基于OBE理念的人工智能技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革研究

郭慶賀　劉仁君　陳君文　龔青山　王宸

摘 要：針對(duì)《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式下存在的諸多問題，基于OBE教育理念從課程目標(biāo)、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和課程評(píng)價(jià)方式等方面提出了一系列教學(xué)改革措施。以人工智能技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用項(xiàng)目案例為載體，以知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)為導(dǎo)向，逆向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新設(shè)計(jì)多元化評(píng)價(jià)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，使學(xué)生真正能夠掌握人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和核心理論，培養(yǎng)其實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，以滿足未來智能制造對(duì)于高質(zhì)量人才的需要。

關(guān)鍵詞：OBE理念 人工智能 教學(xué)改革 教育模式

1 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化和信息化的深入推進(jìn)，智能制造已成為制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢。智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)高素質(zhì)智能制造人才的需求日益增加，為滿足這一需求，多數(shù)高校相繼開設(shè)了智能制造工程專業(yè)[1]。人工智能技術(shù)是支撐智能制造發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，因此，多所高校在智能制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案中開設(shè)了人工智能技術(shù)及應(yīng)用類課程。不同于其他理論課程，人工智能技術(shù)及應(yīng)用課程具有技術(shù)更新快、前沿性強(qiáng)、涉及領(lǐng)域廣等特點(diǎn)[2-3]，傳統(tǒng)的“以教為主”的教學(xué)模式由于存在諸多問題，已不適用該課程的講授，無法滿足智能制造工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的需求。

與傳統(tǒng)教學(xué)理念不同，成果導(dǎo)向教育（Outcome based education，OBE）更為注重學(xué)生的主體地位和作用，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和批判性思維等能力的培養(yǎng)[4-5]。本文擬基于OBE理念對(duì)該課程的教學(xué)模式進(jìn)行多方面的改革與研究，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，滿足智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，人工智能技術(shù)及應(yīng)用課程仍采用傳統(tǒng)的“以教為主”的教學(xué)模式進(jìn)行授課。隨著課程教學(xué)的不斷深入，傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

2.1 注重教學(xué)進(jìn)度、忽視教學(xué)效果

教師為了完成教學(xué)計(jì)劃，在有限的學(xué)時(shí)里快速地講解知識(shí)點(diǎn)，沒有給學(xué)生留出足夠的時(shí)間去理解，沒有充分考慮學(xué)生的個(gè)體差異，由此導(dǎo)致部分學(xué)生無法跟上教學(xué)進(jìn)度，學(xué)習(xí)效果不佳。另外，以教為主的教學(xué)模式下，教師往往只注重自己的講解，而忽略了與學(xué)生之間的互動(dòng)，這使得學(xué)生無法積極參與到學(xué)習(xí)過程之中，使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生厭倦。

2.2 教學(xué)內(nèi)容過于理論化

雖然人工智能技術(shù)及應(yīng)用是一門多學(xué)科交叉的課程，涉及的理論知識(shí)較多，但在實(shí)際教學(xué)過程中如果過度側(cè)重于理論教學(xué)，缺乏與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，學(xué)生將難以理解課堂所學(xué)理論知識(shí)是如何應(yīng)用于工程實(shí)際的，進(jìn)而無法深入理解人工智能技術(shù)的本質(zhì)和應(yīng)用。過于理論化的課堂教學(xué)也會(huì)限制學(xué)生的創(chuàng)新力和想象力，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探索和自主解決工程問題的能力。長此以往，則導(dǎo)致學(xué)生失去對(duì)該課程學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 缺乏實(shí)踐項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

人工智能技術(shù)及應(yīng)用的課程目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生能夠使用人工智能技術(shù)解決智能制造工程中的實(shí)際問題，工程實(shí)踐項(xiàng)目和與之相配套的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是培養(yǎng)學(xué)生獲得此項(xiàng)能力的關(guān)鍵途徑。目前，人工智能技術(shù)及應(yīng)用所選用的教材提供了一部分實(shí)踐項(xiàng)目，但這些項(xiàng)目與智能制造工程實(shí)際相差較遠(yuǎn)，無法真正反映人工智能技術(shù)在智能制造過程中的應(yīng)用，且均為簡易的網(wǎng)絡(luò)在線項(xiàng)目，缺少相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。再者，人工智能技術(shù)的理論知識(shí)本身又較為抽象、復(fù)雜，如若僅采用理論課堂講授而不進(jìn)行實(shí)踐，學(xué)生難以感受到知識(shí)獲得的成就感，極易失去學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

