基于人工智能場域的智能制造專業群新型教學體系構建

唐立偉 龍育才 朱冬

摘? 要 人工智能（AI）助力制造向智造轉變，傳統的教學體系已經無法滿足制造企業對創新型、復合型智造技術技能人才的需求。基于智造新的人才需求，融合物聯、數聯、智聯信息技術，從智能教學平臺打造、“人工智能+X”人才培養模式改革、數字化教學資源體系構建、實訓基地智能化改造四個方面進行創新，最終形成“一平臺、一模式、一體系、一基地”的智能制造專業群新型教學體系，為教師和學生提供多元化、個性化的教與學。

關鍵詞 智能制造專業群;人工智能;智能教學平臺;智能校園;智慧教室;數字化教學資源體系;實訓基地

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）20-0037-04

Construction of New Teaching System for Intelligent Manufac-turing Professional Group in Artificial Intelligence Field//TANG Liwei， LONG Yucai， ZHU Dong

Abstract Artificial intelligence helps the transformation from manu-facturing to intelligent manufacturing. The traditional teaching sys-tem has been unable to meet the needs of manufacturing enterprises?for innovative and compound intelligent manufacturing technical?talents. Based on the new talent demand of intelligent manufacturing，?integrating the information technology of IOT， IIOT and AI， innova-ting from four aspects： intelligent teaching platform， “AI +X” trai-ning model， digital teaching resource system and intelligent trans-formation of training bases， and finally form a new teaching system of “one platform， one model， one system， one base”， it provides di-versified and personalized teaching and learning for teachers and stu-dents.

Key words intelligent manufacturing professional group; artificial intelligence; intelligent teaching platform; intelligent campus; intelli-gent classroom; digital teaching resource system; training bases

0? 前言

人工智能的快速發展，引發“制造”向“智造”轉變，傳統的教學體系已經無法滿足制造企業對創新型、復合型“智造”技術技能人才的需求。2017年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，強調“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。開展智能校園建設，推動人工智能在教學、管理、資源建設等全流程應用”[1]。基于“智造”新的人才需求，本文提出從四個方面進行改革、創新，最終形成“一平臺、一模式、一體系、一基地”的智能制造專業群新型教學體系。

1? 打造智能教學平臺

智能教學平臺是基于計算智能技術、學習分析技術、數據挖掘技術以及機器學習技術等，為教師和學生提供個性化教與學的教學系統[2]。運用人工智能的數據精準采集與分析能力，可動態捕捉師生群體學習情景及個性化特征，有助于學生找到自己的不足和盲點，更加高效地學習;教師則可以掌握學生的學習情況，從而提供即時、科學有效、針對性的教學。智能教學平臺主要從兩個方面進行建設。

1.1? 創建優化智能校園環境

中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》提出：“建設智能化校園，統籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺”[3]。智能校園是基于人工智能的智慧校園，可被視為高階智慧校園。智慧校園建設始于2010年，其發展經歷了以互聯網等技術為支撐的數字化校園和以現代信息技術為支撐的低階智慧校園兩個階段，目前正在朝高階智慧邁進。數字化校園注重于單純的網絡基礎設備、數字化資源建設，技術反哺教育的能力差。低階智慧校園智能化程度不高，在學習狀態識別、大數據處理、情境感知等方面成效不佳。人體識別、智能感知、情感計算、AR（虛擬現實）等多項AI技術的應用較好地解決了這些問題。

智能校園主要從環境、管理、教學三個方面進行設計與建設。首先對現有的網絡基礎設施和智能感知設施進行升級、優化與完善，智能設施融入校園生活的各個領域，營造快速、便利、智能的生活學習環境;其次，通過物聯網、大數據分析，實時獲取校園各維度情況，提升校園綜合管理質量;最后，基于AI技術，校企共建網絡教學平臺、數字課程資源、虛擬仿真實習實訓資源和智能實訓基地，打造“理實一體、虛實結合、開放共享”的教學平臺，推動學校智能教育發展。

1.2? 打造基于AI的智慧教室

智慧教室旨在打造一個虛實結合的全景化教學場景，通過AI、機器視覺、大數據分析等技術驅動教學模式走向多元化。傳統多媒體課堂已經難以滿足現代教學需求，問題主要表現為：教學模式單調、教育數據匱乏、師生互動不足、教室管理煩瑣、個性化需求無法得到滿足。因此，智慧教室應運而生。智慧教室從基礎設施層、數據業務層、教學評估層進行一體化設計。基礎設施層主要由多媒體教學系統、遠程互動錄播系統、師生終端、環境設備智能管控系統組成，通過物聯網融合對設備進行統一管控，營造一個良好的教學空間環境。數據業務層是在大數據環境下為課前準備、課中互動、課后提升提供整體的教學服務平臺，一方面推送教師教學資源和學生學習資源，教學內容多樣化、情境化，教師可借助VR、AR（增強現實）、MR（混合現實）等技術手段進行多維交互體驗式學習[4];另一方面采集及分析課堂教學活動中產生的數據，生成數據庫，形成個性化教學診斷報告，實現多元化、個性化的教與學。教學評估層是分析及處理課堂數據、評估課堂教學質量的平臺，管理者據此改善教學決策，教師改進教學，推動學生自主、有針對性學習。

