大數據與人工智能賦能下的智能化焊接技術及其教育革新

摘要：文章探討焊接技術的最新進展，分析焊接智能化發展的必要性，闡述智能化焊接教育面臨的主要挑戰，提出修正認知航線、跨越學科之橋和播種創新之花的解決方案，并結合實際教學案例，糾正學生對焊接行業的誤解，促進學科的交叉融合，提高學生的創新能力，從而推動智能化焊接教育的改革與發展，為制造業和教育領域的發展提供重要參考。

關鍵詞：大數據時代；人工智能；焊接技術

一、引言

我國正處于重塑制造業國際競爭力的關鍵階段，各類大數據在智能制造中的應用日益廣泛。在這一背景下，數據不僅是一種資源，還是推動產業發展的重要驅動力。制造業智能化進程加速使得傳統焊接產業逐步向智能化焊接方向轉型和升級。

在大數據時代，智能化焊接技術作為一項領先技術，不但在制造業領域展現出巨大的潛力，而且在本科生教育中也呈現出全新的戰斗活力。因此，如何有效應對智能焊接教育所面臨的諸多挑戰，進一步發揮其對本科生的引領作用，成為一個值得深入探討與研究的重要課題。

二、學科現狀

（一）焊接技術的發展現狀

一方面，傳統焊接技術如電弧焊、氣體保護焊、氬弧焊、氣焊、電阻焊等，經過長期發展，已形成成熟的工藝體系和標準規范，涵蓋了焊接材料、設備、工藝和質量檢測等方面。然而，傳統焊接技術在提高生產效率和質量方面仍存在一定局限性，影響了生產的一致性和可靠性。另一方面，焊接技術水平不斷提升，應用領域迅速擴展至高新技術領域，產學研結合成為推動焊接技術創新的重要動力。大學、科研院所與企業緊密合作，加速了焊接技術的研發與轉化。

目前，焊接技術正朝著智能化方向發展，對高素質焊接人才的需求日益增加。因此，高校亟須創新人才培養模式，特別是加強學生實踐能力和創新意識的培養，以適應智能化焊接技術發展的需求。

（二）傳統焊接現狀

傳統的焊接技術已在工業生產的諸多領域得到應用。例如，在汽車制造業中，焊接技術被用于車身結構的連接，包括車架、車身板等部件的焊接；在航空航天領域，焊接技術廣泛應用于飛機、航天器等金屬結構的制造和修復，包括飛機機身、發動機零部件等。

然而，傳統焊接的效率和質量往往依賴于焊接師傅的技能水平，對生產的一致性和可靠性提出了挑戰。隨著制造業的發展，焊接技術引入機器人和自動化設備，顯著提高了焊接生產的效率和質量，減少人為因素的影響。盡管傳統焊接在技術方面取得了顯著進展，并形成了完善的技術體系和豐富的應用經驗，但進一步推進自動化和智能化轉型升級仍面臨挑戰。

（三）智能化焊接現狀

智能化焊接是一種融合傳感器技術、自動控制系統、數據分析、機器學習和人工智能的先進制造工藝，通過實時監控、數據驅動的自適應控制和自動化操作，實現高精度和高效率焊接。隨著“工業4.0”和“中國制造2025”戰略的推進，智能化焊接技術正迅速發展，智能焊接機器人、自動化焊接生產線和先進傳感技術得到了廣泛應用與推廣。

例如，張廣軍等人通過引入信息流和多源傳感技術，獲取焊接過程中的數據，并利用大數據和人工智能技術對其進行處理和分析，實現對焊接動態過程的多模態信息感知、知識判斷與智能化控制。解決了傳統焊接技術在智能化、網絡化方面的諸多瓶頸，為焊接過程中的智能檢測和自適應控制提供了理論基礎與技術支持。

此外，林尚揚等人介紹了機器人智能化焊接技術在多信息傳感、知識提取與建模及智能化控制等方面的關鍵技術，并結合焊接試驗研究經驗，展示了機器人智能化焊接技術在運載火箭貯箱中的技術突破及應用成果。

