智能制造背景下机械工程专业课程线上教学环节设计*

郭维诚 ，江小辉

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

随着人工智能技术在多元化产业中的不断应用，目前全球制造业的发展趋势也逐步向智能化方向发展，许多国家都在寻找制造业智能化的突破口，以抢占未来经济科技发展的先机。美国提出了先进制造业国家战略计划，完善制造业的智能与创新政策；德国发布了“工业4.0”战略，形成以智能制造为主导的第四次工业革命。对此，我国在《中国制造2025》中明确了未来制造业的任务和重点，并指出智能制造是我国从制造大国向制造强国转变的重要推手，也是我国制造业产业转型的核心内容。通过研究制定智能制造发展战略，加快发展智能制造装备和产品，在信息化浪潮中推动产业转型升级，促进传统制造业与互联网、3D 打印、机器人等新兴科技领域的有机结合，从而提高我国制造过程的智能化水平[1]。

为了响应智能制造的持续发展需求，国内高等院校相继开设智能制造相关专业，通过教授机械工程、电气工程、计算机与信息技术等智能制造相关学科的基础知识和技能，以期培养能够从事智能装备和产品的设计制造、工程研发以及智能工厂生产管理等工作的高级人才。在此背景下，如何将人工智能、大数据、云计算等前沿技术深度融入“机械设计”“机械原理”和“机械制造工艺”等传统专业课程中，加强学生对于智能制造行业的概念化理解与专业化应用，是目前机械工程专业建设与人才培养所面临的新挑战。近年来，受新冠疫情影响，高等教育的教学方式与教学过程均面临一定的挑战，线上教学在经历了深度探索后，逐步展现出线下教学不可比拟的优势，其数字化、即时交互、学习数据自动分析、个性化教学模式等特点，有助于提高学生对智能制造体系的整体认知，打破多学科交叉知识壁垒，提升学生创新应用综合能力[2]。

1 线上教学难点分析

智能制造是现代制造技术、人工智能技术和计算机技术发展的必然结果，也是三者结合的产物。其中，现代制造技术在机械工程专业中涉及“机械制造技术”“机械设计”“数控技术”等多门课程，在当前智能制造发展趋势的推动下，这些专业课程在本科教学中具有更加重要的理论与实践意义，是促进我国智能制造产业全面升级的奠基石。随着新冠疫情在全球范围流行，线下与线上同步教学逐渐成为主流的教学方式，而数字化和互联网技术的不断发展促使了大量在线学习平台的相继推出，对推动线上教学工作产生了积极的作用。然而，机械类课程理论知识概念性强，核心知识点抽象难以理解，部分教学环节与实际生产现场脱节，传统的线下教学模式尚且无法满足学生对于该类课程的立体化授课需求，在增加了线上教学方式后，仍难以有效地体现机械产品的设计、加工、装配、生产管理和服务智能化的智能制造过程，具体表现为：

1）如何合理利用智能制造相关在线资源开展教学活动。尽管通过搜索引擎可以获取海量的智能制造相关在线资源，但大部分资源鱼龙混杂、良莠不齐。例如，对于智能制造的定义以偏概全、部分工程应用案例缺乏创新性等，因此在线数字资源的检索需要考虑智能制造技术的全面性和创新性，依托互联网大数据为线上教学活动提供专业化的资源库。

2）如何依托智能制造前沿技术设计多样化的教学内容吸引学生积极参与。智能制造的技术范围极其广泛，涉及智能产品、智能装备和智能工厂等多个领域，而这些技术又与“机械设计”“机械制造”等专业课程有极为紧密的联系。因此，在教学过程中需要充分运用虚拟仿真、数字孪生等计算机与信息技术，通过可视化的方法将二维理论知识延伸至三维实体应用案例，提高学生在教学环节中的参与度[3]。

