智能制造工程專業(yè)人工智能課程PBL教學模式研究

劉正超，孔祥禎

(江西理工大學，江西贛州 341000)

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、5G等新一代信息技術不斷取得突破，人工智能(AI)技術與先進制造技術深度融合所形成的智能制造技術，已成為新一輪工業(yè)革命的核心驅動力。《中國制造2025》明確指出要以智能制造為主攻方向，推動產業(yè)技術變革和優(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，以培養(yǎng)學生新思維、新視野以及復雜工程問題求解的新能力為目標，強調創(chuàng)新、實踐與競爭等能力的協(xié)同發(fā)展〔1〕。在“新工科”建設的驅動下，教育部于2018年開始，大力支持普通高等學校本科開設智能制造工程專業(yè)〔2〕。智能制造工程專業(yè)具有較強的學科交叉性，強調“基礎理論、專業(yè)知識與工程實踐”協(xié)同發(fā)展，旨在培養(yǎng)具有科學思維方法、較強創(chuàng)新意識和工程實踐能力的高素質應用型人才，為我國實現(xiàn)制造強國目標打下堅實基礎。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)學生融合信息技術與制造技術開展集成創(chuàng)新和工程應用的重要理論基礎，在實現(xiàn)“新工科”建設教育目標中具有重要作用〔3〕。由于人工智能課程內容抽象，在傳統(tǒng)教學實踐過程中，學生普遍感到枯燥、難懂，影響學生學習積極性和自主性。因此，針對人工智能課程開展教學模式創(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)建設注重培養(yǎng)應用型復合人才，強調構建科學合理的課程體系〔4〕。專業(yè)課程改革需要重點關注以下三個方面。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與經典制造技術進行集成，構建具有時代性、發(fā)展性、引導性與創(chuàng)新性的新知識體系課程，使學生感受到新知識體系對智能制造專業(yè)學習的重要作用。二是側重多學科知識交叉。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)學科內容，更體現(xiàn)了多種學科的兼容特性(如數(shù)學、信息科學、計算機科學、控制論等)。高校需要在工科專業(yè)課程基礎上交叉信息化、智能化等新教育課程，打造多學科知識交叉的教育課程體系，才能提升學生對智能制造工程專業(yè)的認知程度，實現(xiàn)傳統(tǒng)工科向新工科的轉變。三是注重理論與實踐結合。理論是實踐的基礎，在智能制造工程專業(yè)建設中，高校需要注重建設理論和知識相結合的教育結構，強化實踐知識技能，用深入性知識引導學生發(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”建設背景下，智能制造工程專業(yè)人工智能課程教學改革需重點關注以下三個問題：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；二是如何解決當前人工智能課程教學中存在的理論知識抽象化等問題，體現(xiàn)工學結合的目標導向，幫助學生建立一個系統(tǒng)性強、架構清晰和客觀具體的人工智能課程知識體系；三是如何有效調動學生的思維發(fā)展，促使學生能力培養(yǎng)方式發(fā)生轉變，提升學生理論學習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模式改革研究，促進智能制造工程專業(yè)學生對于人工智能課程知識的應用能力、創(chuàng)新能力、團隊溝通協(xié)調能力及工程問題求解能力的提升，從而適應新一輪科技革命和產業(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模式研究現(xiàn)狀

人工智能課程內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)、機器學習等〔5〕。該課程教學內容抽象、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，在實際教學中暴露出以下問題：首先，課程內容體系依賴教材理論知識，教學模式以教師講授式為主，學生學習積極性不高；其次，實踐教學內容缺乏智能制造工程背景，學生工程實踐能力不足，難以滿足社會和企業(yè)對智能制造工程應用型人才的新需求。

