南玉龍，盧 倩，曾 勇

（鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引 言

人工智能領(lǐng)域的迅猛發(fā)展引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，為應(yīng)對(duì)這場(chǎng)人工智能技術(shù)革命浪潮，社會(huì)各界積極參與、融入與學(xué)習(xí)，以適應(yīng)人工智能技術(shù)的發(fā)展?！陡叩葘W(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》明確地給出了本科院校關(guān)于人工智能發(fā)展的科技創(chuàng)新體系[1]。產(chǎn)教融合是深化改革高等教育體制的重要途徑，即將產(chǎn)業(yè)界先進(jìn)的技術(shù)融入高等教育的教育教學(xué)過程中，促進(jìn)高等教育與產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)[2]。高等學(xué)校積極發(fā)展人工智能教育也是符合新工科建設(shè)要求的[3]，促使新工科背景下培養(yǎng)的人才既具備前沿人工智能學(xué)科知識(shí)與解決人工智能問題的專業(yè)能力，也具有人工智能工程倫理與系統(tǒng)思維等綜合素質(zhì)。

隨著人工智能行業(yè)的高速發(fā)展，不論是傳統(tǒng)企業(yè)，還是科技創(chuàng)新企業(yè)，不僅對(duì)人工智能專業(yè)人才的需求呈現(xiàn)指數(shù)性增長，而且對(duì)人工智能人才的專業(yè)能力要求也越來越高[4]。為應(yīng)對(duì)企業(yè)所需的人工智能人才的缺口，高等學(xué)校應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起培養(yǎng)人工智能應(yīng)用型人才的責(zé)任[5]。企業(yè)所需的人工智能人才需要解決工程領(lǐng)域的問題，這必然要求高等學(xué)校培養(yǎng)人才應(yīng)更加注重產(chǎn)教融合與校企合作[6]。因此，高等學(xué)校在培養(yǎng)人工智能人才時(shí)，不僅需要教授人工智能理論知識(shí)，更要結(jié)合具體的工程應(yīng)用案例培養(yǎng)學(xué)生人工智能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力[7]。通過校企合作培養(yǎng)人工智能行業(yè)人才可以實(shí)現(xiàn)雙方的互利共贏，但是也面臨一些問題。校企合作培養(yǎng)人才過程中企業(yè)更傾向于從自身利益出發(fā)，選擇收益強(qiáng)的工程項(xiàng)目作為合作內(nèi)容[8]。這使得學(xué)生一開始就面臨較難的工程項(xiàng)目，學(xué)習(xí)難度與攻關(guān)技術(shù)的難度均較大，很容易導(dǎo)致學(xué)生中途放棄。單一人工智能工程項(xiàng)目的合作難以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生人工智能知識(shí)與能力的循序漸進(jìn)、多層次與全方位的培養(yǎng)。

本文以機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程為教研載體，嘗試將人工智能教育融入工程專業(yè)課程，在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程教育中，培養(yǎng)學(xué)生人工智能學(xué)科知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用能力。通過在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中融入人工智能教育的教學(xué)探索實(shí)驗(yàn)，探討在人工智能創(chuàng)新背景下將人工智能融入工程專業(yè)課程中的教育途徑。

1 人工智能教育現(xiàn)狀

隨著近些年人工智能技術(shù)的發(fā)展，以及社會(huì)對(duì)人工智能技術(shù)性人才的巨大需求，人工智能教育正在快速進(jìn)入大學(xué)本科教育課程中[9-10]。融入人工智能教育的課程主要有傳感器技術(shù)課程、Python 語言課程、自動(dòng)化類課程、智能機(jī)器人技術(shù)及其他工科應(yīng)用課程。在人工智能課程中，理論知識(shí)涉及大量積分、微分與偏導(dǎo)方面的數(shù)學(xué)知識(shí)，學(xué)生普遍存在學(xué)習(xí)困難且不易理解的問題。這導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，進(jìn)而對(duì)人工智能課程缺乏熱情，課堂上學(xué)生低頭玩手機(jī)、相互攀談與玩游戲的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，教師課堂教學(xué)質(zhì)量受到影響。