三、智能化焊接教育面臨的挑戰

（一）認知偏差

目前，部分學生對焊接專業存在一定的認知偏差。焊接作為傳統制造業的一部分，常被視為工藝簡單、技術陳舊的職業，相較于時下更受關注的新興行業，顯得不夠吸引人。焊接工作環境相對艱苦，高溫、高噪聲和有風險的操作環境，使一些學生望而卻步。此外，學生對現代焊接技術的智能化、自動化發展及其應用了解較少，對焊接專業的理解存在偏差，認為其發展受限、工作條件艱苦、技術含量不高，這導致選擇焊接專業的學生人數逐漸減少，焊接行業面臨人才短缺的問題。

（二）跨學科障礙

智能化焊接要求學生學習焊接工藝、機械工程、材料科學和控制工程等領域的知識。這種跨學科的融合是一種全新的學習經歷，學生需要不斷地理解和整合不同領域的知識。此外，智能化焊接技術的復雜性可能使學生產生畏難情緒，因為焊接本身是技術密集型工作，要求學生準確掌握工藝參數、材料特性及設備操作，而智能化焊接還涉及傳感器技術、數據分析、機器學習等交叉學科。

（三）創新意識不足

焊接智能化技術的發展需要較高水平的科研能力和創新意識，以應對復雜的工程問題和技術創新。然而，由于學生較少接觸智能化焊接技術和方法，缺乏將這些思路轉化為實際可行解決方案的能力。因此，當學生面對智能化焊接技術的研究和應用時，常常難以獨立思考并提出有效的創新解決方案，也難以意識到智能化焊接技術對提高焊接效率、質量的重要性。

四、智能化焊接教育的改進途徑

（一）修正認知航線

首先，教師可以普及焊接技術的基本原理、應用領域和前沿技術，介紹焊接行業在國家制造業中的地位和發展前景，改變學生對焊接的固有印象。其次，教師可以開展職業體驗活動或實習機會，讓學生親身體驗焊接工作的實際情況，增強他們對焊接行業的了解和認同。同時，加強安全教育，提高學生對焊接工作環境的適應能力和應對能力，減少對環境危害的擔憂。最后，教師可以引入現代焊接技術的案例研究和應用實例，結合實驗室教學和科研項目，鼓勵學生參與智能化焊接技術的研究和開發，提高創新精神和實踐能力，從而提升他們對焊接行業的認知水平。

例如，在江蘇科技大學的焊接課程中，教師引入了智能化焊接技術的實際案例和實驗環節。教師通過讓學生親自動手操作，了解智能化焊接設備的工作原理和應用場景，培養學生對焊接專業的興趣和信心。同時，在焊接試驗中，學生使用配備視覺傳感器和自主路徑規劃功能的焊接機器人，完成了復雜形狀金屬件的焊接任務，并通過視覺實時監控系統，觀察焊接過程中的焊接圖像和數據變化，學習如何調整焊接參數以獲得最佳的焊接質量。此外，教師還組織學生參觀了鍋爐廠、船廠等制造企業，讓他們親身體驗焊接工作的實際環境，感受智能化焊接的應用場景，糾正對焊接行業的誤解。

（二）跨越學科之橋

為了應對智能化焊接交叉學科的挑戰，教師可以建立跨越學科的解決方案。首先，教師通過精心設計的課程內容和教學方法，引導學生逐步建立對焊接工藝、機械工程、材料科學和控制工程等領域的基礎理解，激發他們的學習興趣和動力。其次，教師應提供良好的學習資源和環境，如圖書館、實驗室和在線學習平臺，幫助學生自主學習和探索，加強他們的自主學習能力和跨學科整合能力。最后，教師可以采用案例教學法和問題導向式教學法，讓學生通過解決實際問題和應用案例來理解并掌握相關知識。教師結合實驗教學和項目實踐，讓學生在實際操作中逐步掌握智能化焊接技術，培養學生的實踐能力和解決問題的能力。

