基于“人工智能”的机电产品创新设计课程探索研究

骆雪汇

[摘           要]  本课程基于人工智能背景，面向机电工程类专业，对机电产品创新设计课程的建设进行探索和创新研究。介绍了当今人工智能的发展状况以及机电产品创新设计课程的现存问题，结合机电专业特征，探索课程的设计理念和创新特色，为高职院校机电专业学生的专业综合技能学习提供了一种更加有效的教学创新模式。

[关    键   词]  人工智能;机电产品创新设计;教学创新

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2020）51-0061-03

近年来，人工智能技术迅速发展并取得重大突破，成为引领全球科技和产业革命的代表性技术，是推动人类进入智能时代的决定性力量。在人工智能技术的浪潮下，其在推动高职院校的教学和创新改革等方面发挥着越来越重要的作用。

与此同时，提升机电产品创新设计能力是机电专业教学改革的必然要求。课程建设应符合高职教学改革的要求，顺应课程教学改革的趋势。为符合课程学习对象的知识结构，应将机电专业培养方案中的专业技能课程加以整合，形成一门新的综合应用设计课程。机电产品创新设计是机电工程师必须具备的思维方式和能力素养，而且以创新为核心的设计则是人工智能技术应用浪潮下的关键内容。因此，对于机电专业的课程建设而言，以强化机电产品创新设计能力为导向，基于人工智能技术进行课程目标重建、优化课程结构、调整课程内容等方面的课程改革势在必行。

一、课程教学环节的现状与存在的问题

机电产品创新设计课程是高职机电类专业技能拓展课，而且是实践性很强的技术应用型课程。能够进行机电产品硬件设计和编写控制程序形成软硬件综合应用的控制系统。在人工智能时代背景下，对于机电类专业的学生来说，这门课程作为一门重要的专业技能综合应用课程，对培养工科学生的应用系统创新设计思维，起到至关重要的影响。该课程的任课教师，需结合机电产品创新设计课程性质和机电类专业学生的知识特点要求，去研究新的教学理念和教学模式。最终，形成一套适合当今人工智能时代背景下高职院校学生学习的教学方法。

而现今多数高职院校，一方面在机电产品创新设计课程中一直沿用传统理论与实验相结合的教学模式，另一方面高职院校专业的学生在控制系统应用及編程设计方面又存在明显的不足，学生在学习过程中可能会觉得编程的教学内容比较抽象，这门课程成为一个教学“瓶颈”。最后，就是课程的创新设计与人工智能教育存在着较大的脱节，导致学生在设计课程作品上积极性不高，只为完成课程设计而设计。由此也导致老师的教学动力不足，在后期的教学中形成恶性循环。

二、课程理念与探索

通过课程问题分析，因此围绕“培养掌握机电专业知识，有团队合作精神，并具有较强的实践和创新意识的创新型技术人才”的课程目标，针对课程知识交叉、机电应用综合的课程特色，以强化学生的机电产品创新设计能力为课程目标。融合传统的机电课程体系，打造延续性和衔接性强，打破课程学时数少的限制，有效地提高学生机电产品创新设计能力、机电系统应用开发能力和团队协作能力的机电产品创新设计课程，形成机电专业优质专业能力拓展课程。具体探索如下：

（一）优化课程教学内容和衔接关系

在新修订的教学标准中，新教学标准综合“C语言”“电子电路设计”“单片机技术”等前修专业技能课程，从机电专业内涵、专业核心技能知识出发，对这门课程的内容与项目衔接关系进行规划和顶层设计，制订并不断优化课程教学标准，循序渐进地深入和拓展机电产品设计专业知识，并不断融入机电专业领域的创新知识与技术发展。

同时，基于“人工智能”的课程理念必须在教学实施中体现人工智能技术应用的特征，并符合创新型人才培养的目标要求。因此，面对大部分学生对人工智能概念模糊的情况，课程内容构建采用项目化教学模式。与传统教学模式相比，项目化设计的教学理念突出以学生为中心，对于基于“人工智能”的专业拓展课程非常适合，能有效调动学生的学习积极性和兴趣，同时还具有课程项目安排灵活和教学任务内容清晰等优点。在实施过程中，构建基于“人工智能”的课程项目化教学模式应满足：理论与实践一体化。基于“人工智能”的课程教学目标必须打破传统课程理论与实践教学脱节，或者是实践教学薄弱的情况，应把实践教学放在更加突出的位置。在教学实施过程中，增加更多和人工智能相关的并且具有创新性的教学内容和实践教学模块。

