基于“人工智能”的機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程探索研究

駱雪匯

[摘? ? ? ? ? ?要]? 本課程基于人工智能背景，面向機(jī)電工程類專業(yè)，對(duì)機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的建設(shè)進(jìn)行探索和創(chuàng)新研究。介紹了當(dāng)今人工智能的發(fā)展?fàn)顩r以及機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的現(xiàn)存問題，結(jié)合機(jī)電專業(yè)特征，探索課程的設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)新特色，為高職院校機(jī)電專業(yè)學(xué)生的專業(yè)綜合技能學(xué)習(xí)提供了一種更加有效的教學(xué)創(chuàng)新模式。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 人工智能;機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì);教學(xué)創(chuàng)新

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）51-0061-03

近年來(lái)，人工智能技術(shù)迅速發(fā)展并取得重大突破，成為引領(lǐng)全球科技和產(chǎn)業(yè)革命的代表性技術(shù)，是推動(dòng)人類進(jìn)入智能時(shí)代的決定性力量。在人工智能技術(shù)的浪潮下，其在推動(dòng)高職院校的教學(xué)和創(chuàng)新改革等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

與此同時(shí)，提升機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力是機(jī)電專業(yè)教學(xué)改革的必然要求。課程建設(shè)應(yīng)符合高職教學(xué)改革的要求，順應(yīng)課程教學(xué)改革的趨勢(shì)。為符合課程學(xué)習(xí)對(duì)象的知識(shí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)將機(jī)電專業(yè)培養(yǎng)方案中的專業(yè)技能課程加以整合，形成一門新的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)課程。機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是機(jī)電工程師必須具備的思維方式和能力素養(yǎng)，而且以創(chuàng)新為核心的設(shè)計(jì)則是人工智能技術(shù)應(yīng)用浪潮下的關(guān)鍵內(nèi)容。因此，對(duì)于機(jī)電專業(yè)的課程建設(shè)而言，以強(qiáng)化機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為導(dǎo)向，基于人工智能技術(shù)進(jìn)行課程目標(biāo)重建、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、調(diào)整課程內(nèi)容等方面的課程改革勢(shì)在必行。

一、課程教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀與存在的問題

機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程是高職機(jī)電類專業(yè)技能拓展課，而且是實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用型課程。能夠進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)和編寫控制程序形成軟硬件綜合應(yīng)用的控制系統(tǒng)。在人工智能時(shí)代背景下，對(duì)于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這門課程作為一門重要的專業(yè)技能綜合應(yīng)用課程，對(duì)培養(yǎng)工科學(xué)生的應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維，起到至關(guān)重要的影響。該課程的任課教師，需結(jié)合機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程性質(zhì)和機(jī)電類專業(yè)學(xué)生的知識(shí)特點(diǎn)要求，去研究新的教學(xué)理念和教學(xué)模式。最終，形成一套適合當(dāng)今人工智能時(shí)代背景下高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。

而現(xiàn)今多數(shù)高職院校，一方面在機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程中一直沿用傳統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，另一方面高職院校專業(yè)的學(xué)生在控制系統(tǒng)應(yīng)用及編程設(shè)計(jì)方面又存在明顯的不足，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可能會(huì)覺得編程的教學(xué)內(nèi)容比較抽象，這門課程成為一個(gè)教學(xué)“瓶頸”。最后，就是課程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與人工智能教育存在著較大的脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生在設(shè)計(jì)課程作品上積極性不高，只為完成課程設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)。由此也導(dǎo)致老師的教學(xué)動(dòng)力不足，在后期的教學(xué)中形成惡性循環(huán)。

二、課程理念與探索

通過(guò)課程問題分析，因此圍繞“培養(yǎng)掌握機(jī)電專業(yè)知識(shí)，有團(tuán)隊(duì)合作精神，并具有較強(qiáng)的實(shí)踐和創(chuàng)新意識(shí)的創(chuàng)新型技術(shù)人才”的課程目標(biāo)，針對(duì)課程知識(shí)交叉、機(jī)電應(yīng)用綜合的課程特色，以強(qiáng)化學(xué)生的機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為課程目標(biāo)。融合傳統(tǒng)的機(jī)電課程體系，打造延續(xù)性和銜接性強(qiáng)，打破課程學(xué)時(shí)數(shù)少的限制，有效地提高學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，形成機(jī)電專業(yè)優(yōu)質(zhì)專業(yè)能力拓展課程。具體探索如下：

