智能制造工程專業(yè)人工智能課程PBL教學(xué)模式研究

劉正超，孔祥禎

(江西理工大學(xué)，江西贛州 341000)

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代信息技術(shù)不斷取得突破，人工智能(AI)技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合所形成的智能制造技術(shù)，已成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。《中國制造2025》明確指出要以智能制造為主攻方向，推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級。面對新的挑戰(zhàn)與機遇，2017年開始，教育部積極推進“新工科”建設(shè)，以培養(yǎng)學(xué)生新思維、新視野以及復(fù)雜工程問題求解的新能力為目標，強調(diào)創(chuàng)新、實踐與競爭等能力的協(xié)同發(fā)展〔1〕。在“新工科”建設(shè)的驅(qū)動下，教育部于2018年開始，大力支持普通高等學(xué)校本科開設(shè)智能制造工程專業(yè)〔2〕。智能制造工程專業(yè)具有較強的學(xué)科交叉性，強調(diào)“基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識與工程實踐”協(xié)同發(fā)展，旨在培養(yǎng)具有科學(xué)思維方法、較強創(chuàng)新意識和工程實踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，為我國實現(xiàn)制造強國目標打下堅實基礎(chǔ)。人工智能課程作為智能制造工程專業(yè)的核心課程之一，是培養(yǎng)學(xué)生融合信息技術(shù)與制造技術(shù)開展集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ)，在實現(xiàn)“新工科”建設(shè)教育目標中具有重要作用〔3〕。由于人工智能課程內(nèi)容抽象，在傳統(tǒng)教學(xué)實踐過程中，學(xué)生普遍感到枯燥、難懂，影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和自主性。因此，針對人工智能課程開展教學(xué)模式創(chuàng)新研究，對于“新工科”背景下的智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。

一、智能制造工程專業(yè)課程改革分析

在“新工科”背景下，智能制造工程專業(yè)建設(shè)注重培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合人才，強調(diào)構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系〔4〕。專業(yè)課程改革需要重點關(guān)注以下三個方面。一是創(chuàng)新集成智能與制造知識體系。智能制造專業(yè)知識需要與智能化時代接軌，單純沿用傳統(tǒng)機械工程知識進行人才培養(yǎng)，難以滿足社會發(fā)展的人才需求。因此，需要重點考慮如何將新一代人工智能技術(shù)與經(jīng)典制造技術(shù)進行集成，構(gòu)建具有時代性、發(fā)展性、引導(dǎo)性與創(chuàng)新性的新知識體系課程，使學(xué)生感受到新知識體系對智能制造專業(yè)學(xué)習(xí)的重要作用。二是側(cè)重多學(xué)科知識交叉。信息化時代的到來，讓智能制造工程專業(yè)成為“新工科”發(fā)展的主流學(xué)科。智能制造工程專業(yè)不僅包含傳統(tǒng)機械工程專業(yè)學(xué)科內(nèi)容，更體現(xiàn)了多種學(xué)科的兼容特性(如數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、計算機科學(xué)、控制論等)。高校需要在工科專業(yè)課程基礎(chǔ)上交叉信息化、智能化等新教育課程，打造多學(xué)科知識交叉的教育課程體系，才能提升學(xué)生對智能制造工程專業(yè)的認知程度，實現(xiàn)傳統(tǒng)工科向新工科的轉(zhuǎn)變。三是注重理論與實踐結(jié)合。理論是實踐的基礎(chǔ)，在智能制造工程專業(yè)建設(shè)中，高校需要注重建設(shè)理論和知識相結(jié)合的教育結(jié)構(gòu)，強化實踐知識技能，用深入性知識引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展工程實踐能力。

基于上述專業(yè)課程改革分析，在“新工科”建設(shè)背景下，智能制造工程專業(yè)人工智能課程教學(xué)改革需重點關(guān)注以下三個問題：一是如何系統(tǒng)整合理論課程和實踐技能的相關(guān)知識點，實現(xiàn)體系化、系統(tǒng)化的人工智課程理論與實踐教學(xué)；二是如何解決當(dāng)前人工智能課程教學(xué)中存在的理論知識抽象化等問題，體現(xiàn)工學(xué)結(jié)合的目標導(dǎo)向，幫助學(xué)生建立一個系統(tǒng)性強、架構(gòu)清晰和客觀具體的人工智能課程知識體系；三是如何有效調(diào)動學(xué)生的思維發(fā)展，促使學(xué)生能力培養(yǎng)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生理論學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力的協(xié)同發(fā)展水平。