2.4 課程評(píng)價(jià)方式不夠完善

目前，《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程的評(píng)價(jià)方式仍以傳統(tǒng)的期末考試（占比為60%或70%）為主，以課后作業(yè)或課程報(bào)告為輔。這種評(píng)價(jià)方式只能檢測學(xué)生的知識(shí)水平，而無法全面反映學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。成績占比最大的期末考試是在課程結(jié)束以后進(jìn)行，是一種靜態(tài)評(píng)價(jià)方式，無法在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中及時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而無法及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，以滿足學(xué)生的個(gè)性化需求。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，其評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面、客觀。因此，對(duì)于《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程的評(píng)價(jià)方法還需進(jìn)一步完善。

2.5 師資力量不足

人工智能技術(shù)是一門新興的學(xué)科，發(fā)展迅速，涉及領(lǐng)域廣泛，通常需要教師具備跨學(xué)科的知識(shí)背景，如數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等，這就需要教師具備較高的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。然而，由于技術(shù)發(fā)展速度過快，一些教師難以跟上最新的技術(shù)進(jìn)展，導(dǎo)致師資力量相對(duì)缺乏，無法保證教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 基于OBE理念的教學(xué)改革措施

3.1 基于OBE理念制定課程教學(xué)目標(biāo)

OBE教育理念是一種以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念，在該理念下制定教學(xué)目標(biāo)時(shí)要圍繞學(xué)生最終能夠獲得的學(xué)習(xí)成果來展開，面向產(chǎn)出，持續(xù)改進(jìn)，制定的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)滿足以下要求[6-7]：

（1）明確性：所制定的教學(xué)目標(biāo)要清晰、明了、具體，能夠明確描述學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)后所能達(dá)到的能力和掌握的知識(shí)；

（2）可評(píng)估：制定的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)具有可評(píng)估性，能夠通過一定的評(píng)價(jià)方式來檢驗(yàn)學(xué)生是否達(dá)到了預(yù)期的學(xué)習(xí)成果；

（3）可實(shí)現(xiàn)：教學(xué)目標(biāo)應(yīng)根據(jù)本專業(yè)學(xué)生的實(shí)際情況和課程特點(diǎn)來制定，以確保學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)；

（4）相關(guān)性：人工智能是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域，包含了多種技術(shù)和學(xué)科，要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)覆蓋人工智能的所有技術(shù)領(lǐng)域是不可能的，在制定課程教學(xué)目標(biāo)時(shí)要以該課程所服務(wù)的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn)，緊扣企業(yè)崗位需求和行業(yè)需求，以確保學(xué)生所學(xué)的知識(shí)和技能在未來實(shí)際工作中得到應(yīng)用。

根據(jù)OBE教育理念，從知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)三個(gè)方面制定《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程的教學(xué)目標(biāo)，具體如表1所示。

3.2 基于OBE理念設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

與以往傳統(tǒng)教育模式不同，基于OBE教育理念設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時(shí)要依據(jù)所設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)[8]，這就要求所設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容要與教學(xué)目標(biāo)緊密相連，要明確哪些教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)能夠幫助學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)成果。在智能制造領(lǐng)域中，基于人工智能的機(jī)器視覺技術(shù)能夠應(yīng)用于產(chǎn)品檢測、物料分揀等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可大幅度減少人為錯(cuò)誤，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；基于人工智能的語音識(shí)別技術(shù)能夠自動(dòng)識(shí)別機(jī)器設(shè)備的異常聲音，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或生產(chǎn)問題，減少生產(chǎn)停頓時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；基于人工智能的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)流程中的瓶頸和問題，從而優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。基于以上分析，對(duì)應(yīng)表1所示的知識(shí)目標(biāo)，應(yīng)將機(jī)器視覺、語音識(shí)別、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)原理以及與之相關(guān)的算法作為《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》的核心理論教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于能力目標(biāo)，搭建智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為載體，分模塊嵌入機(jī)器視覺、語音識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，通過完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和實(shí)際操作，幫助學(xué)生深入理解人工智能技術(shù)原理以及在智能制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，提高其動(dòng)手解決工程問題的能力。例如，在汽車零部件缺陷檢測實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，學(xué)生將更為深入地了解機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)的基本原理和應(yīng)用，能夠掌握?qǐng)D像處理和特征提取的基本原理，能夠較好地培養(yǎng)其解決問題的能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。對(duì)于素質(zhì)目標(biāo)，在課程中引入討論和辯論環(huán)節(jié)，讓學(xué)生就人工智能技術(shù)在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用中出現(xiàn)的倫理問題等展開深入討論，引導(dǎo)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)和反思不同觀點(diǎn)，培養(yǎng)他們的批判性思維和獨(dú)立思考能力；通過小組分工協(xié)作，共同完成項(xiàng)目實(shí)踐任務(wù)，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通能力和領(lǐng)導(dǎo)力；在完成項(xiàng)目的過程中鼓勵(lì)學(xué)生嘗試采用不同的方法解決問題，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和求知欲，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