（一）優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容和銜接關(guān)系

在新修訂的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中，新教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)綜合“C語(yǔ)言”“電子電路設(shè)計(jì)”“單片機(jī)技術(shù)”等前修專業(yè)技能課程，從機(jī)電專業(yè)內(nèi)涵、專業(yè)核心技能知識(shí)出發(fā)，對(duì)這門課程的內(nèi)容與項(xiàng)目銜接關(guān)系進(jìn)行規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，制訂并不斷優(yōu)化課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，循序漸進(jìn)地深入和拓展機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，并不斷融入機(jī)電專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新知識(shí)與技術(shù)發(fā)展。

同時(shí)，基于“人工智能”的課程理念必須在教學(xué)實(shí)施中體現(xiàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用的特征，并符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求。因此，面對(duì)大部分學(xué)生對(duì)人工智能概念模糊的情況，課程內(nèi)容構(gòu)建采用項(xiàng)目化教學(xué)模式。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，項(xiàng)目化設(shè)計(jì)的教學(xué)理念突出以學(xué)生為中心，對(duì)于基于“人工智能”的專業(yè)拓展課程非常適合，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣，同時(shí)還具有課程項(xiàng)目安排靈活和教學(xué)任務(wù)內(nèi)容清晰等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)施過(guò)程中，構(gòu)建基于“人工智能”的課程項(xiàng)目化教學(xué)模式應(yīng)滿足：理論與實(shí)踐一體化。基于“人工智能”的課程教學(xué)目標(biāo)必須打破傳統(tǒng)課程理論與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，或者是實(shí)踐教學(xué)薄弱的情況，應(yīng)把實(shí)踐教學(xué)放在更加突出的位置。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，增加更多和人工智能相關(guān)的并且具有創(chuàng)新性的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)模塊。

（二）優(yōu)化課程教學(xué)模式

在課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革優(yōu)化，通過(guò)加強(qiáng)實(shí)踐來(lái)支撐課程教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生掌握課程知識(shí)的程度，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)“知行合一、學(xué)以致用”，達(dá)成本課程教學(xué)目標(biāo)。為此，基于“人工智能”的教學(xué)模式構(gòu)建，精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，在課程教學(xué)中提高創(chuàng)新項(xiàng)目的參與程度。

高職院校信息化建設(shè)越來(lái)越成熟，特別是線上線下混合教學(xué)模式得到廣泛應(yīng)用。基于“人工智能”的混合教學(xué)模式在理論教學(xué)方面，可以根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)、能力、目標(biāo)等不同，混合不同教學(xué)理論來(lái)完成不同的教學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)式的探索學(xué)習(xí)。在教學(xué)資源應(yīng)用方面，除了課堂教學(xué)外，可以借助校園網(wǎng)的在線課程，豐富課堂知識(shí)，依托智能教學(xué)平臺(tái)因材施教、因需而學(xué)，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，還可以借助VR技術(shù)進(jìn)行“跨時(shí)空”學(xué)習(xí)。線上線下融合以及虛擬仿真的教學(xué)模式，不僅充分發(fā)揮了人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，而且增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。最后，在學(xué)習(xí)方式方面，傳統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)方式經(jīng)常是學(xué)生獨(dú)立完成項(xiàng)目，而在應(yīng)用人工智能的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生或小組間的交流與協(xié)作變得簡(jiǎn)單容易，為學(xué)習(xí)討論、團(tuán)隊(duì)協(xié)作提供了空間。基于“協(xié)作”理念建立學(xué)習(xí)小組，可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中相互激勵(lì)、共同探索完成課程項(xiàng)目，能顯著提高學(xué)習(xí)效果。

（三）改革教學(xué)方法

倡導(dǎo)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，強(qiáng)調(diào)智能教具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并根據(jù)課程特色，以玩具教具為項(xiàng)目切入點(diǎn)，能有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)興趣。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，一系列以此為載體的學(xué)習(xí)工具也已出現(xiàn)，特別是與人工智能相關(guān)的機(jī)器人教育教具，已越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們身邊。這類教具通常包含了智能編程、VR虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、智能化場(chǎng)景、人機(jī)交互等技術(shù)，以智能機(jī)器人為載體。因此本課程可以借助本載體進(jìn)行線上編程等相關(guān)教具產(chǎn)品開發(fā);或在傳統(tǒng)教具基礎(chǔ)上，創(chuàng)新加入智能化模塊與元件進(jìn)行硬件產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的人工智能思維和產(chǎn)品創(chuàng)新能力。