因此，本文以“新工科”理念為導(dǎo)向，以智能制造工程專業(yè)為背景，積極探索人工智能課程教學(xué)模式改革研究，促進智能制造工程專業(yè)學(xué)生對于人工智能課程知識的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、團隊溝通協(xié)調(diào)能力及工程問題求解能力的提升，從而適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革對智能制造工程專業(yè)人才的需求。

二、智能制造工程背景下人工智能課程教學(xué)模式研究現(xiàn)狀

人工智能課程內(nèi)容主要涉及人工智能發(fā)展過程、人工智能基本概念、知識表示、推理方法、搜索求解策略、智能優(yōu)化算法、專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)等〔5〕。該課程教學(xué)內(nèi)容抽象、理論性較強，但是實踐性不足，難以滿足智能制造工程專業(yè)對于工程實踐能力的培養(yǎng)需求，在實際教學(xué)中暴露出以下問題：首先，課程內(nèi)容體系依賴教材理論知識，教學(xué)模式以教師講授式為主，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高；其次，實踐教學(xué)內(nèi)容缺乏智能制造工程背景，學(xué)生工程實踐能力不足，難以滿足社會和企業(yè)對智能制造工程應(yīng)用型人才的新需求。

針對上述問題，國內(nèi)學(xué)者開展了一系列研究和探索。姚瑤〔6〕提出基于OBE理念的人工智能課程創(chuàng)新教學(xué)模式改革舉措，以課程體系的巧妙設(shè)計為重點，以課程結(jié)構(gòu)的重構(gòu)優(yōu)化為驅(qū)動，以完善的教學(xué)評價為依托，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的結(jié)合。馮巖等〔7〕探討了新工科背景下人工智能課程的教學(xué)改革方法，提出了優(yōu)化課程內(nèi)容、改變教學(xué)模式、構(gòu)建多元評價機制等方面的改革方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。歐陽林艷〔8〕根據(jù)新工科建設(shè)需要，提出“AI+X”的新工科教學(xué)改革與創(chuàng)新思路，采用專題教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、創(chuàng)新實踐、教學(xué)普及等多種方式相結(jié)合的教學(xué)改革措施，使人工智能課程教學(xué)創(chuàng)新化、普及化，更符合當(dāng)代新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。馬超等〔9〕將人工智能課程知識點的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為基于卓越項目管理體系的工程實踐，通過多角色協(xié)同完成人工智能項目并從整體規(guī)劃到完整開發(fā)進行全流程監(jiān)督，從而有效提升學(xué)生對人工智能課堂教學(xué)知識點的掌握程度和理解程度。從現(xiàn)有研究看，學(xué)者們提出了一系列教學(xué)改革措施來解決人工智能課程難度大、原理性知識多、工程實踐偏弱等問題，為工程應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)提供了一定的思路。但是，現(xiàn)有研究也存在面向智能制造工程專業(yè)的人工智能課程教學(xué)研究不足等問題，尤其是學(xué)生自主學(xué)習(xí)和問題引導(dǎo)的教學(xué)組織形式在教學(xué)改革中體現(xiàn)不夠充分。

通過分析上述研究現(xiàn)狀，智能制造工程背景下人工智能課程要求學(xué)生積極開展主動學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，圍繞基礎(chǔ)知識關(guān)聯(lián)工程問題、工程問題求解等方面展開系列理論學(xué)習(xí)、綜合實訓(xùn)以及協(xié)作討論等教學(xué)活動，其教學(xué)形式應(yīng)從教師被動教學(xué)向?qū)W生自主學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，發(fā)展方向由“教師為中心”向“學(xué)生為中心”的教學(xué)活動轉(zhuǎn)型。目前，我國地方應(yīng)用型高校的人工智能課程教學(xué)模式主要偏重于傳統(tǒng)單向授課，以教師作為課程知識的傳播者，以學(xué)生作為課程知識的灌輸對象，缺乏針對學(xué)生溝通合作和工程應(yīng)用的訓(xùn)練，在自主學(xué)習(xí)、協(xié)作創(chuàng)新等方面的能力培養(yǎng)也較弱。現(xiàn)有人工智能課程教學(xué)模式與工程教育專業(yè)認證、人才市場需求具有一定偏差，需要創(chuàng)新教學(xué)模式，滲透“學(xué)生為中心”的思想，引入自主學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作、創(chuàng)新意識和工程實踐等綜合能力培養(yǎng)的方式，引導(dǎo)學(xué)生向深層理論知識理解和高級實踐技能應(yīng)用發(fā)展。

