基于人工智能场域的智能制造专业群新型教学体系构建

唐立伟 龙育才 朱冬

摘  要 人工智能（AI）助力制造向智造转变，传统的教学体系已经无法满足制造企业对创新型、复合型智造技术技能人才的需求。基于智造新的人才需求，融合物联、数联、智联信息技术，从智能教学平台打造、“人工智能+X”人才培养模式改革、数字化教学资源体系构建、实训基地智能化改造四个方面进行创新，最终形成“一平台、一模式、一体系、一基地”的智能制造专业群新型教学体系，为教师和学生提供多元化、个性化的教与学。

关键词 智能制造专业群;人工智能;智能教学平台;智能校园;智慧教室;数字化教学资源体系;实训基地

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）20-0037-04

Construction of New Teaching System for Intelligent Manufac-turing Professional Group in Artificial Intelligence Field//TANG Liwei， LONG Yucai， ZHU Dong

Abstract Artificial intelligence helps the transformation from manu-facturing to intelligent manufacturing. The traditional teaching sys-tem has been unable to meet the needs of manufacturing enterprises for innovative and compound intelligent manufacturing technical talents. Based on the new talent demand of intelligent manufacturing， integrating the information technology of IOT， IIOT and AI， innova-ting from four aspects： intelligent teaching platform， “AI +X” trai-ning model， digital teaching resource system and intelligent trans-formation of training bases， and finally form a new teaching system of “one platform， one model， one system， one base”， it provides di-versified and personalized teaching and learning for teachers and stu-dents.

Key words intelligent manufacturing professional group; artificial intelligence; intelligent teaching platform; intelligent campus; intelli-gent classroom; digital teaching resource system; training bases

0  前言

人工智能的快速發展，引发“制造”向“智造”转变，传统的教学体系已经无法满足制造企业对创新型、复合型“智造”技术技能人才的需求。2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，强调“利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。开展智能校园建设，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用”[1]。基于“智造”新的人才需求，本文提出从四个方面进行改革、创新，最终形成“一平台、一模式、一体系、一基地”的智能制造专业群新型教学体系。

1  打造智能教学平台

智能教学平台是基于计算智能技术、学习分析技术、数据挖掘技术以及机器学习技术等，为教师和学生提供个性化教与学的教学系统[2]。运用人工智能的数据精准采集与分析能力，可动态捕捉师生群体学习情景及个性化特征，有助于学生找到自己的不足和盲点，更加高效地学习;教师则可以掌握学生的学习情况，从而提供即时、科学有效、针对性的教学。智能教学平台主要从两个方面进行建设。

1.1  创建优化智能校园环境

中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》提出：“建设智能化校园，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台”[3]。智能校园是基于人工智能的智慧校园，可被视为高阶智慧校园。智慧校园建设始于2010年，其发展经历了以互联网等技术为支撑的数字化校园和以现代信息技术为支撑的低阶智慧校园两个阶段，目前正在朝高阶智慧迈进。数字化校园注重于单纯的网络基础设备、数字化资源建设，技术反哺教育的能力差。低阶智慧校园智能化程度不高，在学习状态识别、大数据处理、情境感知等方面成效不佳。人体识别、智能感知、情感计算、AR（虚拟现实）等多项AI技术的应用较好地解决了这些问题。

智能校园主要从环境、管理、教学三个方面进行设计与建设。首先对现有的网络基础设施和智能感知设施进行升级、优化与完善，智能设施融入校园生活的各个领域，营造快速、便利、智能的生活学习环境;其次，通过物联网、大数据分析，实时获取校园各维度情况，提升校园综合管理质量;最后，基于AI技术，校企共建网络教学平台、数字课程资源、虚拟仿真实习实训资源和智能实训基地，打造“理实一体、虚实结合、开放共享”的教学平台，推动学校智能教育发展。

1.2  打造基于AI的智慧教室

智慧教室旨在打造一个虚实结合的全景化教学场景，通过AI、机器视觉、大数据分析等技术驱动教学模式走向多元化。传统多媒体课堂已经难以满足现代教学需求，问题主要表现为：教学模式单调、教育数据匮乏、师生互动不足、教室管理烦琐、个性化需求无法得到满足。因此，智慧教室应运而生。智慧教室从基础设施层、数据业务层、教学评估层进行一体化设计。基础设施层主要由多媒体教学系统、远程互动录播系统、师生终端、环境设备智能管控系统组成，通过物联网融合对设备进行统一管控，营造一个良好的教学空间环境。数据业务层是在大数据环境下为课前准备、课中互动、课后提升提供整体的教学服务平台，一方面推送教师教学资源和学生学习资源，教学内容多样化、情境化，教师可借助VR、AR（增强现实）、MR（混合现实）等技术手段进行多维交互体验式学习[4];另一方面采集及分析课堂教学活动中产生的数据，生成数据库，形成个性化教学诊断报告，实现多元化、个性化的教与学。教学评估层是分析及处理课堂数据、评估课堂教学质量的平台，管理者据此改善教学决策，教师改进教学，推动学生自主、有针对性学习。

