郭維誠 ，江小輝

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)在多元化產(chǎn)業(yè)中的不斷應(yīng)用，目前全球制造業(yè)的發(fā)展趨勢也逐步向智能化方向發(fā)展，許多國家都在尋找制造業(yè)智能化的突破口，以搶占未來經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的先機(jī)。美國提出了先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃，完善制造業(yè)的智能與創(chuàng)新政策；德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，形成以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。對此，我國在《中國制造2025》中明確了未來制造業(yè)的任務(wù)和重點(diǎn)，并指出智能制造是我國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的重要推手，也是我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容。通過研究制定智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品，在信息化浪潮中推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)、3D 打印、機(jī)器人等新興科技領(lǐng)域的有機(jī)結(jié)合，從而提高我國制造過程的智能化水平[1]。

為了響應(yīng)智能制造的持續(xù)發(fā)展需求，國內(nèi)高等院校相繼開設(shè)智能制造相關(guān)專業(yè)，通過教授機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等智能制造相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識和技能，以期培養(yǎng)能夠從事智能裝備和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造、工程研發(fā)以及智能工廠生產(chǎn)管理等工作的高級人才。在此背景下，如何將人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿技術(shù)深度融入“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械原理”和“機(jī)械制造工藝”等傳統(tǒng)專業(yè)課程中，加強(qiáng)學(xué)生對于智能制造行業(yè)的概念化理解與專業(yè)化應(yīng)用，是目前機(jī)械工程專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)所面臨的新挑戰(zhàn)。近年來，受新冠疫情影響，高等教育的教學(xué)方式與教學(xué)過程均面臨一定的挑戰(zhàn)，線上教學(xué)在經(jīng)歷了深度探索后，逐步展現(xiàn)出線下教學(xué)不可比擬的優(yōu)勢，其數(shù)字化、即時(shí)交互、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、個(gè)性化教學(xué)模式等特點(diǎn)，有助于提高學(xué)生對智能制造體系的整體認(rèn)知，打破多學(xué)科交叉知識壁壘，提升學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用綜合能力[2]。

1 線上教學(xué)難點(diǎn)分析

智能制造是現(xiàn)代制造技術(shù)、人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，也是三者結(jié)合的產(chǎn)物。其中，現(xiàn)代制造技術(shù)在機(jī)械工程專業(yè)中涉及“機(jī)械制造技術(shù)”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“數(shù)控技術(shù)”等多門課程，在當(dāng)前智能制造發(fā)展趨勢的推動(dòng)下，這些專業(yè)課程在本科教學(xué)中具有更加重要的理論與實(shí)踐意義，是促進(jìn)我國智能制造產(chǎn)業(yè)全面升級的奠基石。隨著新冠疫情在全球范圍流行，線下與線上同步教學(xué)逐漸成為主流的教學(xué)方式，而數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展促使了大量在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的相繼推出，對推動(dòng)線上教學(xué)工作產(chǎn)生了積極的作用。然而，機(jī)械類課程理論知識概念性強(qiáng)，核心知識點(diǎn)抽象難以理解，部分教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場脫節(jié)，傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式尚且無法滿足學(xué)生對于該類課程的立體化授課需求，在增加了線上教學(xué)方式后，仍難以有效地體現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配、生產(chǎn)管理和服務(wù)智能化的智能制造過程，具體表現(xiàn)為：

1）如何合理利用智能制造相關(guān)在線資源開展教學(xué)活動(dòng)。盡管通過搜索引擎可以獲取海量的智能制造相關(guān)在線資源，但大部分資源魚龍混雜、良莠不齊。例如，對于智能制造的定義以偏概全、部分工程應(yīng)用案例缺乏創(chuàng)新性等，因此在線數(shù)字資源的檢索需要考慮智能制造技術(shù)的全面性和創(chuàng)新性，依托互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)為線上教學(xué)活動(dòng)提供專業(yè)化的資源庫。

