人工智能背景下《车身制造工艺学》教学改革与实践

余海燕 王阳阳

(同济大学汽车学院，上海 201804)

一、存在的问题

《车身制造工艺学》是车辆工程专业本科生的一门核心专业课。该课程的目的与任务是：通过理论讲授使学生掌握车身制造工艺的专业知识，车身可制造性分析的主要内容和方法。为车辆工程专业本科生在毕业设计中以及毕业后从事汽车设计、制造等相关工作打下坚实基础。课程内容主要包括冲压、焊接、涂装、装配等汽车制造工艺专业知识，详细分析各种工艺方法的基本原理、关键技术、相关设备和行业发展。它是在学生修完金属材料、汽车结构等相关课程之后的一门关于汽车制造方面的基础和工程技术课程。

由于车身制造工艺学所包含的内容多、所涉及的学科多，对学生的前期基础知识有一定要求，尤其是本科生基本没有去过制造现场，对车身制造的认识仅停留在电视等媒体中的画面感，缺乏必要的工程实践感受。另一方面，随着科学技术的发展，车身制造技术也在不断更新，而现有的教材内容远不及技术发展的速度，由此造成授课内容与时代有一定脱节，学生对授课内容不感兴趣，觉得内容太陈旧，影响了课堂教学效果，也不符合素质教育的理念。因此可通过配套课程《车身工艺学实习》来增加实践体验。开展教学方法改革探讨。提出在教学内容上增加前沿知识讲座，突出智能制造，增设课堂汇报与讨论的环节，制定合适的主题供学生选择，并进行材料准备、报告撰写、现场汇报与讨论。以此来加深学生对该课程内容的理解，拓展知识面，同时提高学生参与课堂教学的程度，培养主动学习的能力，提高学生的专业综合素质。

二、课堂教学方案修改

车身制造工艺学主要内容包括冲压、焊接、装配和涂饰四大基本工艺，涵盖知识面包括材料、模具、工艺、设备及生产线等车身制造关键要素，所涉及的学科包括：材料、力、热、电、化学等多学科，是一门涉及多学科、多物理场的综合性课程。该课程共51学时，原有的课时分配如图1(a)所示，课时分配考虑了车身制造四大基本工艺所涵盖的知识体系及复杂程度的区别，[1]所有的课时都是由教师课堂讲授，且内容集中在冲压、焊接、装配和涂饰四大基本工艺上。为了提高课堂教学效果，提高学生综合素质，[2]对这门课的课堂教学内容及课时分配进行了修改，新的方案如图1(b)所示。新方案中，总课时不变，新增设前沿知识讲座、智能制造和学生报告三方面内容，共占12个课时。其中前沿知识讲座重点围绕“中国制造2025”与“智能制造”主题，学生报告由授课教师制定主题、报告要求及评价标准，学生进行材料准备、报告撰写、课堂汇报与答辩环节。

(a) 原有的课时分配方案

(b) 新的课时分配方案

在上述新方案中，授课教师的前沿知识讲座非常关键，这个讲座目的：一方面是将智能制造融入到传统的车身制造工艺中，使学生学习“人工智能”时代下汽车车身的制造技术，同时教师通过本领域前沿知识和技术进展的总结和解析，使得学生熟悉或了解车身制造领域的新材料、新技术、新工艺和新的装备，了解世界各国在汽车制造技术方面的差异与特点，尤其是新能源汽车与汽车“新四化”方面的内容，并作发展趋势展望，增强学生对车身制造领域发展前景的感知。因此，要求授课教师是长期从事科研的教师，熟悉该领域的发展动态，具备对新知识新技术的敏感性。另一方面，通过授课老师对前沿知识讲座可以起到示范作用，学习如何根据特定主题进行内容筹划及准备，以及文献资料搜集分析、撰写报告的规范、报告演讲等，减少学生在后续准备课堂报告的茫然不知所措和紧张的感觉。

新方案中学生报告部分，主题设定为围绕车身制造中的新材料、新技术、新工艺、新装配，学生可以根据自己的专业基础和兴趣选择其中一个主题就可。主题限制无需太多，因为对于本科生而言多数没有科研基础，限制太多可能导致学生无从下手增加畏难感。通过这个报告，可以增强学生对专业知识的学习，培养学生的自主学习能力、报告撰写能力、表达能力等综合素质，这些能力的培养对学生终生受益。

教师对学生报告的评价也是保证学生报告效果的一个很重要方面，为此制定了如下的评价标准：一是内容上的新颖性，占比40%。要求所汇报内容必须体现“新”知识，不能只是文献资料内容的复制，这项要求可以促使学生在内容准备上有深入。二是报告的规范性，占比30%。主要从内容是否有明显错误、表达规范、是否图文并茂、是否有总结、视觉效果等方面进行评价，这项要求可以培养学生的专业知识结构、语言能力、书写规范等方面的技能。三是演讲效果，占比30%。主要从时间的掌控、演讲风格及方式、现场反馈效果等方面来评价，这项内容可以培养学生的语言表达能力、互动交流等方面的综合素质[3]。

新教学方案中，期末考核评价主要分为三个部分：考勤率占比10%、平时成绩占比50%、期末成绩40%，其中平时成绩包括作业与报告两部分。相对原来的评价方法新增了报告部分的成绩，这个考核指标的加入可以引导学生对课堂报告的投入和重视，增加学生的成就感。

