”課堂教學改革與創新，借助OA系統管理平臺和智能化的生產管理仿真虛擬實訓平臺，設計情境式的項目任務[15]，培養學生的創新思維能力，讓學生在仿真虛擬的生產管理過程中逐步掌握智能時代必備的信息技術和素養。

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