机械工程测试技术课程中融入人工智能教育的探索

南玉龙，卢 倩，曾 勇

（盐城工学院 机械工程学院，江苏 盐城 224051）

0 引 言

人工智能领域的迅猛发展引起了社会各界的广泛关注，为应对这场人工智能技术革命浪潮，社会各界积极参与、融入与学习，以适应人工智能技术的发展。《高等学校人工智能创新行动计划》明确地给出了本科院校关于人工智能发展的科技创新体系[1]。产教融合是深化改革高等教育体制的重要途径，即将产业界先进的技术融入高等教育的教育教学过程中，促进高等教育与产业技术发展与时俱进[2]。高等学校积极发展人工智能教育也是符合新工科建设要求的[3]，促使新工科背景下培养的人才既具备前沿人工智能学科知识与解决人工智能问题的专业能力，也具有人工智能工程伦理与系统思维等综合素质。

随着人工智能行业的高速发展，不论是传统企业，还是科技创新企业，不仅对人工智能专业人才的需求呈现指数性增长，而且对人工智能人才的专业能力要求也越来越高[4]。为应对企业所需的人工智能人才的缺口，高等学校应当承担起培养人工智能应用型人才的责任[5]。企业所需的人工智能人才需要解决工程领域的问题，这必然要求高等学校培养人才应更加注重产教融合与校企合作[6]。因此，高等学校在培养人工智能人才时，不仅需要教授人工智能理论知识，更要结合具体的工程应用案例培养学生人工智能技术的实际应用能力[7]。通过校企合作培养人工智能行业人才可以实现双方的互利共赢，但是也面临一些问题。校企合作培养人才过程中企业更倾向于从自身利益出发，选择收益强的工程项目作为合作内容[8]。这使得学生一开始就面临较难的工程项目，学习难度与攻关技术的难度均较大，很容易导致学生中途放弃。单一人工智能工程项目的合作难以实现对学生人工智能知识与能力的循序渐进、多层次与全方位的培养。

本文以机械工程测试技术课程为教研载体，尝试将人工智能教育融入工程专业课程，在机械工程测试技术课程教育中，培养学生人工智能学科知识与实际工程应用能力。通过在机械工程测试技术课程中融入人工智能教育的教学探索实验，探讨在人工智能创新背景下将人工智能融入工程专业课程中的教育途径。

1 人工智能教育现状

随着近些年人工智能技术的发展，以及社会对人工智能技术性人才的巨大需求，人工智能教育正在快速进入大学本科教育课程中[9-10]。融入人工智能教育的课程主要有传感器技术课程、Python 语言课程、自动化类课程、智能机器人技术及其他工科应用课程。在人工智能课程中，理论知识涉及大量积分、微分与偏导方面的数学知识，学生普遍存在学习困难且不易理解的问题。这导致学生被动接受知识，进而对人工智能课程缺乏热情，课堂上学生低头玩手机、相互攀谈与玩游戏的现象时有发生，教师课堂教学质量受到影响。

高校课堂中关于人工智能的教育更多地偏向理论知识，缺乏涉及工科相关领域的人工智能实践课程。实践实训类人工智能课程的缺失，导致学生不能深入理解所学理论知识，并且不能应用软件实现人工智能实际工程应用实例，这与产教融合的教育理念背道而驰。这导致学生缺乏人工智能工程素质能力，教学效果与实际工程严重脱节，学生缺乏学习人工智能课程的内在动力，老师教学授课的实际效果较差。尽管国内高校在人工智能教育的理论知识教学方面表现得十分优异，但是人工智能领域近几年迎来了井喷式发展，与人工智能相关的理论知识边界得到更广泛的扩展。现有人工智能理论课本与教学内容跟不上当前人工智能理论的发展。人工智能理论知识与当前先进人工智能技术的脱节，造成学生学习的知识无法满足未来工作中的实际需求，使得学生对人工智能理论知识学习毫无兴趣。高校教师应当实时跟进人工智能行业的理论与企业人工智能先进技术的发展潮流，每年定期更新人工智能教材的理论知识，保证教材知识与质量与时俱进。