高校課堂中關(guān)于人工智能的教育更多地偏向理論知識(shí)，缺乏涉及工科相關(guān)領(lǐng)域的人工智能實(shí)踐課程。實(shí)踐實(shí)訓(xùn)類人工智能課程的缺失，導(dǎo)致學(xué)生不能深入理解所學(xué)理論知識(shí)，并且不能應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)人工智能實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例，這與產(chǎn)教融合的教育理念背道而馳。這導(dǎo)致學(xué)生缺乏人工智能工程素質(zhì)能力，教學(xué)效果與實(shí)際工程嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)人工智能課程的內(nèi)在動(dòng)力，老師教學(xué)授課的實(shí)際效果較差。盡管國內(nèi)高校在人工智能教育的理論知識(shí)教學(xué)方面表現(xiàn)得十分優(yōu)異，但是人工智能領(lǐng)域近幾年迎來了井噴式發(fā)展，與人工智能相關(guān)的理論知識(shí)邊界得到更廣泛的擴(kuò)展?，F(xiàn)有人工智能理論課本與教學(xué)內(nèi)容跟不上當(dāng)前人工智能理論的發(fā)展。人工智能理論知識(shí)與當(dāng)前先進(jìn)人工智能技術(shù)的脫節(jié)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)無法滿足未來工作中的實(shí)際需求，使得學(xué)生對(duì)人工智能理論知識(shí)學(xué)習(xí)毫無興趣。高校教師應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)跟進(jìn)人工智能行業(yè)的理論與企業(yè)人工智能先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展潮流，每年定期更新人工智能教材的理論知識(shí)，保證教材知識(shí)與質(zhì)量與時(shí)俱進(jìn)。

人工智能教育目前缺乏與具體工科關(guān)聯(lián)的應(yīng)用實(shí)踐案例，多數(shù)停留于理論教學(xué)，使得人工智能教育與工程技術(shù)課程聯(lián)系不夠緊密。實(shí)踐應(yīng)用案例的缺乏不僅讓教學(xué)課堂枯燥無味，而且增加了學(xué)生理解人工智能教學(xué)內(nèi)容的難度，進(jìn)而造成學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識(shí)困難，并喪失對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)興趣與內(nèi)驅(qū)力。應(yīng)用型本科院校的人工智能教育的主要目的是為企業(yè)培養(yǎng)定向型工程應(yīng)用人才，因此人工智能教育與實(shí)際工程學(xué)科課程教育應(yīng)當(dāng)建立緊密聯(lián)系，使得培養(yǎng)的人工智能人才能夠滿足企業(yè)的實(shí)際用人需求。與人工智能相關(guān)的工程應(yīng)用教學(xué)案例的開發(fā)與探索顯得尤為重要，是在工程專業(yè)課程中探索人工智能教育的教學(xué)方法與實(shí)踐途徑的重要任務(wù)。

2 人工智能與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程的融合

通過分析人工智能的相關(guān)工程應(yīng)用案例與理論知識(shí)，恰當(dāng)選取人工智能教學(xué)內(nèi)容，既要達(dá)到教授學(xué)生機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)知識(shí)的目的，也要與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)案例深度融合。在掌握人工智能理論知識(shí)與學(xué)科體系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人工智能在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中的切入點(diǎn)，使得人工智能知識(shí)與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)深度有機(jī)融合。人工智能教學(xué)內(nèi)容切入點(diǎn)應(yīng)盡可能滿足學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，既要與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)密切關(guān)聯(lián)，也要與企業(yè)工程實(shí)踐高度契合。

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中的信號(hào)分析與處理方面的內(nèi)容與人工智能密切相關(guān)。目前關(guān)于人工智能與測(cè)試技術(shù)課程相融合的研究范圍非常廣泛，例如：采用人工智能中的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)或swim transformer網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障信號(hào)的分析與檢測(cè)；采用人工智能中的RNN 實(shí)現(xiàn)人的心電圖的分析與分割；采用人工智能中的支持向量機(jī)（Support Vector Machine, SVM）算法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)診斷。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中涉及的人工智能的最新應(yīng)用案例非常廣泛，但是這些先進(jìn)的研究案例與結(jié)果是現(xiàn)有教材中所缺失的。通過在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中融入人工智能教育的實(shí)踐與探索，能夠?yàn)樨S富課程內(nèi)容提供豐富的素材資料，也能夠促進(jìn)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)、豐富多彩。

