大数据与人工智能赋能下的智能化焊接技术及其教育革新

摘要：文章探讨焊接技术的最新进展，分析焊接智能化发展的必要性，阐述智能化焊接教育面临的主要挑战，提出修正认知航线、跨越学科之桥和播种创新之花的解决方案，并结合实际教学案例，纠正学生对焊接行业的误解，促进学科的交叉融合，提高学生的创新能力，从而推动智能化焊接教育的改革与发展，为制造业和教育领域的发展提供重要参考。

关键词：大数据时代；人工智能；焊接技术

一、引言

我国正处于重塑制造业国际竞争力的关键阶段，各类大数据在智能制造中的应用日益广泛。在这一背景下，数据不仅是一种资源，还是推动产业发展的重要驱动力。制造业智能化进程加速使得传统焊接产业逐步向智能化焊接方向转型和升级。

在大数据时代，智能化焊接技术作为一项领先技术，不但在制造业领域展现出巨大的潜力，而且在本科生教育中也呈现出全新的战斗活力。因此，如何有效应对智能焊接教育所面临的诸多挑战，进一步发挥其对本科生的引领作用，成为一个值得深入探讨与研究的重要课题。

二、学科现状

（一）焊接技术的发展现状

一方面，传统焊接技术如电弧焊、气体保护焊、氩弧焊、气焊、电阻焊等，经过长期发展，已形成成熟的工艺体系和标准规范，涵盖了焊接材料、设备、工艺和质量检测等方面。然而，传统焊接技术在提高生产效率和质量方面仍存在一定局限性，影响了生产的一致性和可靠性。另一方面，焊接技术水平不断提升，应用领域迅速扩展至高新技术领域，产学研结合成为推动焊接技术创新的重要动力。大学、科研院所与企业紧密合作，加速了焊接技术的研发与转化。

目前，焊接技术正朝着智能化方向发展，对高素质焊接人才的需求日益增加。因此，高校亟须创新人才培养模式，特别是加强学生实践能力和创新意识的培养，以适应智能化焊接技术发展的需求。

（二）传统焊接现状

传统的焊接技术已在工业生产的诸多领域得到应用。例如，在汽车制造业中，焊接技术被用于车身结构的连接，包括车架、车身板等部件的焊接；在航空航天领域，焊接技术广泛应用于飞机、航天器等金属结构的制造和修复，包括飞机机身、发动机零部件等。

然而，传统焊接的效率和质量往往依赖于焊接师傅的技能水平，对生产的一致性和可靠性提出了挑战。随着制造业的发展，焊接技术引入机器人和自动化设备，显著提高了焊接生产的效率和质量，减少人为因素的影响。尽管传统焊接在技术方面取得了显著进展，并形成了完善的技术体系和丰富的应用经验，但进一步推进自动化和智能化转型升级仍面临挑战。

（三）智能化焊接现状

智能化焊接是一种融合传感器技术、自动控制系统、数据分析、机器学习和人工智能的先进制造工艺，通过实时监控、数据驱动的自适应控制和自动化操作，实现高精度和高效率焊接。随着“工业4.0”和“中国制造2025”战略的推进，智能化焊接技术正迅速发展，智能焊接机器人、自动化焊接生产线和先进传感技术得到了广泛应用与推广。

例如，张广军等人通过引入信息流和多源传感技术，获取焊接过程中的数据，并利用大数据和人工智能技术对其进行处理和分析，实现对焊接动态过程的多模态信息感知、知识判断与智能化控制。解决了传统焊接技术在智能化、网络化方面的诸多瓶颈，为焊接过程中的智能检测和自适应控制提供了理论基础与技术支持。

此外，林尚扬等人介绍了机器人智能化焊接技术在多信息传感、知识提取与建模及智能化控制等方面的关键技术，并结合焊接试验研究经验，展示了机器人智能化焊接技术在运载火箭贮箱中的技术突破及应用成果。

三、智能化焊接教育面临的挑战

（一）认知偏差

目前，部分学生对焊接专业存在一定的认知偏差。焊接作为传统制造业的一部分，常被视为工艺简单、技术陈旧的职业，相较于时下更受关注的新兴行业，显得不够吸引人。焊接工作环境相对艰苦，高温、高噪声和有风险的操作环境，使一些学生望而却步。此外，学生对现代焊接技术的智能化、自动化发展及其应用了解较少，对焊接专业的理解存在偏差，认为其发展受限、工作条件艰苦、技术含量不高，这导致选择焊接专业的学生人数逐渐减少，焊接行业面临人才短缺的问题。

（二）跨学科障碍

智能化焊接要求学生学习焊接工艺、机械工程、材料科学和控制工程等领域的知识。这种跨学科的融合是一种全新的学习经历，学生需要不断地理解和整合不同领域的知识。此外，智能化焊接技术的复杂性可能使学生产生畏难情绪，因为焊接本身是技术密集型工作，要求学生准确掌握工艺参数、材料特性及设备操作，而智能化焊接还涉及传感器技术、数据分析、机器学习等交叉学科。

