新工科背景下智能運(yùn)維與健康管理課程教學(xué)探索

王文波，顧寄南

（江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，技術(shù)變革不斷加快，制造企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)從產(chǎn)品制造過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)延伸到產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維與回收全生命周期的全面競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)本科人才的培養(yǎng)要求越來(lái)越高?；趪?guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，積極應(yīng)對(duì)新一輪信息技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)革命，《中國(guó)制造2025》將智能制造工程列為五大工程之一，教育部提出了積極推進(jìn)新工科專業(yè)建設(shè)。新工科專業(yè)重視不同工程學(xué)科之間、工程學(xué)科與非工科門(mén)類的交叉與融合（如圖1 上部所示），強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)學(xué)科與新興技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新，即在具備傳統(tǒng)工科專業(yè)基本要求的基礎(chǔ)上，還需具備數(shù)字化、信息化、智能化、綠色化等多種能力。智能制造工程專業(yè)是于2018 年開(kāi)設(shè)的新工科專業(yè)，江蘇大學(xué)2019 年招收第一批智能制造工程專業(yè)本科生，智能制造是一個(gè)系統(tǒng)工程，其目的是融合新一代信息技術(shù)到制造業(yè)中，涉及機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、管理學(xué)等多個(gè)學(xué)科，融合了各相關(guān)學(xué)科的最新發(fā)展技術(shù)，是典型的多學(xué)科交叉專業(yè)。

智能運(yùn)維與健康管理是江蘇大學(xué)智能制造工程專業(yè)的專業(yè)必修課。它是在傳統(tǒng)的機(jī)械故障診斷技術(shù)、制造系統(tǒng)建模與仿真等課程的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一門(mén)新課程。本課程的目的是使學(xué)生掌握智能制造系統(tǒng)內(nèi)的制造設(shè)備、生產(chǎn)資源以及整體制造系統(tǒng)等方面運(yùn)行與維護(hù)過(guò)程的優(yōu)化決策與健康管理的智能決策新模式，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思兼顧社會(huì)、安全、環(huán)境等因素的智能制造系統(tǒng)優(yōu)化管控方案，培養(yǎng)學(xué)生建立具有工程情懷的嚴(yán)謹(jǐn)觀、安全觀與可持續(xù)發(fā)展觀，以及系統(tǒng)思維、項(xiàng)目管理、跨學(xué)科的決策分析能力。本課程對(duì)于增加智能制造工程專業(yè)學(xué)生知識(shí)的深入理解與綜合運(yùn)用，加深對(duì)智能制造系統(tǒng)的運(yùn)行決策理論與模式的認(rèn)知程度，進(jìn)而培養(yǎng)高素質(zhì)、交叉復(fù)合型、工程應(yīng)用型人才具有重要作用。由于其是一門(mén)新開(kāi)設(shè)課程，相關(guān)傳統(tǒng)課程中使用的教學(xué)方法或手段難以滿足其教學(xué)目的，需要結(jié)合本課程的教學(xué)內(nèi)容需求，對(duì)教學(xué)方法與教學(xué)手段進(jìn)行創(chuàng)新，以及人才培養(yǎng)模式與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革探索。

一、智能運(yùn)維與健康管理課程的特點(diǎn)

目前，我校的智能運(yùn)維與健康管理課程是智能制造工程專業(yè)的必修課，以及機(jī)械類、自動(dòng)化類相關(guān)專業(yè)的選修課。本課程共32 學(xué)時(shí)，內(nèi)容涉及智能制造系統(tǒng)運(yùn)維過(guò)程中智能化建模、生產(chǎn)與物流任務(wù)自適應(yīng)控制、制造資源自組織優(yōu)化配置、制造系統(tǒng)建模與關(guān)鍵性能實(shí)時(shí)分析、異常事件診斷與管理及制造系統(tǒng)優(yōu)化決策等方面，如圖1左下角所示，具有以下三個(gè)主要特點(diǎn)。

（一）涉及技術(shù)先進(jìn)