2  创新智能制造专业群人才培养模式

在“制造”向“智造”转变过程中，人工智能技术对制造业就业结构、需求产生深远影响。一方面，传统一线操作工等岗位被工业机器人取代，表现为就业替代效应;另一方面会催生出新的行业、领域，产生新的岗位，表现为创造效应[5]。随之而来的，职业院校的人才培养目标、培养内容、培养方式、评价机制等要进行相应变革，以满足制造业对人才新的需求。为适应新的形势，确保学生知识和能力结构与市场需求有效匹配，娄底职业技术学院智能制造专业群提出“人工智能+X”人才培养模式，其中“X”是X证书。该模式基于人工智能和“1+X”证书制度，通过人工智能的融入实现人才培养多元化、个性化、智能化，X证书来源于实际职业岗位群中多个工作领域，集合了其典型工作任务中的核心知识点与技能点，可培养学生的综合职业能力。

“人工智能+X”人才培养模式改革路径如下。

一是“以链建群”，调整培养目标。对接湘中地区装备制造产业链，聚焦智能制造这一技术领域，按照“专业基础相通、技术领域相近、职业岗位相关”的原则，由机电一体化、智能控制技术、工业机器人、机械制造与自动化等专业组建智能制造专业群。精准分析高职学生在智能制造领域对应的需求层次与岗位要求，将以前的高素质技能型人才培养目标定位转为“掌握现代信息技术的创新、多元、复合型技术技能人才”。

二是更新培养内容，培养内容要体现多元化、个性化、智能化的特点。目前高职人才培养方案课程包括公共基础课、专业基础课和专业核心课，课程基本上都是由学校和专业教研室提前设置好的，选修课的数量少且流于形式，学生很难找到满足自身需求的个性化学习课程和课程资源。而且跨专业的课程和人工智能方面的课程稀缺，无法满足制造企业对创新型、复合型“智造”技术技能人才的需求。为此，可采用人工智能学习者画像技术精准把握学习者个性特征，积累个性化培养的大数据基础，通过智能教学平台推送个性化学习资源;打破智能制造专业群各专业之间的课程壁垒整合课程结构，形成“大智造”的泛专业课程教学，实现学科交叉融合;补充人工智能相关课程，或者一线教师在授课当中适当增加一些人工智能的知识点，从而实现多元化、个性化、智能化的人才培養。

三是改进培养方式，采用产教融合、课证融通培养方式。产教融合是校企合作发展新模式，可有效克服“制造”向“智造”转变过程中产生的就业、师资及实训条件等方面的瓶颈。学校与宜科科技有限公司、上海景格科技股份有限公司等合作，以共建智能制造与工业互联网学院为赋能载体，共建产教融合实验基地为赋能场景，共设产教融合的教育体系为赋能方法，共编产教融合的教程教材为赋能内容，构建四位（政府、企业、院校和学生）一体产教融合共同体。课证融通是将X标准有关内容及要求融入原来的专业课程，可采用“多对多”的模式将专业群与X证书群对接，X证书的多样性、可选择性有利于促进学生个性化发展。

四是创新评价机制。以学生为中心，以“校、企、教、生”为评价主体，评价内容集专业课程、思想教育、信息化学习、技能大赛、X证书于一体，构建多元化、多维度的评价机制，同时利用人工智能机器学习和人机交互等技术对人才培养进行过程化的监测和评价。

3  构建数字化教学资源体系

基于AI、VR和AR技术，政、校、行、企多元联动，按照一体化设计、结构化课程、新技术支撑、协同化团队、智慧化平台、开放式管理、持续性更新的要求，构建优质共享、虚实结合型专业教学资源库，提供智能化教学资源服务。智能制造专业群资源库框架如表1所示。

资源库包含六个中心库与三个特色园：基于智慧职教平台，建设专业园地、课程中心、微课中心、职业培训、技能训练及素材库共六个中心，虚拟实训、农机智造、职教立交桥三个特色园地。资源库集教学设计、教学实施、虚拟实训、职业培训、职教立交桥为一体，提供在线浏览、智能查询、资源推送、教学组课、在线组卷、网上学习、在线测试、在线交流、APP手机应用等服务，实现共享型教与学、继续教育与培训、就业服务与管理、技术交流推广四大功能[6]。课程中心是建设的重心，包含各专业核心及“大智造”的泛专业课程，多采用图片、文本、音视频、动画等媒体形式，把课程从抽象变得直观，从呆板变得鲜活。微课短小精干，便于碎片化学习和移动学习。MOOC（慕课）难度较深，有利于教师将网络教学和课堂讲授结合起来，便于线上线下混合式教学。

