人工智能发展背景下的教学改革研究

荆 萃

(天津市劳动保障技师学院，天津 300161)

一、引言

新技术革命以计算机技术、网络技术、通讯技术、大数据、人工智能技术等技术为主要载体。人工智能技术是多学科技术的综合性学科，其中主要包括计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、电子技术等，是未来工业控制技术的发展方向，具有技术范围广、知识要求复杂、多学科交叉等特点。2016年国家发布了《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》，根据世界潮流与中国实际国情首次提出建立面对人工智能服务的产业和配套服务体系职能和标准；打造世界领先的人工智能制造、运营企业和市场。在此基础上中国制造体系急需改造、创新，中国制造业从单纯的制造到“智”造的全方位升级、其中人工智能、物联网、大数据又将是现有制造业大踏步转型和升级的重要过程和环节。

自改革开放、特别是党的十八大以来，我国的职业技术教育飞速发展，硕果累累，并已经形成了较为完善的专业层次结构，把时兴的技术(比如：云计算、大数据、智能制造、物联网、移动互联、人工智能等)开始融入到教育、教学中来。为适应新技术、新知识的发展要求，教育、教学不能再局限于传统方式，要在传统教学的基础上再有新的发展、创新。

人工智能与职业教育的关系属于职业教育的功能范畴，一方面职业教育培养人才应对接人工智能发展需求，另一方面职业、教育也将通过深化教育、教学改革、创新新技术，促进和适应人工智能教育、教学的发展。当然，职业教育必须调整教育的层次、专业类别、发展目标、专业内容等，才能在未来满足人工智能发展对人才的需求。新科技革命时代以大数据、人工智能为代表，职业教育应主动适应与对接这种改变，对职业教育专业理念和教学模式进行创新，培养时代发展所需的高技能人才，充分体现职业教育的社会价值。

我国现阶段的大部分地区职业、技术教育的专业课程还是以传统的、单一技术(如：电工、电子、机电一体化、数控、计算机等)为教学内容的重点。从我国职业、技术教育发展自身需求来看，现阶段我国的职业、技术教育面临着巨大的挑战和改革、创新。

二、以数控加工技术课程为载体对传统教学方式进行改革

在职业、技术院校的机械类专业中，对人工智能相关领域教学领域的大胆创新、改革，重点突出当前企业转型升级中对人工智能制造、应用和维护等方面人才的需求。深入数控车床的操作、和运维教学中，引入人工智能领域的相关技术、如：语言识别、图像识别、语言处理、编程与加工、专家系统等内容，才能更好地提高教学。

(一)在教学中引入人工智能AR(Augmented Reality)

AR技术是在现实世界中叠加增强虚拟信息，也即给现实做“增强”新技术创新教学设计使资源立体呈现。例如数控车床编程与加工课程知识比较抽象，操作性强，传统单一讲授演示操作教学方法已完全不能适应目前当前关于人工智能课程环境下的学习方式。在课程教学课程设计上，应大胆实践、探索，引入符合课程的新技术。现实中AR叠加虚拟影像的技术，在多媒体教学中将相关知识与技术的难点制作成容易理解的、效果好的多媒体教学手段。(如：视频、动画、三维实体图形等动态资源。)利用AR 软件对二维码图像进行扫描识别技术，实现资源立体呈现，等多媒体交互功能。

(二)全息投影新技术是教师讲解实时助手

全息投影技术就是在三维空间中投射三维立体影像的显示技术。如在教师在数控车床编程与加工课程中进行理论讲解时，学生时常难以理解其编程语句与加工零件形状的对应，这时利用全息投影技术，将课程中用到的指令语句和图纸实时转换为三维实体，大大增加了视觉冲击感和视觉对应。达到了教师讲得轻松、学生听得懂、学得懂、记得牢地目的。

(三)智能监控评价新系统促进教学质量创新高

以前传统的对教学质量的监控与评价都是在课程或者是课题完成后通过考试来进行的。这样做的特点是可以集中反映教学中出现的问题，缺点是时间相隔较长，不利于学生、老师及时解决问题。利用智能监测评价系统就能很好的解决传统评价系统中的缺点，动态实时监控学生对知识点的掌握情况，记录学生对知识点的学习情况。其次，利用系统智能评价功能可以对每个学生知识掌握状况智能分析，并依据分析结果对每位学生做出个性化的测评考核。然后自动选择不同的试题组合对不同等级学生进行测验，呈现制定化的个性教学效果。