2）如何依托智能制造前沿技術(shù)設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)內(nèi)容吸引學(xué)生積極參與。智能制造的技術(shù)范圍極其廣泛，涉及智能產(chǎn)品、智能裝備和智能工廠等多個(gè)領(lǐng)域，而這些技術(shù)又與“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造”等專業(yè)課程有極為緊密的聯(lián)系。因此，在教學(xué)過程中需要充分運(yùn)用虛擬仿真、數(shù)字孿生等計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，通過可視化的方法將二維理論知識延伸至三維實(shí)體應(yīng)用案例，提高學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)中的參與度[3]。

3）如何在線上教學(xué)環(huán)節(jié)中有效融入“中國智造”課程思政元素。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家依靠前期積累的工業(yè)基礎(chǔ)與信息技術(shù)快速推動(dòng)了智能制造的發(fā)展，然而國外的應(yīng)用案例脫離了中國智能制造行業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，難以貼合中國智造的戰(zhàn)略方針，無法激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的情懷與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。因此，需要立足中國智能制造背景，挖掘具有中國特色的智能制造思政元素[4]。

2 線上教學(xué)設(shè)計(jì)需求分析

機(jī)械工程的專業(yè)課程強(qiáng)調(diào)理論知識與工程實(shí)踐相結(jié)合，在學(xué)習(xí)過程中不僅要求學(xué)生掌握堅(jiān)實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)、加工和管理等基礎(chǔ)知識，而且需要對生產(chǎn)現(xiàn)場具有一定的認(rèn)識和實(shí)踐體驗(yàn)。在線上教學(xué)逐步成為一種重要的授課方式后，應(yīng)該著重考慮如何設(shè)計(jì)好線上、線下的教學(xué)環(huán)節(jié)和課程內(nèi)容，如哪些知識需要在線下課堂詳細(xì)講解，哪些可作為線上學(xué)習(xí)任務(wù)布置給學(xué)生并在課堂中討論。圍繞機(jī)械制造技術(shù)理論知識與智能制造熱點(diǎn)問題，充分利用線上教學(xué)的信息技術(shù)特點(diǎn)，將圖形、聲音、視頻等電子資源聯(lián)系起來，分別從課前、課中與課后三個(gè)階段設(shè)計(jì)線上教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1 課前

教師在每次課前對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行解析，設(shè)置線上學(xué)習(xí)對應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)過程。教師根據(jù)相關(guān)課程內(nèi)容，提前在超星學(xué)習(xí)通和一網(wǎng)暢學(xué)等在線學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)知識內(nèi)容，以智能制造技術(shù)概念與工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，輔以動(dòng)畫、視頻等素材，讓學(xué)生對課堂所學(xué)內(nèi)容做充分準(zhǔn)備，并帶著難點(diǎn)問題進(jìn)課堂和老師溝通互動(dòng)。教師通過平臺(tái)中的學(xué)習(xí)結(jié)果分析查看學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，為課堂教學(xué)做有針對性的準(zhǔn)備。

2.2 課中

在授課過程中，圍繞每個(gè)知識點(diǎn)準(zhǔn)備相應(yīng)的案例說明，并結(jié)合智能制造背景進(jìn)行講解和分析。根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備的課程視頻短片，通過線上教學(xué)平臺(tái)以提問、討論的方式與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，快速分析學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度，進(jìn)一步提升課堂面對面教學(xué)的成果。在教學(xué)中，適時(shí)調(diào)用課程相關(guān)的在線資源，重構(gòu)真實(shí)的制造生產(chǎn)現(xiàn)場，增加學(xué)生對于知識點(diǎn)的理解，提高課堂教學(xué)效率[5]。

2.3 課后

教師利用線上教學(xué)平臺(tái)推送課后內(nèi)容，包括針對所學(xué)知識點(diǎn)的習(xí)題解答、圍繞機(jī)械制造共性問題的小組討論和注重智能制造概念延伸的視頻分析等，使學(xué)生對機(jī)械專業(yè)課程關(guān)鍵章節(jié)和基礎(chǔ)知識進(jìn)行主動(dòng)把握和重新鞏固。教師通過平臺(tái)提供的教學(xué)成果分析數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌控學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行再調(diào)整、再優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)線上虛擬課堂與線下現(xiàn)實(shí)課堂的有機(jī)融合，將智能制造的內(nèi)涵融入機(jī)械工程專業(yè)課程[6]。