在技术手段上，借助于大数据、互联网平台，利用AI、VR和AR技术，打造一个虚实结合的全景化教学场景，提高资源库的应用效力，实现“能学”“辅教”，打通资源库落地的最后一公里。AI画像技术能精准把握学习者个性特征，能最大限度地满足不同学习者个性化的学习需求;VR能无差异还原现实存在的场景，AR通过叠加全息影像加强视觉呈现，打破空间、时间界限，创造出虚拟与现实、数字与实体、线上与线下相融合的沉浸式环境与多维交互学习体验，从而达到良好的学习效果。

4  融入IoT、AI改造实训基地

娄底职业技术学院已建有现代制造技术实训基地，功能较齐全，基本满足学生实训教学要求。但是大多数实训室是根据各个专业的教学需求建设的，功能划分不合理;装备智能化水平低下，大部分是单机操作;实训管理尚未实现信息化，不利于智能校园建设的推进。整合智能制造专业群实训资源，融入IoT（物联网）和AI技术进行智能化改造势在必行。

4.1  整合实训资源

依据智能制造专业群各专业课程之间的交叉与独立关系，遵循既突出学校重点又兼顾智能制造专业群建设的原则，形成包含公共基础、专项技能、综合等实训平台的科学层次结构。公共基础实验实训平台主要用于专业群公共的专业基础模块课程中，完成专业课程的基础实训任务，主要包括钳工实训室、电工電子实训室、传感器实训室、电机控制实训室、工业机器人基础实训室、液压气动实训室。专项技能实训平台主要用于各专业的核心课程中，完成专业核心课程的专项实训任务，主要包括普通机加工车间、数控加工车间、工业机器人应用实训室、智能制造虚拟仿真实训室、教学型智能制造实训室、机器视觉实训室、工业物联网实训室、工业网络实训室。综合实训平台主要用于综合性的生产性实习，实践内容注重与岗位要求对接，使学生对智能制造有感性且直观的认识，了解智能制造相关的文化、技术、生产、前沿应用等内容，以及开展安全教育，包括自动产线车间、生产型智能制造车间、智能加工车间、物料准备间、安全教育与学习准备间、可视化控制室。

4.2  智能化改造

数据采集与监控是实训基地实施智能化改造的关键。以IoT为基础、大数据为纽带、AI为驱动，进行智能化改造，打造共享智慧型生产性实习实训基地与智能化管理平台。在实训车间引入IoT技术，为生产设备、工件等生产资源配备传感设备，实现物与物、物与人、物与环境之间的互联[7]，采集生产过程信息与实训室状态信息并通过网络上传至数据库;AI以此为依据，对实训基地的生产活动进行自协作管理，从而实现制造车间的智能化生产和实训基地的远程巡查、远程控制，使实训基地的管理更加科学化、规范化和开放化。

5  形成新型智能教学体系

通过四个方面的改革、创新，最终形成“一平台、一模式、一体系、一基地”的智能制造专业群新型教学体系，如图1所示。该新型教学体系以创新型、复合型“智造”技术技能人才为培养目标，以智能校园建设为抓手，利用人工智能、大数据和物联网为代表的新一代信息融合技术，优化教学环境，构建优质共享、虚实结合型专业教学资源库，对实训基地实施智能化改造，凸显智能特色，非常有利于多元化、个性化学习，有利于智能制造业人才培养，对加速促进中国智能制造业的发展同样具有重要意义。■

参考文献

[1]国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[A/OL].（2017-07-20）[2021-04-08].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]北京师范大学：2016全球教育机器人发展白皮书[EB/OL].（2017-10-06）[2021-04-08].http：//www.199it.com/archives/640276.html.

[3]中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[A/OL].（2019-02-23）[2021-04-08].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_5367987.htm.

[4]赵俞凌，陈晓龙，姚远.VR技术视域下高职虚拟混合学习系统类型与应用研究[J].职业技术教育，2020，41（32）：62-65.

[5]龚红，罗岩，彭姗.技术进步对老年再就业产生了“补偿”还是“侵蚀”效应？[J].中国软科学，2017（11）：77-85.

[6]林晓辉，曹成涛，关少珊.交通安全与智能控制专业教学资源库建设思考[J].中国电力教育，2012（34）：51-53.

[7]徐青，冷晟，谢小明，等.物联技术下智能制造车间自协作管理方式研究[J].机械制造与自动化，2019（2）：115-118.