（二）优化课程教学模式

在课程教学内容与实践环节进行改革优化，通过加强实践来支撑课程教学内容，提升学生掌握课程知识的程度，提高学生的创新思维和设计能力，实现“知行合一、学以致用”，达成本课程教学目标。为此，基于“人工智能”的教学模式构建，精心设计和优化实践教学内容，在课程教学中提高创新项目的参与程度。

高职院校信息化建设越来越成熟，特别是线上线下混合教学模式得到广泛应用。基于“人工智能”的混合教学模式在理论教学方面，可以根据学生的基础、能力、目标等不同，混合不同教学理论来完成不同的教学任务，实现学生主动式的探索学习。在教学资源应用方面，除了课堂教学外，可以借助校园网的在线课程，丰富课堂知识，依托智能教学平台因材施教、因需而学，随时随地进行学习，还可以借助VR技术进行“跨时空”学习。线上线下融合以及虚拟仿真的教学模式，不仅充分发挥了人工智能技术的优势，而且增强了学生进行机电产品创新设计的能力。最后，在学习方式方面，传统的课程学习方式经常是学生独立完成项目，而在应用人工智能的学习环境中，学生或小组间的交流与协作变得简单容易，为学习讨论、团队协作提供了空间。基于“协作”理念建立学习小组，可以在学习过程中相互激励、共同探索完成课程项目，能显著提高学习效果。

（三）改革教学方法

倡导项目驱动式教学，强调智能教具的创新设计，并根据课程特色，以玩具教具为项目切入点，能有效激发学生的创新设计兴趣。随着人工智能技术的发展，一系列以此为载体的学习工具也已出现，特别是与人工智能相关的机器人教育教具，已越来越多地出现在我们身边。这类教具通常包含了智能编程、VR虚拟现实、物联网、智能化场景、人机交互等技术，以智能机器人为载体。因此本课程可以借助本载体进行线上编程等相关教具产品开发;或在传统教具基础上，创新加入智能化模块与元件进行硬件产品创新设计，可以很好地培养学生的人工智能思维和产品创新能力。

同时，编程是进入AI教育的第一步。学习人工智能相关软硬件的科技前沿应用，了解人工智能应用的方法和原理，通过趣味性编程课程调动学生课程学习兴趣，最终顺利完成机电产品创新设计课程，达到培养人工智能素养人才的课程目标。课程所应用的主要编程语言可以有Python、Scratch、C语言等。Python 简单易学，将算法和语言结合，对培养编程基础差的高职学生的人工智能编程能力和计算思维有明显的效果。

（四）构建基于“人工智能”的教学管理与评价模式

传统的课程考核通常是在期末进行一次性考核，考核评价方式通常为：平时成绩和期末成绩各占一定比例。平时成绩主要考查学生课堂练习、课后作业、实训结果等学习情况;期末考试则以闭卷方式进行。这样的考核评价方式往往是侧重于理论考核，对实践能力考核不够，不利于准确评价学生真实掌握技能的情况和调动学生的学习积极性，特别是对于专业技能拓展课程。为此，采用新的教学理念和考核方式来优化课程考核和评价，重点是要利用好高职院校智慧校园建设的现有成果，充分发挥人工智能技术在教学管理与考核评价中的作用。

课程教学管理模式要向信息化、精准化方向努力。信息化管理是人工智能时代最直接有效的管理方式，依托学校智能教学管理平台，课程教学可以对学生课程教学信息进行更多形式的数据量化，并进行客观比对分析、总结，为任课教师进行教学管理决策提供数据参考，大大提高了教学决策的科学性。同时也可以通过深度分析教学数据，能够更全面、客观地检验教学质量与教学效果，达到信息资源的精准智能分析和采用。教学评价需多元化、客观化，传统教学评价模式通常形式单一、指标僵化，多以书面评价为主，不能充分反映实际教学效果。而依托校园智能教学管理平台，實施多元化的数据量化评价。比如除任课教师评价外，另可以在校园智能教学管理平台增加学生自评、小组互评的评价过程，具有方便快捷、准确性高等特点。除此之外，利用数据平台技术可以动态监测学生在不同学习阶段的课程学习表现、成绩等信息，进而达到教学评价的实时性，更及时有效地反馈学生关于课程学习效果和评价的课程信息，最终更有针对性地进行施教。