三、智能制造教学内容的设计

2015年国务院发布的《中国制造2025》是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，提出了“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”作为实现制造强国的基本方针，并且将推进信息化与工业化深度融合作为实现这一计划的重要战略任务。智能制造是贯彻落实《中国制造2025》的战略部署，是两化深度融合的主攻方向。汽车制造业是重要的中游制造业，是一个资本密集型、技术密集型的产业，行业集中度非常高，且产业链长，是国家的支柱产业，推广智能制造在汽车制造业中的应用是实现汽车产业由规模速度型向质量效益型转变的重要途径。对车辆工程专业的学生进行汽车智能制造相关知识的传授与讲解非常必要。

根据《中国汽车智能制造技术路线图》中提到的我国汽车智能制造的总体发展规划，我国汽车智能制造在未来 15 年的发展目标为：到 2020 年，全面夯实汽车制造工业的自动化、数字化、网络化和信息化基础；到 2025 年，智能决策软件和智能装备在骨干汽车企业大量使用；到 2030 年，在全面数字化、网络化的基础上，汽车制造实现从设计、生产、物流到服务的全过程智能化。

由于智能制造涵盖了智能工厂、数字化车间、数字孪生技术、生产线的智能改造与升级、工业大数据、智能制造功能安全技术、智能制造元素的应用等技术，知识点非常多，涉及学科也较多。考虑车辆工程专业学生的知识结构与前修课程，结合《车身制造工艺学》的知识体系，选取了与车身制造密切相关的智能制造的基础内容进行了讲解。

第一，汽车制造业中智能制造的现状与展望。这部分内容主要是对国内外汽车制造企业中智能制造水平现状进行讲解，使学生了解当前各国以及各企业汽车智能制造水平的现状、各国制定的智能制造发展相关的政策、以及今后的发展趋势，增强学生对汽车智能制造的认识以及该领域前沿技术的了解。

第二，汽车制造智能工厂与数字化车间技术。数字化车间是在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生成组织方式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。其本质是信息的集成。智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理和服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程。同时集智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。其本质是人机有效交互。汽车制造智能工厂建设的关键技术主要包括：制造运行管理(MOM) 系统、智能传感器网络技术、多传感器信息融合技术等。这一部分内容主要从核心理念上进行教学，并结合实际案例进行讲解。重点讲解这些关键技术可以实现的功能和技术框架，如汽车制造执行系统MES与制造运行管理系统MOM各自的功能、红外传感器技术、RFID 技术和生物传感器技术在汽车生产线上的应用、提高系统资源利用率的多传感器信息融合技术的基础等。以通俗易懂的语言让学生掌握汽车智能制造核心技术的基础、涵盖的技术范畴，培养学生在智能制造方面的知识能力，为其进一步学习或从事智能制造相关工作打下基础。

第三，汽车制造业大数据技术。在智能制造的背景下，数据管理和智能分析将成为企业的核心能力，同时也是确保工业大数据真正产生效益的关键。如汽车生产的物料系统、零件数据、各工序及其设备、质量检测数据、售后的用户反馈信息等。在智能制造时代，这些数据的智能管理、分析与反馈将是汽车制造真正“智能化”的核心技术之一。其涵盖的知识面包括：数据库采集、数据存取、基础架构、数据处理、统计分析、数据挖掘、模型预测、云计算等，这部分内容的讲授主要是从基础概念、方法内涵、常用工具等角度进行，目的是培养学生认识大数据技术在汽车制造中的重要性，使学生熟悉汽车大数据的采集、存取、处理、统计分析与数据使用所需的主要技术手段。为鼓励学生对汽车智能制造内容的自主学习，还设计了一个汽车智能制造的学生报告环节。以汽车智能制造为主题，搜集国内外汽车智能制造案例，撰写课件并在课堂上进行互动交流。这个环节不仅有效促进学生对汽车智能制造技术的主动学习，提高课堂活跃度，还利于培养学生在文献收集与分析、报告撰写、语言表达等方面的素质能力。

四、教学效果

采用新课堂教学方案连续进行了五年该课程的教学实践，总听课人数为136人。采取了两个方法来进行评价。一是设计了匿名问卷收集参与上课同学的反馈意见。二是根据教学大纲对达成度进行比较。

问卷调查反馈结果为：136份问卷中有132份赞成增加智能制造、前沿知识讲座与课堂报告的设置，认为通过这两个环节能学到很多新的知识，可以弥补教材知识更新不及时的不足，课堂报告的过程锻炼了学生的演讲能力，为他们后续找工作面试、工作汇报提供了演习的机会。

表1 2015～2019学年《车身制造工艺学》的达成度

达成度是对课程教学效果的一个重要指标，它的计算方法是针对预定的教学目标，设计若干个考核指标点，每个教学环节分别对应考核指标点中的一个或多个，对这些指标进行加权计算的总和就是达成度。根据上述方法对5届学生的车身制造工艺学课程的期末总成绩的达成度进行了计算，结果如表1所示。可见5年中课程教学达成度持续上升，从2015年的0.866上升到2019年的0.914，也就是这门课的教学目标达成度由良好上升为优秀。从教学方法角度来说就是教学环节的设置达到了91.4%的教学目标，相对于原来教学方案的达成度0.836而言提高了8.2%，这说明所采取的新的教学方案有效地提高了学生的主动性，增加了学生的学习活动效度。

研究结果表明新增加的汽车智能制造的内容受到学生的高度评价，新的教学环节设置得到了学生的正面反馈，教学目标达成度提高了8.2%，有利于提高学生的综合素质。