例如，在焊接智能制造課程教學中，教師將焊接工藝、控制工程、計算機和人工智能相結合，要求學生完成一個基于傳感信息的焊接參數檢測，以提高他們跨學科整合能力。學生通過設計焊接傳感系統，實時采集焊接數據，開發算法以檢測焊接參數，實現焊接過程控制和質量檢測。在這個項目中，學生通過先進的機器學習軟件，分析焊接過程中產生的大量數據，從而預測和預防焊接缺陷。此外，教師還安排學生與計算機科學和機械工程專業的學生合作，利用他們在編程和機械設計方面的專長，共同完成智能焊接傳感和檢測項目。通過這種方式，學生不僅學會了如何應用不同學科的知識解決實際問題，還提高了團隊合作和溝通能力。

（三）播種創新之花

為了培養本科生的創新意識，高校需要全面優化課程設置和教學內容。首先，高校通過增加焊接智能化技術相關課程和實踐環節，加強學生對智能化技術的認知和理解，從而激發他們的創新潛力。其次，高校鼓勵學生參與科研項目和實踐活動，并為他們提供充足的實踐平臺和資源支持，幫助學生在實踐中探索和發現問題，進而提出解決方案，培養學生獨立思考和創新能力。最后，高校通過建立學生導師制度，為學生提供個性化指導和支持。

同時，教師還要鼓勵學生參加大學生創新創業訓練計劃項目、全國大學生焊接創新大賽、中國國際大學生創新大賽、大學生挑戰杯等國家級比賽，激發學生的創新意識和實踐能力。江蘇科技大學與船廠、鋼鐵廠、鍋爐廠等制造企業合作，為學生提供實習機會和技術培訓，讓學生親身體驗焊接流程，掌握大型結構件的焊接技巧，并了解不同行業的標準，幫助學生將理論知識應用于實際工作中，提升職業素養、實踐能力和創新能力。

五、結語

在大數據時代，焊接技術的進步與智能化發展是制造業轉型升級的重要組成部分。然而，智能化焊接教育面臨的認知偏差、跨學科障礙和創新意識不足等挑戰，嚴重影響了智能焊接技術在教育和實踐中的應用與推廣。通過普及現代焊接技術知識、加強跨學科教育和實踐、激發學生的創新意識與能力，可以有效提高智能化焊接教育的質量。這些措施不僅為智能化焊接技術的教育改革提供了重要參考，也為培養適應未來制造業需求的高素質焊接人才j2M5c+73IkuoYQJydO0kXQ==奠定了堅實基礎。

參考文獻：

[1]袁陽，陳慧.大數據時代對高校思想政治教育的影響及創新路徑研究[J].改革與開放，2023（24）.

[2]林尚揚.我國焊接生產現狀與焊接技術的發展[J].船舶工程，2005（27）.

[3]王野.手工電弧焊的焊接工藝淺談[J].冶金管理，2022 （2）.

[4]宋麗平，楊新華，高章虎，等.數字化背景下智能焊接技術專業教學改革研究與探索[J].焊接技術，2023（12）.

[5]張廣軍，李永哲.工業4.0語義下智能焊接技術發展綜述[J].航空制造技術，2016（11）.

[6]林尚揚，楊學勤，徐愛杰，等.機器人智能化焊接技術發展綜述及其在運載火箭貯箱中的應用[J].上海航天（中英文）， 2021（3）.

[7]陳華斌，陳善本.復雜場景下的焊接智能制造中的信息感知與控制方法[J].金屬學報，2022（4）.

[8]蘇娜，李文達，王加友，等.新工科背景下智能焊接融入思政教育建設路徑的研究[J].電焊機，2024（54）.

基金項目：本科教育教學改革研究項目“數字化轉型下智能焊接教學方法及內容改革研究 ”，項目編號：XJG2024015；鎮江市社會發展指導性科技計劃項目“搖動電弧窄間隙焊接圖像感知及焊縫偏差檢測技術研究”，項目編號：FZ2023110。

（作者單位：江蘇科技大學）