同時(shí)，編程是進(jìn)入AI教育的第一步。學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)軟硬件的科技前沿應(yīng)用，了解人工智能應(yīng)用的方法和原理，通過(guò)趣味性編程課程調(diào)動(dòng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣，最終順利完成機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，達(dá)到培養(yǎng)人工智能素養(yǎng)人才的課程目標(biāo)。課程所應(yīng)用的主要編程語(yǔ)言可以有Python、Scratch、C語(yǔ)言等。Python 簡(jiǎn)單易學(xué)，將算法和語(yǔ)言結(jié)合，對(duì)培養(yǎng)編程基礎(chǔ)差的高職學(xué)生的人工智能編程能力和計(jì)算思維有明顯的效果。

（四）構(gòu)建基于“人工智能”的教學(xué)管理與評(píng)價(jià)模式

傳統(tǒng)的課程考核通常是在期末進(jìn)行一次性考核，考核評(píng)價(jià)方式通常為：平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)各占一定比例。平時(shí)成績(jī)主要考查學(xué)生課堂練習(xí)、課后作業(yè)、實(shí)訓(xùn)結(jié)果等學(xué)習(xí)情況;期末考試則以閉卷方式進(jìn)行。這樣的考核評(píng)價(jià)方式往往是側(cè)重于理論考核，對(duì)實(shí)踐能力考核不夠，不利于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生真實(shí)掌握技能的情況和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，特別是對(duì)于專業(yè)技能拓展課程。為此，采用新的教學(xué)理念和考核方式來(lái)優(yōu)化課程考核和評(píng)價(jià)，重點(diǎn)是要利用好高職院校智慧校園建設(shè)的現(xiàn)有成果，充分發(fā)揮人工智能技術(shù)在教學(xué)管理與考核評(píng)價(jià)中的作用。

課程教學(xué)管理模式要向信息化、精準(zhǔn)化方向努力。信息化管理是人工智能時(shí)代最直接有效的管理方式，依托學(xué)校智能教學(xué)管理平臺(tái)，課程教學(xué)可以對(duì)學(xué)生課程教學(xué)信息進(jìn)行更多形式的數(shù)據(jù)量化，并進(jìn)行客觀比對(duì)分析、總結(jié)，為任課教師進(jìn)行教學(xué)管理決策提供數(shù)據(jù)參考，大大提高了教學(xué)決策的科學(xué)性。同時(shí)也可以通過(guò)深度分析教學(xué)數(shù)據(jù)，能夠更全面、客觀地檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果，達(dá)到信息資源的精準(zhǔn)智能分析和采用。教學(xué)評(píng)價(jià)需多元化、客觀化，傳統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)模式通常形式單一、指標(biāo)僵化，多以書面評(píng)價(jià)為主，不能充分反映實(shí)際教學(xué)效果。而依托校園智能教學(xué)管理平臺(tái)，實(shí)施多元化的數(shù)據(jù)量化評(píng)價(jià)。比如除任課教師評(píng)價(jià)外，另可以在校園智能教學(xué)管理平臺(tái)增加學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)的評(píng)價(jià)過(guò)程，具有方便快捷、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。除此之外，利用數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段的課程學(xué)習(xí)表現(xiàn)、成績(jī)等信息，進(jìn)而達(dá)到教學(xué)評(píng)價(jià)的實(shí)時(shí)性，更及時(shí)有效地反饋學(xué)生關(guān)于課程學(xué)習(xí)效果和評(píng)價(jià)的課程信息，最終更有針對(duì)性地進(jìn)行施教。

三、課程作品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特征

（一）趣味性

在以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)過(guò)程中引入趣味設(shè)計(jì)的方法，在設(shè)計(jì)中將課程教學(xué)內(nèi)容和課程交叉融合，并與生活相關(guān)的問題結(jié)合，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。興趣是最好的老師，將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。寓教于樂的教學(xué)形式可讓學(xué)生在創(chuàng)新、合作、分享、制作中獲得成就感。更進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，刺激他們探索學(xué)習(xí)的思維能力。因此，智能教具設(shè)計(jì)的趣味性就顯得更加重要了。從創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，如何通過(guò)設(shè)計(jì)輕松的方式來(lái)達(dá)到最終的教學(xué)目標(biāo)，就必須讓機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有智能性和趣味性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重點(diǎn)考慮怎樣驅(qū)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是要“好玩”，只有“好玩”學(xué)生才能容易接受，才能提升學(xué)生編程的學(xué)習(xí)動(dòng)力，才能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的良性發(fā)展，進(jìn)而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果，最終達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)。