三、以机器人技术课程为载体对传统教学方式进行改革

现代职业教育的目的就是把学生造就成具有文化知识的技能型人才，要注重培养实践动手能力的培养。随着人工智能、智能制造这些新技术日新月异的发展，机器人技术更多的立足于拥有独立的学习智能处理程序。在我们学习中对于机器人技术、电工基础、电子技术、PLC控制技术、单片机原理与接口技术、自动控制原理的课程需要深入了解及精通，这些课程波及范围比较普遍，学生须要通晓这些课程所波及的领域，形成系统的知识脉络。

(一)通过综合性实验、实训和课程设计的办法进行改革

通过综合性实验和课程设计的办法，开展机器人课程，借用物联网技术，实践操作较高精度的量化，机械臂的操作实践在教学实习操作占有大量资源，这样不仅提升学生对专业知识系统结构和对专业课程的认知能力，也能对于人工智能及针对不同实训内容进行适应性调整，让它成为职业院校必修的课程。为学生提供一个可以施展自己创造力、发挥想象力和运用专业知识的空间。另一方面，带领学生围绕机器人搭建课程设计的模块，如各类竞赛机械人模块、步进电机控制模块、编程测试系统模块、传感器测试系统模块、伺服电机模块等，培养学生的手脑结合和创新创造意识。

(二)实践教学改革

在实践教学方面，采用的教学是模拟仿真软件和实体工作站集成的方式。现有的机械人设备、控制柜、PLC、工控机、传感器等放置在既定的位置，学生可根据前序的设计，自行选用相应的模块进行集成。学生先根据教师所提供的产品及需求进行相应的机器人工作站设计，将机械设备、机器人的数模导入到仿真软件中；然后，自己进行布局设计，规划路径，形成代码，并将离线代码导出。在这个环节，学生需要生成生产过程视频，用于考核和后续工作。

(三)课程教学创新教学方法与模式

在课程的建设中，我们不断探求新的教学方法，尝试了云班课互动、课件的演示、翻转课堂、网络实验、课外慕课等一系列的新型教学模式。

1.改革传统教学形式，采用多种教育教学和信息技术手段。采用翻转课堂、慕课和微课的教学模式，多媒体、Flash动画演示等来激发和培养学生的学习主动性，引领学科前沿。建设网络课程，把电子课件、视频、微课上传到学校网络平台，学生自主下载进行学习。配合教学辅导书，使课程教学质量得到显著提高。

2.采用新型课程设计，加强操作实践环节。培养学生的主观能动性和思维创新性，培养了学生编程、设计开发能力和探索实验研究能力，拓宽校企合作订单式人才培养模式，聘请有技术经验的企业工程师来课堂讲学等方式，提高了课程的教学质量。

3.机器人工作站按照生产模式，每组需提交设计方案、材料明细、装配图、机械零件图、电气布局纸、安装说明、仿真视频和离线程序等，教学任务按照大纲要求规定保质高效地完成，使学生对知识系统得到拓展，全方位锻炼能力，真正体会到学以致用。

四、以电梯工程技术课程为载体对传统教学方式进行改革

电梯课程是传统的机电一体化课程。在教育教学中应用智能化的高端科技技术,提高教育的有效性，锻炼学生的实操能力和对电梯控制技术的综合应用能力。

(一)从现代教育技术学生的角度出发，融入人工智能新举措创新教学实施电梯课程的教学现场

将人工智能技术与电梯技术物联网技术领域相融合,可以使电梯更加智能例如可以实施监控电梯的使用情况和运营状态,智能语音回复功能和维修保养信息。针对电梯控制方面，通过人工智能技术的应用对其进行了处理,使整个电梯物联网操作安全性得到大幅提升。人机交互电梯安装与维修课程，维修时机器进行报错，进电梯的刷卡服务功能，人工智能技术提供了优化的解决方案，解决了课程教学实施中的问题，引入人机交互电梯安装与维修充当实训教师角色，及时解决教学课程中的问题和难题。尝试为电梯安装与维修课程设计人工智能系统模块，营造良好的人机交互环境，加强电梯相关技术与信息技术的整合。探索人工智能在电梯教学中应用的价值领域，教师根据知识结构体系将理论知识存储在网络平台知识库中，教师对学生进行系统测试，从而清晰了解学生对基础知识和技能的掌握情况。系统根据相关课题实训任务为学生提供个性化的课程，开发学生的主观能动性，创造型，对学生的整个学习过程评估分析，获得个性化、特色化指引和帮助。