針對上述問題，國內學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)新教學模式改革舉措，以課程體系的巧妙設計為重點，以課程結構的重構優(yōu)化為驅動，以完善的教學評價為依托，實現(xiàn)理論教學與實踐教學的結合。馮巖等〔7〕探討了新工科背景下人工智能課程的教學改革方法，提出了優(yōu)化課程內容、改變教學模式、構建多元評價機制等方面的改革方法，激發(fā)了學生的學習興趣，提升了學生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。歐陽林艷〔8〕根據(jù)新工科建設需要，提出“AI+X”的新工科教學改革與創(chuàng)新思路，采用專題教學、翻轉課堂、創(chuàng)新實踐、教學普及等多種方式相結合的教學改革措施，使人工智能課程教學創(chuàng)新化、普及化，更符合當代新工科應用型人才培養(yǎng)的要求。馬超等〔9〕將人工智能課程知識點的學習轉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，從而有效提升學生對人工智能課堂教學知識點的掌握程度和理解程度。從現(xiàn)有研究看，學者們提出了一系列教學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研究不足等問題，尤其是學生自主學習和問題引導的教學組織形式在教學改革中體現(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生積極開展主動學習和合作學習，圍繞基礎知識關聯(lián)工程問題、工程問題求解等方面展開系列理論學習、綜合實訓以及協(xié)作討論等教學活動，其教學形式應從教師被動教學向學生自主學習轉變，發(fā)展方向由“教師為中心”向“學生為中心”的教學活動轉型。目前，我國地方應用型高校的人工智能課程教學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，以學生作為課程知識的灌輸對象，缺乏針對學生溝通合作和工程應用的訓練，在自主學習、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)新教學模式，滲透“學生為中心”的思想，引入自主學習、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，引導學生向深層理論知識理解和高級實踐技能應用發(fā)展。

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

三、基于PBL教學模式的人工智能課程OKSCPA教學環(huán)設計

人工智能課程的課程性質決定了其在教學過程中應運用新技術、新工程來激發(fā)學生的興趣，課程教學過程要求學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)理解教學內容并構建長期有效的知識理解，PBL教學模式能夠滿足這種教學和學習要求。為破解課程“內容抽象、理論性強、實踐性弱”問題，以“教師指導，學生協(xié)作”為設計思路，設計與PBL教學模式相融合的人工智能課程教學環(huán)節(jié)，教學過程以學生學習小組為單位組織實施，共劃分六個教學環(huán)節(jié)(OKSCPA教學環(huán))，如表1所示，包括“確立人工智能學習目標(Object)→獲取人工智能基礎知識(Knowledge)→學生個人自主學習(Study)→學生小組協(xié)作探究(Cooperate)→問題實踐求解(Practice)→教學綜合考評(Assess)”。這六個教學環(huán)節(jié)突出了PBL教學模式的自主性、合作性、實踐性、創(chuàng)新性等特點。在整個教學環(huán)節(jié)中，學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。相對于經典PBL教學模式的應用，OKSCPA教學環(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，促進了智能制造工程專業(yè)學生理論學習能力和工程實踐能力的協(xié)同發(fā)展。

表1 基于PBL教學模式的人工智能課程OKSCPA教學環(huán)

四、面向智能制造工程專業(yè)的人工智能課程PBL教學模式構建

本文以智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求為例，在經典PBL教學模式基礎上進行拓展研究，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教學模式

該模式強調以學生為中心，基于實際工程案例和關鍵工藝流程，結合人工智能教學內容創(chuàng)設情景問題，采用OKSCPA教學環(huán)來組織教學活動。教學活動中充分發(fā)揮學生學習的自主性、探究性和創(chuàng)新性，階梯式培養(yǎng)學生的綜合能力，有層次地引導學生對知識的深度建構。模式中對PBL教學模式關鍵要素(Problem、Base、Learning)進行重構，以適應智能制造工程專業(yè)較強的工程實踐應用背景。其中Problem引申為具有工程應用背景的教學問題。教學問題是PBL的核心要素，本文圍繞“人工智能知識、制造工程技術”，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難點，匹配人工智能課程專業(yè)知識，挖掘PBL教學問題元素，如表2所示。根據(jù)問題元素設計系列工程背景教學問題，制作具有一定啟發(fā)性和復雜性的人工智能課程PBL教學問題庫。Base引申為工科專業(yè)背景乃至課程學習目標的實施基礎，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目標、教學重點和教學方法，作為OKSCPA教學環(huán)設計的基礎依據(jù)。Learning引申為學會、學習結果或目的，指通過OKSCPA教學活動可以得到的結果或能力，具體設計為三個能力階梯：自主學習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 智能制造工程應用背景的人工智能課程PBL教學問題元素

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

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