2? 創新智能制造專業群人才培養模式

在“制造”向“智造”轉變過程中，人工智能技術對制造業就業結構、需求產生深遠影響。一方面，傳統一線操作工等崗位被工業機器人取代，表現為就業替代效應;另一方面會催生出新的行業、領域，產生新的崗位，表現為創造效應[5]。隨之而來的，職業院校的人才培養目標、培養內容、培養方式、評價機制等要進行相應變革，以滿足制造業對人才新的需求。為適應新的形勢，確保學生知識和能力結構與市場需求有效匹配，婁底職業技術學院智能制造專業群提出“人工智能+X”人才培養模式，其中“X”是X證書。該模式基于人工智能和“1+X”證書制度，通過人工智能的融入實現人才培養多元化、個性化、智能化，X證書來源于實際職業崗位群中多個工作領域，集合了其典型工作任務中的核心知識點與技能點，可培養學生的綜合職業能力。

“人工智能+X”人才培養模式改革路徑如下。

一是“以鏈建群”，調整培養目標。對接湘中地區裝備制造產業鏈，聚焦智能制造這一技術領域，按照“專業基礎相通、技術領域相近、職業崗位相關”的原則，由機電一體化、智能控制技術、工業機器人、機械制造與自動化等專業組建智能制造專業群。精準分析高職學生在智能制造領域對應的需求層次與崗位要求，將以前的高素質技能型人才培養目標定位轉為“掌握現代信息技術的創新、多元、復合型技術技能人才”。

二是更新培養內容，培養內容要體現多元化、個性化、智能化的特點。目前高職人才培養方案課程包括公共基礎課、專業基礎課和專業核心課，課程基本上都是由學校和專業教研室提前設置好的，選修課的數量少且流于形式，學生很難找到滿足自身需求的個性化學習課程和課程資源。而且跨專業的課程和人工智能方面的課程稀缺，無法滿足制造企業對創新型、復合型“智造”技術技能人才的需求。為此，可采用人工智能學習者畫像技術精準把握學習者個性特征，積累個性化培養的大數據基礎，通過智能教學平臺推送個性化學習資源;打破智能制造專業群各專業之間的課程壁壘整合課程結構，形成“大智造”的泛專業課程教學，實現學科交叉融合;補充人工智能相關課程，或者一線教師在授課當中適當增加一些人工智能的知識點，從而實現多元化、個性化、智能化的人才培養。

三是改進培養方式，采用產教融合、課證融通培養方式。產教融合是校企合作發展新模式，可有效克服“制造”向“智造”轉變過程中產生的就業、師資及實訓條件等方面的瓶頸。學校與宜科科技有限公司、上海景格科技股份有限公司等合作，以共建智能制造與工業互聯網學院為賦能載體，共建產教融合實驗基地為賦能場景，共設產教融合的教育體系為賦能方法，共編產教融合的教程教材為賦能內容，構建四位（政府、企業、院校和學生）一體產教融合共同體。課證融通是將X標準有關內容及要求融入原來的專業課程，可采用“多對多”的模式將專業群與X證書群對接，X證書的多樣性、可選擇性有利于促進學生個性化發展。

四是創新評價機制。以學生為中心，以“校、企、教、生”為評價主體，評價內容集專業課程、思想教育、信息化學習、技能大賽、X證書于一體，構建多元化、多維度的評價機制，同時利用人工智能機器學習和人機交互等技術對人才培養進行過程化的監測和評價。

3? 構建數字化教學資源體系

基于AI、VR和AR技術，政、校、行、企多元聯動，按照一體化設計、結構化課程、新技術支撐、協同化團隊、智慧化平臺、開放式管理、持續性更新的要求，構建優質共享、虛實結合型專業教學資源庫，提供智能化教學資源服務。智能制造專業群資源庫框架如表1所示。

資源庫包含六個中心庫與三個特色園：基于智慧職教平臺，建設專業園地、課程中心、微課中心、職業培訓、技能訓練及素材庫共六個中心，虛擬實訓、農機智造、職教立交橋三個特色園地。資源庫集教學設計、教學實施、虛擬實訓、職業培訓、職教立交橋為一體，提供在線瀏覽、智能查詢、資源推送、教學組課、在線組卷、網上學習、在線測試、在線交流、APP手機應用等服務，實現共享型教與學、繼續教育與培訓、就業服務與管理、技術交流推廣四大功能[6]。課程中心是建設的重心，包含各專業核心及“大智造”的泛專業課程，多采用圖片、文本、音視頻、動畫等媒體形式，把課程從抽象變得直觀，從呆板變得鮮活。微課短小精干，便于碎片化學習和移動學習。MOOC（慕課）難度較深，有利于教師將網絡教學和課堂講授結合起來，便于線上線下混合式教學。