3 在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中融入人工智能教育的教學(xué)方法與實(shí)踐途徑

3.1 開展人工智能用于機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的案例教學(xué)

教師策劃將人工智能應(yīng)用于機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的教學(xué)案例時(shí)，既要考慮教學(xué)案例與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)性，也要考慮教學(xué)案例與人工智能學(xué)科知識(shí)的相關(guān)性。課堂案例教學(xué)中，積極引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中人工智能相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的思考，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)案例進(jìn)行討論，積極發(fā)表自己對(duì)案例的理解。人工智能應(yīng)用于機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的實(shí)際工程教學(xué)案例非常廣泛，比如：機(jī)床不同部分振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別、軸承的故障信號(hào)的智能診斷識(shí)別及其語義分割，機(jī)床刀具異常撞擊信號(hào)的檢測(cè)，汽車?yán)走_(dá)信號(hào)的分類與識(shí)別以及電子鼻氣味傳感器對(duì)氣味的檢測(cè)等。以軸承故障信號(hào)的智能診斷識(shí)別及其語義分割為例，一方面給學(xué)生講解振動(dòng)傳感器類型與原理、振動(dòng)信號(hào)的計(jì)算機(jī)采集原理與方法，以及振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理等機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)相關(guān)知識(shí)；另一方面講解人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)、振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的數(shù)據(jù)集制作以及人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與預(yù)測(cè)等人工智能相關(guān)知識(shí)。通過這些教學(xué)案例培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用人工智能理論知識(shí)解決實(shí)際機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)工程問題的能力，也培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用人工智能解決工程問題的思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程與人工智能的興趣與內(nèi)驅(qū)力。

3.2 以人工智能工程應(yīng)用為主題的演講

根據(jù)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程所涉及工程應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生選擇相關(guān)工程應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容作為演講主題，并且演講內(nèi)容要與人工智能知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。教師指定合理的演講評(píng)分細(xì)則，通過評(píng)分指標(biāo)規(guī)范演講過程與演講材料制作，培養(yǎng)學(xué)生演講能力與語言層次邏輯思維。學(xué)生在制作人工智能應(yīng)用于機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)案例的演講PPT 過程中，能夠更加深入地理解人工智能的理論知識(shí)，學(xué)生的人工智能理論知識(shí)的運(yùn)用與知識(shí)文獻(xiàn)查詢能力也會(huì)得到提高。人工智能工程應(yīng)用主題演講的時(shí)間設(shè)定為10 分鐘，要求演講案例PPT 要圖文并茂，邏輯清晰，內(nèi)容與人工智能、測(cè)試技術(shù)課程密切相關(guān)。演講的評(píng)分核心指標(biāo)主要包括學(xué)生演講內(nèi)容相關(guān)性與質(zhì)量、學(xué)生演講邏輯表達(dá)的能力與聽演講學(xué)生的投票，按照6 ∶2 ∶2 比例獲得學(xué)生演講的綜合成績。