人工智能教育目前缺乏与具体工科关联的应用实践案例，多数停留于理论教学，使得人工智能教育与工程技术课程联系不够紧密。实践应用案例的缺乏不仅让教学课堂枯燥无味，而且增加了学生理解人工智能教学内容的难度，进而造成学生学习人工智能知识困难，并丧失对人工智能的学习兴趣与内驱力。应用型本科院校的人工智能教育的主要目的是为企业培养定向型工程应用人才，因此人工智能教育与实际工程学科课程教育应当建立紧密联系，使得培养的人工智能人才能够满足企业的实际用人需求。与人工智能相关的工程应用教学案例的开发与探索显得尤为重要，是在工程专业课程中探索人工智能教育的教学方法与实践途径的重要任务。

2 人工智能与机械工程测试技术课程的融合

通过分析人工智能的相关工程应用案例与理论知识，恰当选取人工智能教学内容，既要达到教授学生机械工程测试技术知识的目的，也要与机械工程测试技术案例深度融合。在掌握人工智能理论知识与学科体系的基础上，设计人工智能在机械工程测试技术课程中的切入点，使得人工智能知识与机械工程测试技术深度有机融合。人工智能教学内容切入点应尽可能满足学生的积极性，激发学生学习主动性，既要与机械工程测试技术密切关联，也要与企业工程实践高度契合。

机械工程测试技术课程中的信号分析与处理方面的内容与人工智能密切相关。目前关于人工智能与测试技术课程相融合的研究范围非常广泛，例如：采用人工智能中的长短期记忆网络或swim transformer网络实现机械故障信号的分析与检测；采用人工智能中的RNN 实现人的心电图的分析与分割；采用人工智能中的支持向量机（Support Vector Machine, SVM）算法实现振动信号的实时监测与自动诊断。机械工程测试技术课程中涉及的人工智能的最新应用案例非常广泛，但是这些先进的研究案例与结果是现有教材中所缺失的。通过在机械工程测试技术课程中融入人工智能教育的实践与探索，能够为丰富课程内容提供丰富的素材资料，也能够促进机械工程测试技术课程内容与时俱进、丰富多彩。

3 在机械工程测试技术课程中融入人工智能教育的教学方法与实践途径

3.1 开展人工智能用于机械工程测试技术的案例教学

教师策划将人工智能应用于机械工程测试技术的教学案例时，既要考虑教学案例与机械工程测试技术教学内容的相关性，也要考虑教学案例与人工智能学科知识的相关性。课堂案例教学中，积极引导学生对机械工程测试技术中人工智能相关知识点的思考，鼓励学生对案例进行讨论，积极发表自己对案例的理解。人工智能应用于机械工程测试技术中的实际工程教学案例非常广泛，比如：机床不同部分振动信号的识别、轴承的故障信号的智能诊断识别及其语义分割，机床刀具异常撞击信号的检测，汽车雷达信号的分类与识别以及电子鼻气味传感器对气味的检测等。以轴承故障信号的智能诊断识别及其语义分割为例，一方面给学生讲解振动传感器类型与原理、振动信号的计算机采集原理与方法，以及振动信号的调理等机械工程测试技术相关知识；另一方面讲解人工智能神经网络理论知识、振动测试信号的数据集制作以及人工智能神经网络的训练与预测等人工智能相关知识。通过这些教学案例培养学生应用人工智能理论知识解决实际机械工程测试技术工程问题的能力，也培养学生应用人工智能解决工程问题的思维，激发学生学习机械工程测试技术课程与人工智能的兴趣与内驱力。

3.2 以人工智能工程应用为主题的演讲

根据机械工程测试技术课程所涉及工程应用的教学内容，要求学生选择相关工程应用教学内容作为演讲主题，并且演讲内容要与人工智能知识点相关联。教师指定合理的演讲评分细则，通过评分指标规范演讲过程与演讲材料制作，培养学生演讲能力与语言层次逻辑思维。学生在制作人工智能应用于机械工程测试技术案例的演讲PPT 过程中，能够更加深入地理解人工智能的理论知识，学生的人工智能理论知识的运用与知识文献查询能力也会得到提高。人工智能工程应用主题演讲的时间设定为10 分钟，要求演讲案例PPT 要图文并茂，逻辑清晰，内容与人工智能、测试技术课程密切相关。演讲的评分核心指标主要包括学生演讲内容相关性与质量、学生演讲逻辑表达的能力与听演讲学生的投票，按照6 ∶2 ∶2 比例获得学生演讲的综合成绩。