3.3 基于OBE理念創(chuàng)新教學(xué)方法

OBE教育理念在教學(xué)方法上強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，而不是以教師為中心，這意味著在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中所采用的教學(xué)方法要將學(xué)生至于主體地位，而不是學(xué)生單一地被動(dòng)接受教師的課堂傳授。《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程屬于典型的工科課程，重在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，因此本課程的教學(xué)方法應(yīng)以項(xiàng)目案例式教學(xué)為主，課堂理論教學(xué)為輔，再輔以學(xué)科競賽等手段，以提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。選取智能制造領(lǐng)域中的工程案例作為項(xiàng)目選題，按照“問題分析——方案設(shè)計(jì)——方案實(shí)施——總結(jié)展望”的步驟進(jìn)行[9]。以小組為單位，每組負(fù)責(zé)一個(gè)案例，小組內(nèi)部做到分工明確，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，使每位學(xué)生都能參與到完成項(xiàng)目的實(shí)施過程中，按照要求完成項(xiàng)目。教師按照項(xiàng)目步驟對(duì)每一階段的成果進(jìn)行驗(yàn)收，根據(jù)階段性成果驗(yàn)收情況獲得每位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度并給予不同程度的指導(dǎo)，盡可能減小因?qū)W生差異帶來的成果差異，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的公平性。除課程學(xué)習(xí)之外，教師可組織學(xué)生參加相應(yīng)的學(xué)科競賽，并給予相應(yīng)的指導(dǎo)，將課堂所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于競賽項(xiàng)目中，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力和對(duì)于理論知識(shí)的把握及理解。

3.4 基于OBE理念設(shè)計(jì)評(píng)估方法

基于OBE理念設(shè)計(jì)課程評(píng)價(jià)方法著重于評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，即學(xué)生完成課程后應(yīng)該具備的核心知識(shí)、技能和能力，評(píng)價(jià)的目的是確保學(xué)生能夠達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)成果，而非僅僅關(guān)注教學(xué)過程或?qū)W生的投入。基于該思路，對(duì)《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程提出多元化的評(píng)價(jià)方法，如表2所示。

出勤率主要考察學(xué)生的課堂參與度以及對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)態(tài)度；章節(jié)檢測考察學(xué)生對(duì)于獨(dú)立章節(jié)理論知識(shí)的掌握程度；期末考試考察學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的綜合運(yùn)用情況；項(xiàng)目實(shí)踐考察學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決智能制造領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，其中項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考察學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維能力；項(xiàng)目完成情況考察小組內(nèi)部團(tuán)隊(duì)成員分工及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告考察學(xué)生能否運(yùn)用規(guī)范的語言、合理的結(jié)構(gòu)和清晰的邏輯進(jìn)行表達(dá)，考察其書面表達(dá)能力；小組匯報(bào)答辯考察學(xué)生語言表達(dá)能力以及交流溝通能力；參加學(xué)科競賽能夠進(jìn)一步使學(xué)生將課堂上所掌握的技能應(yīng)用于解決實(shí)際問題，進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、創(chuàng)新能力以及工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

OBE教育理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，注重教學(xué)過程的優(yōu)化和教學(xué)效果的提升。本文針對(duì)智能制造專業(yè)必修課《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問題，基于OBE教育理念對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式進(jìn)行了改革，提出了一系列改革措施。在未來的《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》教學(xué)實(shí)踐中，我們應(yīng)該繼續(xù)深入研究OBE理念的最佳實(shí)踐方式，不斷完善教學(xué)評(píng)價(jià)體系，確保教學(xué)改革真正落地生根，為學(xué)生的全面發(fā)展提供有力保障。

項(xiàng)目來源：湖北汽車工業(yè)學(xué)院2022年度教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“新工科背景下基于OBE理念的《人工智能技術(shù)及應(yīng)用》課程建設(shè)與實(shí)踐”（編號(hào)：JY2022043）；教育部協(xié)同育人項(xiàng)目（編號(hào)：220403177265250、230804701075730）；湖北省社會(huì)科學(xué)項(xiàng)目“我國制造業(yè)智能生產(chǎn)模式下的低碳轉(zhuǎn)型研究”（項(xiàng)目編號(hào)：21Q174）；湖北汽車工業(yè)學(xué)院本科一流課程建設(shè)項(xiàng)目“智能制造背景下《機(jī)電傳動(dòng)控制》課程建設(shè)教學(xué)改革研究”（項(xiàng)目編號(hào)：XYLK202301）。

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