三、课程作品创新设计的特征

（一）趣味性

在以项目为导向的教学过程中引入趣味设计的方法，在设计中将课程教学内容和课程交叉融合，并与生活相关的问题结合，可以有效地激发学生的学习动力。兴趣是最好的老师，将被动学习变为主动学习。寓教于乐的教学形式可让学生在创新、合作、分享、制作中获得成就感。更进一步激发学生的学习兴趣，刺激他们探索学习的思维能力。因此，智能教具设计的趣味性就显得更加重要了。从创新设计的目标来说，如何通过设计轻松的方式来达到最终的教学目标，就必须让机电产品设计具有智能性和趣味性。在设计过程中，要重点考虑怎样驱动学生的学习动力，简单地说就是要“好玩”，只有“好玩”学生才能容易接受，才能提升学生编程的学习动力，才能促进学生学习状态的良性发展，进而达到良好的学习效果，最终达到课程教学目标。

（二）开放性和协作性

课程创新设计不仅提供一种有趣的教学方式，而且需要开放思维和小组协作。鼓励学生在开放理念下DIY，实现他们的想法或创意。这就要求学生在设计过程中要考虑到产品设计的多样性，根据自己的想法去探索、创造各种可能的机电产品，鼓励他们充分发挥想象，创新设计，让课程作品创意畅通无阻。创新设计思维的培养是以项目式教学为导向，通过问题引导学生动手实践解决，在解决问题的过程中掌握课程知识点，结合科学的方法探索通过不同的方法去解决产品设计中的问题，用创新设计思维来激发学生的想象空间。

同时提倡学生在课程设计时相互协作，探索式解决问题，在这个过程中，学生的协作意识和团队精神也得到了加强。

（三）创新性

在产品设计过程中可以促进课程知识的融合，通过创新设计的作品展现学习的效果，评价学生对课程知识与能力的掌握情况。将知识有趣、合理地渗透到智能教具产品中也是必不可少的，符合了课程教学改革“玩中学、学中做”的新模式。实践创新与理论学习知识是相辅相成的关系，学习过程以实践创新作品形式来体现，实践作品以学习知识为目标。创新设计的智能教具必须以促进学生的创新思维能力发展为宗旨，创设一种探索问题式的情境和积极主动的学习气氛。

将新技术与教学相融合，作为本课程教学改革的内容和手段。新技术的利用可以让学生解决问题的方法多样化，充分激发和加速学生的产品创新设计的过程，让课程设计创意得到传播，并在其他课程分享，进而激发学生的创新动力，培养学生运用新技术解决问题和深度学习的能力。

四、课程的实施和总结

在本课程实施过程中，以智能教具为主要载体的课程教学设计不仅包含必要的基本专业知识，而且通过教具的辅助，可以很好地培养学生的创新设计思维和探索、归纳能力。智能教具主要由编程机器人和编程板这两部分组成，编程板上设有各种颜色、图标化、可触摸指令模块，即编程块。通过对编程块的编程调用来达到控制智能机器人的目的。

学生通过完成具体硬件设计，感受植入程序后产品功能的实际操作，学习智能化工作原理。如在智能机器人小车制作项目中，先用杜邦线连接液晶屏、驱动模块、超声波模块和Arduino 主板等，在相关资源网站获取或自行编写路径运动控制代码，然后将程序代码编译并写入，完成后即可完成智能小车的控制展示。在这个项目制作过程中，学生能够接触软硬件，理解代码在硬件设备中的控制原理，能够很好地了解智能控制方法和原理，形成关于人工智能的认知。

培养学生的学习兴趣，使学生理解人工智能的概念。培养学生学习机电产品的创新设计技能，将机电专业技能课程结合起来，通过机电产品的创新设计了解人工智能的本质、体验人工智能的乐趣。让学生自主思考如何创新，培养逻辑思维和创造力，提升编程和智能产品设计应用能力，即是本课程的最终学习目标。

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◎编辑 张 慧