PBL(Problem-Based Learning)教學(xué)模式是以問題為導(dǎo)向的一種教學(xué)模式，其核心是“以學(xué)生為中心，以問題為導(dǎo)向”的教育方式，進而培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和實踐創(chuàng)新能力〔10〕。PBL教學(xué)模式與“新工科”背景下人工智能課程從“教師為中心”向“學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)型發(fā)展方向完美契合。同時，PBL教學(xué)模式中“以問題為導(dǎo)向”的教學(xué)方式，很好地滿足了智能制造工程專業(yè)的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求。將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于人工智能課程，可以有效促進學(xué)生的專業(yè)理論水平與工程實踐能力協(xié)同發(fā)展。因此，本文以PBL教學(xué)模式為指導(dǎo)，以學(xué)生為中心，以問題為導(dǎo)向，開展面向高校智能制造工程專業(yè)人工智能課程教學(xué)模式研究，通過成立學(xué)習(xí)小組的形式，引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題開展自主學(xué)習(xí)、協(xié)作探究、尋找問題解決方案，有效提升學(xué)生的知識應(yīng)用能力、工程創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力及社會適應(yīng)能力。

三、基于PBL教學(xué)模式的人工智能課程OKSCPA教學(xué)環(huán)設(shè)計

人工智能課程的課程性質(zhì)決定了其在教學(xué)過程中應(yīng)運用新技術(shù)、新工程來激發(fā)學(xué)生的興趣，課程教學(xué)過程要求學(xué)生通過高級認知能力(如綜合分析、團隊協(xié)作和認知創(chuàng)新)理解教學(xué)內(nèi)容并構(gòu)建長期有效的知識理解，PBL教學(xué)模式能夠滿足這種教學(xué)和學(xué)習(xí)要求。為破解課程“內(nèi)容抽象、理論性強、實踐性弱”問題，以“教師指導(dǎo)，學(xué)生協(xié)作”為設(shè)計思路，設(shè)計與PBL教學(xué)模式相融合的人工智能課程教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)過程以學(xué)生學(xué)習(xí)小組為單位組織實施，共劃分六個教學(xué)環(huán)節(jié)(OKSCPA教學(xué)環(huán))，如表1所示，包括“確立人工智能學(xué)習(xí)目標(Object)→獲取人工智能基礎(chǔ)知識(Knowledge)→學(xué)生個人自主學(xué)習(xí)(Study)→學(xué)生小組協(xié)作探究(Cooperate)→問題實踐求解(Practice)→教學(xué)綜合考評(Assess)”。這六個教學(xué)環(huán)節(jié)突出了PBL教學(xué)模式的自主性、合作性、實踐性、創(chuàng)新性等特點。在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在理論認知上由直覺觀察、邏輯思考到知識創(chuàng)新，實踐技術(shù)上由知識抽取、問題分析到團隊協(xié)作，環(huán)節(jié)之間層層遞進、階梯上升，符合認知規(guī)律。相對于經(jīng)典PBL教學(xué)模式的應(yīng)用，OKSCPA教學(xué)環(huán)增加了知識準備和行動實踐的比重，實現(xiàn)了系統(tǒng)化、體系化的人工智能課程理論與實踐教學(xué)，促進了智能制造工程專業(yè)學(xué)生理論學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力的協(xié)同發(fā)展。

表1 基于PBL教學(xué)模式的人工智能課程OKSCPA教學(xué)環(huán)

四、面向智能制造工程專業(yè)的人工智能課程PBL教學(xué)模式構(gòu)建

本文以智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求為例，在經(jīng)典PBL教學(xué)模式基礎(chǔ)上進行拓展研究，建立適用于智能制造工程背景下人工智能課程PBL教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 面向智能制造工程專業(yè)的人工智能課程PBL教學(xué)模式

