新工科培養(yǎng)模式下智能制造工程專業(yè)新生研討課教學(xué)探索研究

閆恪濤 張洽銘 佘世剛 高書苑 高夕成 張洪敏

摘?要：新一輪教育教學(xué)改革對新工科人才培養(yǎng)提出更高要求，打破了單一的培養(yǎng)模式，正朝向?qū)W科交叉、理論指導(dǎo)實踐等多元化培養(yǎng)模式發(fā)展。本文以新生研討課教學(xué)為例，探索了人工智能技術(shù)在光學(xué)測量領(lǐng)域應(yīng)用的研討課程教學(xué)方法，闡述了課程目標、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、課程考核及成績評定方式、考核標準等內(nèi)容。本文旨在探討一種新的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。同時，這種方法也為新生研討課提供了一種可行的思路。

關(guān)鍵詞：智能制造工程專業(yè)；新生研討課；人工智能與光學(xué)測量；教學(xué)探索

1?概述

制造業(yè)為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，為實現(xiàn)從工業(yè)制造大國向工業(yè)強國邁進，中國制定了《中國制造2025》國家戰(zhàn)略政策［13］。其他國家也陸續(xù)出臺了支持制造業(yè)的政策［46］，也重點對人才培養(yǎng)方面給予支持政策［4］，如德國的“雙元制”培養(yǎng)模式、日本的數(shù)字化與技能型人才培養(yǎng)模式等，這為先進制造業(yè)快速發(fā)展提供了強有力的技術(shù)基礎(chǔ)與人才儲備。為此，要想實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與升級，就需要注重人才培養(yǎng)。

我國新工科人才的培養(yǎng)進入快速發(fā)展的階段，智能制造工程專業(yè)是在新工科人才培養(yǎng)模式下新設(shè)立的一門專業(yè)。智能制造工程專業(yè)融合了人工智能技術(shù)（AI）、工業(yè)機器人技術(shù)等多學(xué)科的新課程教學(xué)體系，以期培養(yǎng)先進制造技術(shù)、新一代信息技術(shù)等領(lǐng)域的復(fù)合型人才，但這也對制造人才的素質(zhì)提出更高的要求［7］。新生研討課在歐美國家已經(jīng)有很長的歷史，但它對于教學(xué)改革仍有重要的意義［8］。本文以我校智能智造專業(yè)“當(dāng)人工智能遇到精密測量”為主題的新生研討課為例，本課程涵蓋傳統(tǒng)的光學(xué)測量技術(shù)和人工智能領(lǐng)域的學(xué)科交叉內(nèi)容，從課程目標與教學(xué)內(nèi)容、課程考核及評定方式等角度探討新生研討課教學(xué)建設(shè)。

2?“當(dāng)人工智能遇到精密測量”為主題的研討課課程目標

本校智能制造專業(yè)研討課是針對大一新生開設(shè)，目前開設(shè)多個主題的研討以根據(jù)學(xué)生的興趣選課。課程目標決定教學(xué)內(nèi)容、課程考核及成績評定方式［9］，“當(dāng)人工智能遇到精密測量”為主題的新生研討課旨在激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)積極性與科研興趣，培養(yǎng)智能制造領(lǐng)域復(fù)合型人才。首先，達成兩個能力目標：其一，系統(tǒng)掌握光學(xué)干涉測量的基本理論、應(yīng)用領(lǐng)域，掌握人工智能基礎(chǔ)以及人工智能在光學(xué)測量領(lǐng)域的應(yīng)用理論，為后期從事人工智能、智能制造等領(lǐng)域的研究打下基礎(chǔ)；其二，能夠通過查閱文獻了解課程的關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)專業(yè)表達能力、問題求解能力、推理思維。同時，達成德育目標：幫助學(xué)生樹立正確的價值觀念，建立完整的世界觀、人生觀和智能制造職業(yè)理念，培養(yǎng)家國情懷。

3?教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

本文以“當(dāng)人工智能遇到精密測量”為主題的研討課為例，提出從三個授課環(huán)節(jié)（人工智能技術(shù)、光干涉測量技術(shù)以及人工智能在光學(xué)測量領(lǐng)域應(yīng)用）開展教學(xué)。三個授課環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密，第一環(huán)節(jié)講解人工智能基本理論，第二環(huán)節(jié)介紹光干涉測量方法，第三環(huán)節(jié)為干涉測量技術(shù)在人工智能交叉領(lǐng)域的研討。在三個授課環(huán)節(jié)中，本文采用不同的教學(xué)方式進行教學(xué)，包括案例導(dǎo)入、問題導(dǎo)向以及研討形式。