3）如何在线上教学环节中有效融入“中国智造”课程思政元素。目前，欧美等发达国家依靠前期积累的工业基础与信息技术快速推动了智能制造的发展，然而国外的应用案例脱离了中国智能制造行业的现实需求，难以贴合中国智造的战略方针，无法激发学生科技报国的情怀与责任担当。因此，需要立足中国智能制造背景，挖掘具有中国特色的智能制造思政元素[4]。

2 线上教学设计需求分析

机械工程的专业课程强调理论知识与工程实践相结合，在学习过程中不仅要求学生掌握坚实的机械设计、加工和管理等基础知识，而且需要对生产现场具有一定的认识和实践体验。在线上教学逐步成为一种重要的授课方式后，应该着重考虑如何设计好线上、线下的教学环节和课程内容，如哪些知识需要在线下课堂详细讲解，哪些可作为线上学习任务布置给学生并在课堂中讨论。围绕机械制造技术理论知识与智能制造热点问题，充分利用线上教学的信息技术特点，将图形、声音、视频等电子资源联系起来，分别从课前、课中与课后三个阶段设计线上教学环节。

2.1 课前

教师在每次课前对教学内容进行解析，设置线上学习对应的教学目标与教学过程。教师根据相关课程内容，提前在超星学习通和一网畅学等在线学习平台发布预习知识内容，以智能制造技术概念与工程应用为基础，辅以动画、视频等素材，让学生对课堂所学内容做充分准备，并带着难点问题进课堂和老师沟通互动。教师通过平台中的学习结果分析查看学生的预习情况，为课堂教学做有针对性的准备。

2.2 课中

在授课过程中，围绕每个知识点准备相应的案例说明，并结合智能制造背景进行讲解和分析。根据预先准备的课程视频短片，通过线上教学平台以提问、讨论的方式与学生进行互动，快速分析学生对知识点的掌握程度，进一步提升课堂面对面教学的成果。在教学中，适时调用课程相关的在线资源，重构真实的制造生产现场，增加学生对于知识点的理解，提高课堂教学效率[5]。

2.3 课后

教师利用线上教学平台推送课后内容，包括针对所学知识点的习题解答、围绕机械制造共性问题的小组讨论和注重智能制造概念延伸的视频分析等，使学生对机械专业课程关键章节和基础知识进行主动把握和重新巩固。教师通过平台提供的教学成果分析数据，实时掌控学生的学习情况，对教学环节进行再调整、再优化，实现线上虚拟课堂与线下现实课堂的有机融合，将智能制造的内涵融入机械工程专业课程[6]。

在课堂的三个阶段中，教师都会利用“互联网+课堂”的信息化技术手段，通过线上教学环节的优化设计，充分调动学生的学习兴趣和主动性，提高线上课程的教学质量和教学效率。

3 线上教学模式的应用与实践

上海理工大学机械学院依据《中国制造2025》国家十年行动纲领对机械工程领域提出了最新要求，于2021 年重新构建课程理论体系和讲授框架，开设了“智能制造技术”专业课程。该课程以“机械设计制造”相关课程为理论基础，面向机械工程专业本科三年级学生，讲授智能制造技术的相关核心主题及其与机械工程领域各研究方向的关系，主要涉及智能制造技术的内涵、特征和技术体系，包括智能设计、智能加工、加工过程的智能监测与控制、智能制造系统及装备等领域的专业知识。通过课程的学习，学生掌握智能制造的基础共性知识和关键技术，了解现代智能制造的前沿技术，并能够在所学专业中，准确把握本专业研究领域的智能化发展方向，同时理解智能化技术在机械工程行业领域内的应用场景和实践意义，利用智能制造技术解决相关的制造问题。

基于上述线上教学设计需求分析，结合线上教学平台从课前、课中与课后三阶段设计内容和形式丰富的线上教学环节。

3.1 课前预习

智能制造是机械工程、电气工程、计算机科学等多学科交叉融合的产物，若不提前预习课程的关键知识点，极易迷失在智能制造技术的宏大概念范畴中。因此，教师在每次课前需要提高线上教学目标，辅以智能制造产业相关的多媒体素材，使学生对课堂教学做好针对性准备。