該模式強調(diào)以學(xué)生為中心，基于實際工程案例和關(guān)鍵工藝流程，結(jié)合人工智能教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)情景問題，采用OKSCPA教學(xué)環(huán)來組織教學(xué)活動。教學(xué)活動中充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、探究性和創(chuàng)新性，階梯式培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，有層次地引導(dǎo)學(xué)生對知識的深度建構(gòu)。模式中對PBL教學(xué)模式關(guān)鍵要素(Problem、Base、Learning)進行重構(gòu)，以適應(yīng)智能制造工程專業(yè)較強的工程實踐應(yīng)用背景。其中Problem引申為具有工程應(yīng)用背景的教學(xué)問題。教學(xué)問題是PBL的核心要素，本文圍繞“人工智能知識、制造工程技術(shù)”，通過優(yōu)選制造企業(yè)的工程項目案例，挖掘項目工程的技術(shù)難點，匹配人工智能課程專業(yè)知識，挖掘PBL教學(xué)問題元素，如表2所示。根據(jù)問題元素設(shè)計系列工程背景教學(xué)問題，制作具有一定啟發(fā)性和復(fù)雜性的人工智能課程PBL教學(xué)問題庫。Base引申為工科專業(yè)背景乃至課程學(xué)習(xí)目標的實施基礎(chǔ)，表示將“智能制造專業(yè)、人工智能課程培養(yǎng)目標和社會工程專業(yè)需求”綜合考慮后所明確的教學(xué)目標、教學(xué)重點和教學(xué)方法，作為OKSCPA教學(xué)環(huán)設(shè)計的基礎(chǔ)依據(jù)。Learning引申為學(xué)會、學(xué)習(xí)結(jié)果或目的，指通過OKSCPA教學(xué)活動可以得到的結(jié)果或能力，具體設(shè)計為三個能力階梯：自主學(xué)習(xí)能力和問題分析能力，團隊協(xié)作能力和溝通交流能力，創(chuàng)新能力和工程能力。

表2 智能制造工程應(yīng)用背景的人工智能課程PBL教學(xué)問題元素

面向智能制造工程專業(yè)的人工智能課程PBL教學(xué)模式具有明顯的主動學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作、實踐創(chuàng)新的特點，注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力。該模式具有以下特點：(1)模式中的教學(xué)問題基于工程實際案例和關(guān)鍵工藝流程構(gòu)建，增加了問題的工程應(yīng)用情景深度，有助于學(xué)生建構(gòu)知識，激發(fā)內(nèi)在學(xué)習(xí)動機。(2)OKSCPA教學(xué)環(huán)中各項教學(xué)流程不是由教師直接講授，而是由學(xué)生通過個人或小組的學(xué)習(xí)活動探索發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生主動尋找工程問題與知識之間的關(guān)聯(lián)性，有助于達到更深刻更持久的學(xué)習(xí)效果。(3)OKSCPA教學(xué)環(huán)重視學(xué)生的學(xué)習(xí)活動，把教學(xué)問題、實踐活動和抽象知識關(guān)聯(lián)起來，更具有引導(dǎo)學(xué)習(xí)的意義。(4)教學(xué)過程注重發(fā)展學(xué)生的綜合分析、邏輯推理、創(chuàng)新思維以及工程實踐等核心技能，并強調(diào)理論學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用相結(jié)合。

智能制造工程專業(yè)具有較強工程實踐應(yīng)用背景，人工智能課程作為智能制造工程專業(yè)的核心課程，需要在保證學(xué)生獲取專業(yè)知識的同時，發(fā)展學(xué)生的主觀能動性、團隊協(xié)作能力以及工程實踐能力。因此，不僅需要重視學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理論學(xué)習(xí)，還要重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中自主學(xué)習(xí)意識與團隊協(xié)作意識的培養(yǎng)。PBL教學(xué)模式就是教師設(shè)計問題，學(xué)生分析、討論和解決問題的教學(xué)方法，這種方法應(yīng)用于智能制造工程專業(yè)教學(xué)中，能有效提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力，并強調(diào)了學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)，使學(xué)生綜合素質(zhì)得到明顯提升。智能制造工程背景下的人工智能課程PBL教學(xué)模式，是一種基于工程應(yīng)用案例設(shè)計各類問題，與實際工程實踐應(yīng)用息息相關(guān)的教學(xué)模式，更容易激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)的主觀能動性和好奇心，讓學(xué)生從中體會到學(xué)習(xí)的樂趣。隨著時間的推移，PBL教學(xué)模式由于其優(yōu)越性，在智能制造工程專業(yè)的應(yīng)用也會越來越多，通過積極引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作、思維創(chuàng)新和工程實踐，以達到培養(yǎng)高端工程人才的目的。