3.1?案例導(dǎo)入式授課

以講授方式介紹人工智能的概念及應(yīng)用領(lǐng)域，同時介紹人工智能研究的各個學(xué)派以及思想。要求學(xué)生掌握人工智能的概念，熟知人工智能在制造領(lǐng)域的應(yīng)用案例。授課以具體的案例進行講解，讓理論知識點一目了然。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種由多個神經(jīng)節(jié)點相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［10］。在講授人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理時，基于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機理如圖1（a）所示，對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模如圖1（b）所示。在生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，樹突將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊毎w，并經(jīng)過細胞體的處理，隨后由軸突傳輸?shù)酵挥|后，再傳遞給下一個神經(jīng)細胞。這里，生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的樹突接收信號，而該信號等同于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入x=［x1，x2，…，xi］；軸突作為輸出端；突觸作為下一神經(jīng)細胞的接口，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中記為o。隨著輸入的電流不斷增加，細胞體內(nèi)膜電位也隨之增加，超過一定閾值f時被激發(fā)輸出，產(chǎn)生脈沖信號進入下一個神經(jīng)細胞［11］?；谝陨显?，若權(quán)值向量定義為w=［w1，w2，…，wi］，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型被建立［11］：

因此，本文提出通過簡單的案例進行介紹，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的興趣。

3.2?以問題為導(dǎo)向的教學(xué)

測量在智能制造領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位。通過講解光干涉測量技術(shù)，學(xué)生可以了解激光干涉儀的工作原理，掌握干涉測量系統(tǒng)和干涉圖的產(chǎn)生過程。在確定影響干涉測量技術(shù)存在的問題后，從干涉圖去噪、相位解包裹及相位提取方面展開研討。

例如，光干涉產(chǎn)生干涉圖，而干涉圖中包含不可避免的噪聲如圖2（a）所示。為提高測量精度，就需要對噪聲干涉圖進行去噪處理，以重建出清晰的干涉圖，如圖2（b）所示?；谠肼晻绊懢葐栴}，將干涉圖去噪技術(shù)作為研討方向之一。

干涉測量技術(shù)中，目前有多種干涉圖相位提取方法，但大多數(shù)方法通常在處理時引入反正切計算，導(dǎo)致相位被包裹在（-π，π］。為獲得真實相位［圖2（d）］，對包裹相位處理是條紋分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［12］。雖已有多種相位解包裹技術(shù)，但由于噪聲干擾［圖2（c）］、被測形貌復(fù)雜多變，解包裹較為困難，相位解包裹技術(shù)的應(yīng)用場合也有區(qū)別?；趩栴}為導(dǎo)向，將相位解包裹技術(shù)作為第二研討內(nèi)容。

又例如，在干涉圖處理中，提出多種干涉圖解調(diào)方法以實現(xiàn)相位提取。但由于環(huán)境擾動、相移誤差等因素，造成相位失真。為解決這些問題，單幀條紋圖處理的動態(tài)測量極為必要，將單幀干涉圖相位恢復(fù)技術(shù)為第三研討內(nèi)容。

3.3?研討式教學(xué)

本校“當(dāng)人工智能遇到精密測量”為主題的研討課為小班制教學(xué)，根據(jù)三個研討方向劃分三組，每個小組將會根據(jù)興趣選擇一個方向，展開人工智能在以上問題中的應(yīng)用研討。特地將不同班級的同學(xué)進行分組，分組研討既可以培養(yǎng)團隊合作意識，提高凝聚力，亦利于同學(xué)間取長補短。每組中選擇一位學(xué)習(xí)能力強、具有團隊協(xié)作意識的同學(xué)為組長，這將有助于激發(fā)小組成員的學(xué)習(xí)興趣和提高參與度。

3.3.1?研討一：AI+干涉圖去噪技術(shù)

目前有多種干涉圖去噪的技術(shù)，首先需要同學(xué)去調(diào)研傳統(tǒng)的條紋圖去噪技術(shù)。然后去思考：這些技術(shù)有什么優(yōu)缺點，是否滿足工業(yè)需求？帶著問題去探究各種技術(shù)。就目前而言，很多去噪技術(shù)無法滿足工業(yè)需求，如需要較長的處理時間、精度不高等，而深度學(xué)習(xí)技術(shù)提供一種解決思路［13］。引導(dǎo)同學(xué)查閱文獻、設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)去噪任務(wù)。