在技術手段上，借助于大數據、互聯網平臺，利用AI、VR和AR技術，打造一個虛實結合的全景化教學場景，提高資源庫的應用效力，實現“能學”“輔教”，打通資源庫落地的最后一公里。AI畫像技術能精準把握學習者個性特征，能最大限度地滿足不同學習者個性化的學習需求;VR能無差異還原現實存在的場景，AR通過疊加全息影像加強視覺呈現，打破空間、時間界限，創造出虛擬與現實、數字與實體、線上與線下相融合的沉浸式環境與多維交互學習體驗，從而達到良好的學習效果。

4? 融入IoT、AI改造實訓基地

婁底職業技術學院已建有現代制造技術實訓基地，功能較齊全，基本滿足學生實訓教學要求。但是大多數實訓室是根據各個專業的教學需求建設的，功能劃分不合理;裝備智能化水平低下，大部分是單機操作;實訓管理尚未實現信息化，不利于智能校園建設的推進。整合智能制造專業群實訓資源，融入IoT（物聯網）和AI技術進行智能化改造勢在必行。

4.1? 整合實訓資源

依據智能制造專業群各專業課程之間的交叉與獨立關系，遵循既突出學校重點又兼顧智能制造專業群建設的原則，形成包含公共基礎、專項技能、綜合等實訓平臺的科學層次結構。公共基礎實驗實訓平臺主要用于專業群公共的專業基礎模塊課程中，完成專業課程的基礎實訓任務，主要包括鉗工實訓室、電工電子實訓室、傳感器實訓室、電機控制實訓室、工業機器人基礎實訓室、液壓氣動實訓室。專項技能實訓平臺主要用于各專業的核心課程中，完成專業核心課程的專項實訓任務，主要包括普通機加工車間、數控加工車間、工業機器人應用實訓室、智能制造虛擬仿真實訓室、教學型智能制造實訓室、機器視覺實訓室、工業物聯網實訓室、工業網絡實訓室。綜合實訓平臺主要用于綜合性的生產性實習，實踐內容注重與崗位要求對接，使學生對智能制造有感性且直觀的認識，了解智能制造相關的文化、技術、生產、前沿應用等內容，以及開展安全教育，包括自動產線車間、生產型智能制造車間、智能加工車間、物料準備間、安全教育與學習準備間、可視化控制室。

4.2? 智能化改造

數據采集與監控是實訓基地實施智能化改造的關鍵。以IoT為基礎、大數據為紐帶、AI為驅動，進行智能化改造，打造共享智慧型生產性實習實訓基地與智能化管理平臺。在實訓車間引入IoT技術，為生產設備、工件等生產資源配備傳感設備，實現物與物、物與人、物與環境之間的互聯[7]，采集生產過程信息與實訓室狀態信息并通過網絡上傳至數據庫;AI以此為依據，對實訓基地的生產活動進行自協作管理，從而實現制造車間的智能化生產和實訓基地的遠程巡查、遠程控制，使實訓基地的管理更加科學化、規范化和開放化。

5? 形成新型智能教學體系

通過四個方面的改革、創新，最終形成“一平臺、一模式、一體系、一基地”的智能制造專業群新型教學體系，如圖1所示。該新型教學體系以創新型、復合型“智造”技術技能人才為培養目標，以智能校園建設為抓手，利用人工智能、大數據和物聯網為代表的新一代信息融合技術，優化教學環境，構建優質共享、虛實結合型專業教學資源庫，對實訓基地實施智能化改造，凸顯智能特色，非常有利于多元化、個性化學習，有利于智能制造業人才培養，對加速促進中國智能制造業的發展同樣具有重要意義。■

參考文獻

[1]國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[A/OL].（2017-07-20）[2021-04-08].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]北京師范大學：2016全球教育機器人發展白皮書[EB/OL].（2017-10-06）[2021-04-08].http：//www.199it.com/archives/640276.html.

[3]中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》[A/OL].（2019-02-23）[2021-04-08].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_5367987.htm.

[4]趙俞凌，陳曉龍，姚遠.VR技術視域下高職虛擬混合學習系統類型與應用研究[J].職業技術教育，2020，41（32）：62-65.

[5]龔紅，羅巖，彭姍.技術進步對老年再就業產生了“補償”還是“侵蝕”效應？[J].中國軟科學，2017（11）：77-85.

[6]林曉輝，曹成濤，關少珊.交通安全與智能控制專業教學資源庫建設思考[J].中國電力教育，2012（34）：51-53.

[7]徐青，冷晟，謝小明，等.物聯技術下智能制造車間自協作管理方式研究[J].機械制造與自動化，2019（2）：115-118.