（二）開放性和協(xié)作性

課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅提供一種有趣的教學(xué)方式，而且需要開放思維和小組協(xié)作。鼓勵(lì)學(xué)生在開放理念下DIY，實(shí)現(xiàn)他們的想法或創(chuàng)意。這就要求學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多樣性，根據(jù)自己的想法去探索、創(chuàng)造各種可能的機(jī)電產(chǎn)品，鼓勵(lì)他們充分發(fā)揮想象，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，讓課程作品創(chuàng)意暢通無(wú)阻。創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)是以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向，通過(guò)問題引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐解決，在解決問題的過(guò)程中掌握課程知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合科學(xué)的方法探索通過(guò)不同的方法去解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的問題，用創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維來(lái)激發(fā)學(xué)生的想象空間。

同時(shí)提倡學(xué)生在課程設(shè)計(jì)時(shí)相互協(xié)作，探索式解決問題，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的協(xié)作意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神也得到了加強(qiáng)。

（三）創(chuàng)新性

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中可以促進(jìn)課程知識(shí)的融合，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的作品展現(xiàn)學(xué)習(xí)的效果，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)與能力的掌握情況。將知識(shí)有趣、合理地滲透到智能教具產(chǎn)品中也是必不可少的，符合了課程教學(xué)改革“玩中學(xué)、學(xué)中做”的新模式。實(shí)踐創(chuàng)新與理論學(xué)習(xí)知識(shí)是相輔相成的關(guān)系，學(xué)習(xí)過(guò)程以實(shí)踐創(chuàng)新作品形式來(lái)體現(xiàn)，實(shí)踐作品以學(xué)習(xí)知識(shí)為目標(biāo)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的智能教具必須以促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力發(fā)展為宗旨，創(chuàng)設(shè)一種探索問題式的情境和積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)氣氛。

將新技術(shù)與教學(xué)相融合，作為本課程教學(xué)改革的內(nèi)容和手段。新技術(shù)的利用可以讓學(xué)生解決問題的方法多樣化，充分激發(fā)和加速學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程，讓課程設(shè)計(jì)創(chuàng)意得到傳播，并在其他課程分享，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用新技術(shù)解決問題和深度學(xué)習(xí)的能力。

四、課程的實(shí)施和總結(jié)

在本課程實(shí)施過(guò)程中，以智能教具為主要載體的課程教學(xué)設(shè)計(jì)不僅包含必要的基本專業(yè)知識(shí)，而且通過(guò)教具的輔助，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和探索、歸納能力。智能教具主要由編程機(jī)器人和編程板這兩部分組成，編程板上設(shè)有各種顏色、圖標(biāo)化、可觸摸指令模塊，即編程塊。通過(guò)對(duì)編程塊的編程調(diào)用來(lái)達(dá)到控制智能機(jī)器人的目的。

學(xué)生通過(guò)完成具體硬件設(shè)計(jì)，感受植入程序后產(chǎn)品功能的實(shí)際操作，學(xué)習(xí)智能化工作原理。如在智能機(jī)器人小車制作項(xiàng)目中，先用杜邦線連接液晶屏、驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊和Arduino 主板等，在相關(guān)資源網(wǎng)站獲取或自行編寫路徑運(yùn)動(dòng)控制代碼，然后將程序代碼編譯并寫入，完成后即可完成智能小車的控制展示。在這個(gè)項(xiàng)目制作過(guò)程中，學(xué)生能夠接觸軟硬件，理解代碼在硬件設(shè)備中的控制原理，能夠很好地了解智能控制方法和原理，形成關(guān)于人工智能的認(rèn)知。

培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生理解人工智能的概念。培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)技能，將機(jī)電專業(yè)技能課程結(jié)合起來(lái)，通過(guò)機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)了解人工智能的本質(zhì)、體驗(yàn)人工智能的樂趣。讓學(xué)生自主思考如何創(chuàng)新，培養(yǎng)邏輯思維和創(chuàng)造力，提升編程和智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用能力，即是本課程的最終學(xué)習(xí)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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◎編輯 張 慧