3.3 企業(yè)工程師進(jìn)入課堂

通過校企合作模式，邀請(qǐng)數(shù)名企業(yè)工程師進(jìn)入課堂，為同學(xué)講解企業(yè)工程案例中如何應(yīng)用人工智能。比如當(dāng)前企業(yè)最新產(chǎn)品中如何應(yīng)用機(jī)械工程測(cè)試信號(hào)的理論知識(shí)，同時(shí)人工智能技術(shù)的應(yīng)用如何為產(chǎn)品創(chuàng)新力賦能，如何提升產(chǎn)品的智能化程度。通過企業(yè)工程師的案例講解，一方面切實(shí)讓學(xué)生明白人工智能與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)知識(shí)的實(shí)用性與價(jià)值，激發(fā)學(xué)生對(duì)這門課程學(xué)習(xí)的興趣與積極性；另一方面，讓學(xué)生感受機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與人工智能在解決傳統(tǒng)工程技術(shù)問題方面的巨大潛力。企業(yè)工程師親自帶學(xué)生體驗(yàn)工廠，了解機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品，比如各種傳感器、信號(hào)智能分析儀等，切實(shí)做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，促使學(xué)生對(duì)機(jī)械工程測(cè)試專業(yè)技術(shù)形成全方位的了解。企業(yè)工程師對(duì)工廠產(chǎn)品的技術(shù)分析與解讀，能夠促使教學(xué)內(nèi)容緊跟市場(chǎng)技術(shù)動(dòng)態(tài)與需求，保證學(xué)生所學(xué)的知識(shí)滿足用人單位需求、市場(chǎng)技術(shù)發(fā)展與未來工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的需求。

3.4 人工智能融入機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課

在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)置一個(gè)含有人工智能應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，比如信號(hào)智能分割、信號(hào)智能識(shí)別、機(jī)械故障信號(hào)的分類等，實(shí)現(xiàn)人工智能與機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程的深度融合。通過將人工智能融入工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生深入了解人工智能運(yùn)行原理與實(shí)現(xiàn)流程。以機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中的金屬箔式應(yīng)變片傳感器為案例，讓學(xué)生記錄金屬箔式應(yīng)變片傳感器電壓信號(hào)、裝載金屬箔式應(yīng)變片的載體形變距離以及箔式應(yīng)變片阻值變化，將實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)制作成人工智能軟件所規(guī)定格式的數(shù)據(jù)集，分別采用不同人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練該數(shù)據(jù)集，并通過電壓信號(hào)預(yù)測(cè)載體形變距離與阻值變化，與真實(shí)值作比較，進(jìn)而評(píng)估不同人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能。在這個(gè)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生既能深度理解金屬箔式應(yīng)變片傳感器的原理，也能獲得人工智能在工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用能力；真正讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中做到學(xué)以致用，不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程的興趣，而且能夠讓學(xué)生感受到人工智能技術(shù)的實(shí)用性與前沿性。

3.5 課程考核方法的改進(jìn)

為了在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中考察人工智能教育的效果，改變傳統(tǒng)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程考核方法勢(shì)在必行。傳統(tǒng)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程考核分?jǐn)?shù)主要以平時(shí)成績與期末考試成績按3 ∶7 比例獲得，忽視了對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)。為了在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中考查人工智能教育的效果及學(xué)生工程應(yīng)用的素質(zhì)能力，課程考核中著重增加過程性評(píng)價(jià)，過程性評(píng)價(jià)主要包括學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)、演講表現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐表現(xiàn)，降低以往期末考試成績的比重。這將極大程度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)與人工智能的熱情與驅(qū)動(dòng)力，避免了學(xué)生對(duì)平時(shí)上課、案例演講與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的敷衍行為與無目標(biāo)態(tài)度，過程性評(píng)價(jià)能夠促使每位學(xué)生以更認(rèn)真的態(tài)度與行為狀態(tài)對(duì)待本門課程的每一個(gè)環(huán)節(jié)。改進(jìn)后的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程考核方法是以平時(shí)成績、演講平均成績、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)成績與考試成績按2 ∶1 ∶2 ∶5 比例得到本門課程總評(píng)成績。

4 結(jié) 語

在各高校大力推動(dòng)人工智能教育發(fā)展的背景下，為了培養(yǎng)學(xué)生人工智能工程應(yīng)用能力，促進(jìn)高校人工智能人才培養(yǎng)方案的完善，以及解決人工智能工程應(yīng)用人才短缺的問題，本文以機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程為載體，研究在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程中融入人工智能教育的教學(xué)方法與實(shí)踐途徑，進(jìn)而探索將人工智能教育融入工程專業(yè)課程的教學(xué)方法與實(shí)踐途徑。本文研究可以為將人工智能教育融入工程專業(yè)課程提供一些思路，為培養(yǎng)企業(yè)需要的人工智能工程技術(shù)型人才提供解決方案。