以“智能制造技术”课程第六章智能制造装备为例，根据课堂教学内容于课前在线上教学平台上发布智能数控机床章节的学习背景与目标，让学生明确本次课程的教学目的及需要预先学习的内容。之后发布与章节内容相关的视频资源，使学生对机床的功能和作用、精密机床智能化加工的关键技术与难点等方面有初步的了解。通过对多样化学习资源的预习，学生能够提前熟悉机床实现高精密加工的工作原理以及智能机床所需的智能数控技术、智能传感技术和智能控制技术，从而在课堂教学过程中更好地了解各项技术的作用与应用范围[7]。

3.2 课中学习

在线上课堂教学时，针对不同的智能制造知识点，给出图片或视频形式的说明，深入浅出地将智能制造关键技术及其工程应用案例教授给学生，使他们在了解相关理论知识的同时，能够与其他机械专业课程中学到的知识交叉融合，进一步提升学生对于智能制造过程的理解。

以“智能制造技术”课程第二章智能设计技术为例，在介绍智能设计的发展过程时，根据不同阶段将智能设计的承担者分为人类专家、设计型专家系统和人机智能化设计系统，再分别对这三个关键知识点进行说明。例如，通过三维设计软件SolidWorks、CATIA 对飞机结构进行设计，从而引申出国产大型客机C919 前期自主研发过程的课程思政案例，并对比当前采用人机智能化设计系统对航空发动机进行虚拟设计的方法，让学生深刻认识到我国智能制造技术与国外先进技术的差距，增强学生科技强国的信念和奋发学习的动力[8]。

3.3 课后复习

通过在线教学平台发布多样化的课后作业，利用动画、视频等方式展示智能制造的动态过程。学生通过对智能制造模式的可视化了解，充分运用课中所学的知识点，回答在线作业中的各类问题，实现对智能制造理论基础的复习和巩固。教师通过在线成绩分析，掌握学生对于知识点的理解程度，根据分析结果对教学环节进行调整与优化。

以“智能制造技术”课程第三章智能加工技术为例，在线上课堂教学中介绍制造加工过程的智能预测方法后，布置视频作业，要求学生在观看视频后简述铣削加工中振动的来源及其检测与抑制方法。学生根据课堂中所学的智能加工知识，结合“机械制造技术”“机械制造工艺学”等其他专业课程内容，通过手写、思维导图、图文描述等多种形式完成，并在线提交电子版或线下提交纸质版作业。根据在线学习平台中的作业成绩统计，可以让教师了解到学生对于智能加工知识内容的掌握程度。

通过课前、课中与课后三个阶段的学习与巩固，让学生体会到智能制造技术在国家发展中的角色和地位，增强自身的责任感和使命感，进一步提高学生对于专业学习的积极性和有效性[9-10]。

4 结语

课题组以智能制造为背景，针对机械工程专业课程的教学特点，充分利用在线学习平台的教学灵活性、情景相关性、学习个性化和互动快捷性等优势，积极探索新型线上教学模式。通过设计多样化的教学环节调动学生的学习积极性，增强学生线上互动交流，提升课程思政氛围感，并采用机械制造基础理论与智能制造案例相结合的教学方式，逐步转变学生由被动学习到主动参与线上教学活动的局面。依靠在线学习平台提供的各项统计数据，教师能够将线上教学与评估进行深度融合，使学生实时了解自身学习状态的同时，又可以让教师通过大数据掌握学生的学习情况，分析、优化教学方案，融合教学资源。线上教学环节中的“学习+评价”为双向反馈，使得学生能够更加深入地掌握机械工程专业课程的理论知识内容与应用实践能力，从而提升个人思想觉悟，从根本上解决机械制造领域的瓶颈问题，为国家智能制造新兴产业的发展奠定扎实的理论与实践基础。