(二)加强相关学科实训教学实验平台建设

电梯的电气控制部分涉及知识是电气控制与PLC课程，实训课程开设过程中，对学生的教学仅限于对电梯控制系统硬件结构的认识，对于电梯的轿厢运行和开关门控制实验，只能进行演示，缺少让学生切实编写程序动手操作的环节。电梯设备施工技术与人工智能化及相关专业，学生专业技能得以发挥施展，采用能展现设备内部元器件的电梯教学设备，让学生对电梯内部构造有直观认识，类似缩小版电梯模型。基于实践教学的灵活性和实际性，提出了电梯控制系统模拟教学实验平台开发研究课题，将原有可编程控制器换为工业自动化控制主流的西门子 S7-200，以电梯系统作为被控对象，深入学习可编程控制器技术，使学生切实学到电梯控制技术相关技能，开阔思维、创新能力。该实训系统具有贴近实际、性能可靠、便于教师、学生操作学习特点。针对学生的特点，开发研制适合学生动手操作的实验项目，分为基础实验和拓展实验。

(三)VR(Virtual Reality虚拟现实)技术在实训教学设备中的应用

VR技术具有最重要的三个特征，交互性，沉浸感和构想性。只在提供多维感觉通道和类似现实的全面信息，让参与者通过VR技术设备，在虚拟环境中获得视觉，听觉，触觉及嗅觉等多种感知，全方位调动人类感知，发现问题，解决问题。深刻的提高学习效率，保证学习效果。这类的职业教育课程，可以使得学生全方位，发散性的了解，认识VR技术的应用要点，并拓展到更广阔的现实需求；甚至可以作为人机交互最重要的方式之一，完全可以和当下热点的人工智能应用融为一体。在整个教学过程中，按照学习效率理论的研究成果，VR技术提供了包括“示范演示”，“小组讨论”，“实作演练”，“转教他人即刻应用”等多种高效的学习场景；为高效教学的深入改革提供了有益的尝试。

1.系统课程内容制定。按照电梯国标设定了不同类型电梯种类、型号和性能参数的教学模型。课程可作为理论知识的辅助系统，头显装置、操控手柄、三角支架、定位装置。“练”是指操作规范，学生通过对虚拟仪器和工具的使用，充分体验现实中电梯设备各个系统协调工作的组成和原理，系统还会统计学员的操作步骤规范性和使用时间，自动完成测验评分。

2.采用虚拟现实技术模拟电梯拆装。把电梯的内部构造、运行方式、性能特征等通过实时动态的形式模拟出来。各零部件都参照实物的尺寸和外观进行构建，以及手部力触觉感应，达到了真实的模拟效果，通过身临其境的观察、拆装电梯过程，将抽象的概念与问题直观、形象反映给学生，激发学生独立思考能力。为使学生更好地理解电梯结构与工作原理，学生在电梯空间内体验各个部件的结构与组装方式,在教学中运用重要且复杂电梯部件的组件进行拆分建模，将相对复杂，庞大的整体部件分解成各个较小组件并采用虚拟现实技术模拟电梯拆卸、安装过程。

3.课程软件实训平台开发。此种实训平台软件选用 Unity3D编程软件，该软件具有易于掌握，便于编程的特点，软件平台需集成电梯成套虚拟模型、让学生在虚拟环境中实现较完整的课程交互教学过程。

四、结语

人工智能系统是多学科交叉高度复杂的一体化系统，在现代社会生产、生活中运用越来越广泛。尤其在智能控制、智能制造、教育、生活中应用比重逐步增加。职业教育只有与时俱进、顺应时代发展，这样才有鲜活的生命、才会培养更多符合社会需求的技术人才、促进我国经济社会发展。这就要求职业院校的教师和学生，紧贴新时代发展的要求，才能提高综合学习能力、多领域的理解力、自我思考创新能力、多种类学科融合能力。要想在人工智能时代抢得先机，人才的储备尤为重要，现代职业教育培养中的“技术型、复合型、创新型、艺术型、职业道德型”已成为统一要求。过去我们习惯于学科型教育培养人才；而在当前全体系制造业发展的大背景下，各个制造业单位必不可少掌握熟练技能的匠心人才，更好的服务于制造业的基础性技艺创新。