3.3 企业工程师进入课堂

通过校企合作模式，邀请数名企业工程师进入课堂，为同学讲解企业工程案例中如何应用人工智能。比如当前企业最新产品中如何应用机械工程测试信号的理论知识，同时人工智能技术的应用如何为产品创新力赋能，如何提升产品的智能化程度。通过企业工程师的案例讲解，一方面切实让学生明白人工智能与机械工程测试技术知识的实用性与价值，激发学生对这门课程学习的兴趣与积极性；另一方面，让学生感受机械工程测试技术的发展趋势与人工智能在解决传统工程技术问题方面的巨大潜力。企业工程师亲自带学生体验工厂，了解机械工程测试技术相关的工业产品，比如各种传感器、信号智能分析仪等，切实做到理论与实践相结合，促使学生对机械工程测试专业技术形成全方位的了解。企业工程师对工厂产品的技术分析与解读，能够促使教学内容紧跟市场技术动态与需求，保证学生所学的知识满足用人单位需求、市场技术发展与未来工业产品研发的需求。

3.4 人工智能融入机械工程测试技术实验课

在机械工程测试技术实验课程中设置一个含有人工智能应用相关内容的实验，比如信号智能分割、信号智能识别、机械故障信号的分类等，实现人工智能与机械工程测试技术课程的深度融合。通过将人工智能融入工程测试技术实验课程，真正做到理论联系实际，让学生深入了解人工智能运行原理与实现流程。以机械工程测试技术实验课程中的金属箔式应变片传感器为案例，让学生记录金属箔式应变片传感器电压信号、装载金属箔式应变片的载体形变距离以及箔式应变片阻值变化，将实验中记录的数据制作成人工智能软件所规定格式的数据集，分别采用不同人工智能神经网络训练该数据集，并通过电压信号预测载体形变距离与阻值变化，与真实值作比较，进而评估不同人工智能神经网络的性能。在这个机械工程测试技术实验中，学生既能深度理解金属箔式应变片传感器的原理，也能获得人工智能在工程测试技术中的应用能力；真正让学生在实验课中做到学以致用，不仅能够增强学生对机械工程测试技术课程的兴趣，而且能够让学生感受到人工智能技术的实用性与前沿性。

3.5 课程考核方法的改进

为了在机械工程测试技术课程中考察人工智能教育的效果，改变传统机械工程测试技术课程考核方法势在必行。传统机械工程测试技术课程考核分数主要以平时成绩与期末考试成绩按3 ∶7 比例获得，忽视了对实践环节的评价。为了在机械工程测试技术课程中考查人工智能教育的效果及学生工程应用的素质能力，课程考核中着重增加过程性评价，过程性评价主要包括学生平时表现、演讲表现与实验实践表现，降低以往期末考试成绩的比重。这将极大程度地激发学生学习机械工程测试技术与人工智能的热情与驱动力，避免了学生对平时上课、案例演讲与实践实验环节的敷衍行为与无目标态度，过程性评价能够促使每位学生以更认真的态度与行为状态对待本门课程的每一个环节。改进后的机械工程测试技术课程考核方法是以平时成绩、演讲平均成绩、实践实验成绩与考试成绩按2 ∶1 ∶2 ∶5 比例得到本门课程总评成绩。

4 结 语

在各高校大力推动人工智能教育发展的背景下，为了培养学生人工智能工程应用能力，促进高校人工智能人才培养方案的完善，以及解决人工智能工程应用人才短缺的问题，本文以机械工程测试技术课程为载体，研究在机械工程测试技术课程中融入人工智能教育的教学方法与实践途径，进而探索将人工智能教育融入工程专业课程的教学方法与实践途径。本文研究可以为将人工智能教育融入工程专业课程提供一些思路，为培养企业需要的人工智能工程技术型人才提供解决方案。