在課堂的三個(gè)階段中，教師都會(huì)利用“互聯(lián)網(wǎng)+課堂”的信息化技術(shù)手段，通過線上教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高線上課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

3 線上教學(xué)模式的應(yīng)用與實(shí)踐

上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院依據(jù)《中國制造2025》國家十年行動(dòng)綱領(lǐng)對機(jī)械工程領(lǐng)域提出了最新要求，于2021 年重新構(gòu)建課程理論體系和講授框架，開設(shè)了“智能制造技術(shù)”專業(yè)課程。該課程以“機(jī)械設(shè)計(jì)制造”相關(guān)課程為理論基礎(chǔ)，面向機(jī)械工程專業(yè)本科三年級學(xué)生，講授智能制造技術(shù)的相關(guān)核心主題及其與機(jī)械工程領(lǐng)域各研究方向的關(guān)系，主要涉及智能制造技術(shù)的內(nèi)涵、特征和技術(shù)體系，包括智能設(shè)計(jì)、智能加工、加工過程的智能監(jiān)測與控制、智能制造系統(tǒng)及裝備等領(lǐng)域的專業(yè)知識。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握智能制造的基礎(chǔ)共性知識和關(guān)鍵技術(shù)，了解現(xiàn)代智能制造的前沿技術(shù)，并能夠在所學(xué)專業(yè)中，準(zhǔn)確把握本專業(yè)研究領(lǐng)域的智能化發(fā)展方向，同時(shí)理解智能化技術(shù)在機(jī)械工程行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用場景和實(shí)踐意義，利用智能制造技術(shù)解決相關(guān)的制造問題。

基于上述線上教學(xué)設(shè)計(jì)需求分析，結(jié)合線上教學(xué)平臺(tái)從課前、課中與課后三階段設(shè)計(jì)內(nèi)容和形式豐富的線上教學(xué)環(huán)節(jié)。

3.1 課前預(yù)習(xí)

智能制造是機(jī)械工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，若不提前預(yù)習(xí)課程的關(guān)鍵知識點(diǎn)，極易迷失在智能制造技術(shù)的宏大概念范疇中。因此，教師在每次課前需要提高線上教學(xué)目標(biāo)，輔以智能制造產(chǎn)業(yè)相關(guān)的多媒體素材，使學(xué)生對課堂教學(xué)做好針對性準(zhǔn)備。

以“智能制造技術(shù)”課程第六章智能制造裝備為例，根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容于課前在線上教學(xué)平臺(tái)上發(fā)布智能數(shù)控機(jī)床章節(jié)的學(xué)習(xí)背景與目標(biāo)，讓學(xué)生明確本次課程的教學(xué)目的及需要預(yù)先學(xué)習(xí)的內(nèi)容。之后發(fā)布與章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的視頻資源，使學(xué)生對機(jī)床的功能和作用、精密機(jī)床智能化加工的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)等方面有初步的了解。通過對多樣化學(xué)習(xí)資源的預(yù)習(xí)，學(xué)生能夠提前熟悉機(jī)床實(shí)現(xiàn)高精密加工的工作原理以及智能機(jī)床所需的智能數(shù)控技術(shù)、智能傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)，從而在課堂教學(xué)過程中更好地了解各項(xiàng)技術(shù)的作用與應(yīng)用范圍[7]。

3.2 課中學(xué)習(xí)

在線上課堂教學(xué)時(shí)，針對不同的智能制造知識點(diǎn)，給出圖片或視頻形式的說明，深入淺出地將智能制造關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用案例教授給學(xué)生，使他們在了解相關(guān)理論知識的同時(shí)，能夠與其他機(jī)械專業(yè)課程中學(xué)到的知識交叉融合，進(jìn)一步提升學(xué)生對于智能制造過程的理解。