（三）创新意识不足

焊接智能化技术的发展需要较高水平的科研能力和创新意识，以应对复杂的工程问题和技术创新。然而，由于学生较少接触智能化焊接技术和方法，缺乏将这些思路转化为实际可行解决方案的能力。因此，当学生面对智能化焊接技术的研究和应用时，常常难以独立思考并提出有效的创新解决方案，也难以意识到智能化焊接技术对提高焊接效率、质量的重要性。

四、智能化焊接教育的改进途径

（一）修正认知航线

首先，教师可以普及焊接技术的基本原理、应用领域和前沿技术，介绍焊接行业在国家制造业中的地位和发展前景，改变学生对焊接的固有印象。其次，教师可以开展职业体验活动或实习机会，让学生亲身体验焊接工作的实际情况，增强他们对焊接行业的了解和认同。同时，加强安全教育，提高学生对焊接工作环境的适应能力和应对能力，减少对环境危害的担忧。最后，教师可以引入现代焊接技术的案例研究和应用实例，结合实验室教学和科研项目，鼓励学生参与智能化焊接技术的研究和开发，提高创新精神和实践能力，从而提升他们对焊接行业的认知水平。

例如，在江苏科技大学的焊接课程中，教师引入了智能化焊接技术的实际案例和实验环节。教师通过让学生亲自动手操作，了解智能化焊接设备的工作原理和应用场景，培养学生对焊接专业的兴趣和信心。同时，在焊接试验中，学生使用配备视觉传感器和自主路径规划功能的焊接机器人，完成了复杂形状金属件的焊接任务，并通过视觉实时监控系统，观察焊接过程中的焊接图像和数据变化，学习如何调整焊接参数以获得最佳的焊接质量。此外，教师还组织学生参观了锅炉厂、船厂等制造企业，让他们亲身体验焊接工作的实际环境，感受智能化焊接的应用场景，纠正对焊接行业的误解。

（二）跨越学科之桥

为了应对智能化焊接交叉学科的挑战，教师可以建立跨越学科的解决方案。首先，教师通过精心设计的课程内容和教学方法，引导学生逐步建立对焊接工艺、机械工程、材料科学和控制工程等领域的基础理解，激发他们的学习兴趣和动力。其次，教师应提供良好的学习资源和环境，如图书馆、实验室和在线学习平台，帮助学生自主学习和探索，加强他们的自主学习能力和跨学科整合能力。最后，教师可以采用案例教学法和问题导向式教学法，让学生通过解决实际问题和应用案例来理解并掌握相关知识。教师结合实验教学和项目实践，让学生在实际操作中逐步掌握智能化焊接技术，培养学生的实践能力和解决问题的能力。

例如，在焊接智能制造课程教学中，教师将焊接工艺、控制工程、计算机和人工智能相结合，要求学生完成一个基于传感信息的焊接参数检测，以提高他们跨学科整合能力。学生通过设计焊接传感系统，实时采集焊接数据，开发算法以检测焊接参数，实现焊接过程控制和质量检测。在这个项目中，学生通过先进的机器学习软件，分析焊接过程中产生的大量数据，从而预测和预防焊接缺陷。此外，教师还安排学生与计算机科学和机械工程专业的学生合作，利用他们在编程和机械设计方面的专长，共同完成智能焊接传感和检测项目。通过这种方式，学生不仅学会了如何应用不同学科的知识解决实际问题，还提高了团队合作和沟通能力。

（三）播种创新之花

为了培养本科生的创新意识，高校需要全面优化课程设置和教学内容。首先，高校通过增加焊接智能化技术相关课程和实践环节，加强学生对智能化技术的认知和理解，从而激发他们的创新潜力。其次，高校鼓励学生参与科研项目和实践活动，并为他们提供充足的实践平台和资源支持，帮助学生在实践中探索和发现问题，进而提出解决方案，培养学生独立思考和创新能力。最后，高校通过建立学生导师制度，为学生提供个性化指导和支持。

同时，教师还要鼓励学生参加大学生创新创业训练计划项目、全国大学生焊接创新大赛、中国国际大学生创新大赛、大学生挑战杯等国家级比赛，激发学生的创新意识和实践能力。江苏科技大学与船厂、钢铁厂、锅炉厂等制造企业合作，为学生提供实习机会和技术培训，让学生亲身体验焊接流程，掌握大型结构件的焊接技巧，并了解不同行业的标准，帮助学生将理论知识应用于实际工作中，提升职业素养、实践能力和创新能力。

五、结语

在大数据时代，焊接技术的进步与智能化发展是制造业转型升级的重要组成部分。然而，智能化焊接教育面临的认知偏差、跨学科障碍和创新意识不足等挑战，严重影响了智能焊接技术在教育和实践中的应用与推广。通过普及现代焊接技术知识、加强跨学科教育和实践、激发学生的创新意识与能力，可以有效提高智能化焊接教育的质量。这些措施不仅为智能化焊接技术的教育改革提供了重要参考，也为培养适应未来制造业需求的高素质焊接人才奠定了坚实基础。

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基金项目：本科教育教学改革研究项目“数字化转型下智能焊接教学方法及内容改革研究 ”，项目编号：XJG2024015；镇江市社会发展指导性科技计划项目“摇动电弧窄间隙焊接图像感知及焊缝偏差检测技术研究”，项目编号：FZ2023110。

（作者单位：江苏科技大学）