3.3.2?研討二：AI+相位解包裹技術(shù)

引導(dǎo)學(xué)生思考為什么需要相位展開？目前，大部分相位恢復(fù)技術(shù)都需解包裹才得以重建三維輪廓，引導(dǎo)學(xué)生了解相位解包裹的必要性。在問題被拋出之后，組織學(xué)生調(diào)研深度學(xué)習(xí)在解包裹中的應(yīng)用案例，每位同學(xué)需進行PPT匯報，設(shè)計深度學(xué)習(xí)解包裹框架，實現(xiàn)端到端的相位展開。

3.3.3?研討三：AI+單幀干涉圖相位提取技術(shù)

調(diào)研干涉測量原理，由組員查閱單幀干涉圖處理技術(shù)。引導(dǎo)學(xué)生利用Matlab等工具實現(xiàn)干涉圖相位提取，總結(jié)目前技術(shù)的優(yōu)缺點。進一步思考如何使用深度學(xué)習(xí)來解決當(dāng)前存在的問題？下一步，組織學(xué)生調(diào)研深度學(xué)習(xí)在單幀干涉圖中的應(yīng)用案例，每位成員分工進行PPT匯報，提出深度學(xué)習(xí)相位提取方案，最終實現(xiàn)單幀干涉圖相位重建。

“學(xué)中思考，思考中創(chuàng)新”是科研創(chuàng)新的重要過程。本文通過講解光學(xué)測量領(lǐng)域遇到的技術(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)生提出人工智能的解決方案，為培養(yǎng)學(xué)術(shù)思維奠定基礎(chǔ)。通過提出研討方式的教學(xué)，既讓學(xué)生認識科研，亦培養(yǎng)了本科生的科研興趣；通過啟發(fā)教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生在面對困難問題時要多思考，尋找解決方案。

4?多元化的考核方式

注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的總體素質(zhì)考核，本文提出通過過程考核與終結(jié)性考核相結(jié)合的多元化方式評價學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、綜合素養(yǎng)。

其一，建立過程考核機制（總分為100分，占總成績20%）。根據(jù)出勤情況、課堂互動等表現(xiàn)給定成績（總分為20分），分為三個成績檔位：（1）按時上下課，上課積極參與互動討論，主動思考、提問，為13～20分檔；（2）按時上課，出勤率高，有互動但積極性稍弱，為7～13分檔；（3）缺勤次數(shù)較多，互動少，為0～7分檔。此外，根據(jù)PPT匯報表現(xiàn)給予成績（總分為80分）：（1）具有強的團隊合作意識，PPT制作規(guī)范，報告內(nèi)容準確、全面新穎，有理有據(jù)、邏輯性強，聲音洪亮，為65～80分檔；（2）團隊意識較弱，PPT制作水平較低，報告內(nèi)容較準確，有理有據(jù)但邏輯性稍弱，為40～65分檔；（3）團隊意識差，匯報內(nèi)容拼湊，講解不充分，邏輯性差，為0～40分檔。

其二，建立終結(jié)性考核機制（總分100分，占總成績80%）。期末考試形式是課程報告，以研討課的內(nèi)容進行課程報告，考查學(xué)生人工智能基礎(chǔ)知識、光學(xué)檢測理論、寫作技巧、文檔排版、創(chuàng)新思維等。

結(jié)語

本文以“人工智能遇到精密測量”為主題的新生研討課為切入點，提出了新生研討課的教學(xué)方法，闡述了課程達成的目標，以案例導(dǎo)入、問題導(dǎo)向、研討教學(xué)等方式開展教學(xué)內(nèi)容，并描述了多元化考核思路以及評價方式。通過本文研究，具有以下意義：（1）夯實科研基礎(chǔ)，激發(fā)大一學(xué)生科研興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才；（2）以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生主動思考、文獻檢索、英文閱讀、解決問題能力；（3）培養(yǎng)學(xué)生團隊合作意識，樹立職業(yè)理念。

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基金項目：常州大學(xué)教育教學(xué)研究課題（GJY2020079）：基于OBE?理念的程序設(shè)計課程項目化實施研究——以機械電子工程專業(yè)為例

作者簡介：閆恪濤（1991—?），男，漢族，山東泰安人，博士，講師，研究方向：光學(xué)檢測與人工智能。