以“智能制造技術(shù)”課程第二章智能設(shè)計(jì)技術(shù)為例，在介紹智能設(shè)計(jì)的發(fā)展過程時(shí)，根據(jù)不同階段將智能設(shè)計(jì)的承擔(dān)者分為人類專家、設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)和人機(jī)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，再分別對這三個(gè)關(guān)鍵知識點(diǎn)進(jìn)行說明。例如，通過三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks、CATIA 對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而引申出國產(chǎn)大型客機(jī)C919 前期自主研發(fā)過程的課程思政案例，并對比當(dāng)前采用人機(jī)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)的方法，讓學(xué)生深刻認(rèn)識到我國智能制造技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，增強(qiáng)學(xué)生科技強(qiáng)國的信念和奮發(fā)學(xué)習(xí)的動(dòng)力[8]。

3.3 課后復(fù)習(xí)

通過在線教學(xué)平臺(tái)發(fā)布多樣化的課后作業(yè)，利用動(dòng)畫、視頻等方式展示智能制造的動(dòng)態(tài)過程。學(xué)生通過對智能制造模式的可視化了解，充分運(yùn)用課中所學(xué)的知識點(diǎn)，回答在線作業(yè)中的各類問題，實(shí)現(xiàn)對智能制造理論基礎(chǔ)的復(fù)習(xí)和鞏固。教師通過在線成績分析，掌握學(xué)生對于知識點(diǎn)的理解程度，根據(jù)分析結(jié)果對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。

以“智能制造技術(shù)”課程第三章智能加工技術(shù)為例，在線上課堂教學(xué)中介紹制造加工過程的智能預(yù)測方法后，布置視頻作業(yè)，要求學(xué)生在觀看視頻后簡述銑削加工中振動(dòng)的來源及其檢測與抑制方法。學(xué)生根據(jù)課堂中所學(xué)的智能加工知識，結(jié)合“機(jī)械制造技術(shù)”“機(jī)械制造工藝學(xué)”等其他專業(yè)課程內(nèi)容，通過手寫、思維導(dǎo)圖、圖文描述等多種形式完成，并在線提交電子版或線下提交紙質(zhì)版作業(yè)。根據(jù)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中的作業(yè)成績統(tǒng)計(jì)，可以讓教師了解到學(xué)生對于智能加工知識內(nèi)容的掌握程度。

通過課前、課中與課后三個(gè)階段的學(xué)習(xí)與鞏固，讓學(xué)生體會(huì)到智能制造技術(shù)在國家發(fā)展中的角色和地位，增強(qiáng)自身的責(zé)任感和使命感，進(jìn)一步提高學(xué)生對于專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性和有效性[9-10]。

4 結(jié)語

課題組以智能制造為背景，針對機(jī)械工程專業(yè)課程的教學(xué)特點(diǎn)，充分利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的教學(xué)靈活性、情景相關(guān)性、學(xué)習(xí)個(gè)性化和互動(dòng)快捷性等優(yōu)勢，積極探索新型線上教學(xué)模式。通過設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)環(huán)節(jié)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生線上互動(dòng)交流，提升課程思政氛圍感，并采用機(jī)械制造基礎(chǔ)理論與智能制造案例相結(jié)合的教學(xué)方式，逐步轉(zhuǎn)變學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)參與線上教學(xué)活動(dòng)的局面。依靠在線學(xué)習(xí)平臺(tái)提供的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，教師能夠?qū)⒕€上教學(xué)與評估進(jìn)行深度融合，使學(xué)生實(shí)時(shí)了解自身學(xué)習(xí)狀態(tài)的同時(shí)，又可以讓教師通過大數(shù)據(jù)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分析、優(yōu)化教學(xué)方案，融合教學(xué)資源。線上教學(xué)環(huán)節(jié)中的“學(xué)習(xí)+評價(jià)”為雙向反饋，使得學(xué)生能夠更加深入地掌握機(jī)械工程專業(yè)課程的理論知識內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)踐能力，從而提升個(gè)人思想覺悟，從根本上解決機(jī)械制造領(lǐng)域的瓶頸問題，為國家智能制造新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。