智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)可以分為感知層、傳輸層、分析層與應(yīng)用層四個(gè)主要層級(jí)。本課程需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容遍布在四個(gè)層級(jí)的多個(gè)方面：感知層指應(yīng)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、定位技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，以實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的精準(zhǔn)全面感知，是本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的數(shù)據(jù)來(lái)源與實(shí)時(shí)控制前提；傳輸層指應(yīng)用Zigbee、藍(lán)牙、無(wú)線、有線等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，是實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)到上層智能運(yùn)維決策的重要手段；分析層指應(yīng)用邊緣計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)的信息處理與聚合方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值運(yùn)算，是本課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)；應(yīng)用層指綜合分析制造數(shù)據(jù)、加工工藝、管理知識(shí)等方面，采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)性分析、人工智能等手段實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的最優(yōu)化可靠運(yùn)行，是本課程學(xué)習(xí)的主要目的。

（二）多學(xué)科交叉

智能運(yùn)維與健康管理課程涉及機(jī)械工程、信息技術(shù)、控制技術(shù)、管理學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。例如，機(jī)械系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)維護(hù)以及健康管理的應(yīng)用載體，涉及機(jī)械制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面知識(shí)；信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)智能感知與控制的重要方式，涉及數(shù)據(jù)感知、實(shí)時(shí)傳輸、交叉融合等方面的技術(shù)；智能系統(tǒng)的自適應(yīng)控制是智能運(yùn)維與健康管理的學(xué)習(xí)目的，其中控制邏輯與方式既是實(shí)現(xiàn)手段又是實(shí)現(xiàn)目的；復(fù)雜制造系統(tǒng)的自適應(yīng)運(yùn)維與健康管理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)、管理學(xué)等方面的學(xué)科知識(shí)進(jìn)行優(yōu)化決策。

（三）綜合性強(qiáng)

智能運(yùn)維與健康管理課程的學(xué)習(xí)安排在本科生的第七學(xué)期，前期學(xué)生已經(jīng)掌握了智能制造工程專業(yè)的基本素養(yǎng)知識(shí)，包含機(jī)械制圖、機(jī)械原理、智能裝備控制、智能制造系統(tǒng)規(guī)劃與軟件集成、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等。本課程是在對(duì)前期所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合與鞏固的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)性的梳理與應(yīng)用，以對(duì)智能制造系統(tǒng)層面的決策與控制有更加清晰的認(rèn)知，有利于以后解決工程實(shí)際問(wèn)題。

二、現(xiàn)有相關(guān)課程教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前，機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)的與智能運(yùn)維與健康管理相關(guān)課程主要面向傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)維方面，如制造系統(tǒng)運(yùn)維與健康管理、制造系統(tǒng)建模與仿真、機(jī)械故障診斷技術(shù)等，主要內(nèi)容是制造系統(tǒng)的離線、事后的生產(chǎn)過(guò)程建模與故障分析預(yù)警，以為下一階段的生產(chǎn)決策提供參考依據(jù)。目前，對(duì)于相關(guān)傳統(tǒng)課程的教學(xué)還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，致使難以滿足本課程的教學(xué)要求，如圖1 右下角所示。

圖1 新工科背景下智能運(yùn)維與健康管理課程教學(xué)探索

（一）課程互動(dòng)性偏少

傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)維相關(guān)課程教學(xué)過(guò)程中，主要采用教師講臺(tái)上講授理論知識(shí)，學(xué)生下面聽(tīng)講的方式，雖然會(huì)采用多媒體等輔助工具，教學(xué)過(guò)程中使用一些實(shí)例視頻，但由于各個(gè)課程的理論性較強(qiáng)，一般都包含較多的公式與機(jī)理，牽連的知識(shí)面也較廣。為學(xué)習(xí)完課程內(nèi)容，需要采用傳統(tǒng)的滿堂灌模式，而這種模式很難調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，影響教學(xué)效果。例如，在制造系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)過(guò)程中，常針對(duì)特定生產(chǎn)系統(tǒng)（如汽車生產(chǎn)線）采用Petri 網(wǎng)、工作流分析等模型進(jìn)行虛擬建模方法的介紹，但由于學(xué)生未實(shí)際地進(jìn)行建模分析與動(dòng)手操作，僅能在理論上進(jìn)行學(xué)習(xí)，致使學(xué)生不能很好地掌握教學(xué)內(nèi)容。

（二）課程講解實(shí)例陳舊

現(xiàn)有課程的具體實(shí)例講解過(guò)程，常采用非常成熟的生產(chǎn)實(shí)例進(jìn)行分析，但隨著時(shí)代的發(fā)展變遷，一些實(shí)例已經(jīng)跟不上實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的管控。例如，在機(jī)械故障診斷技術(shù)課程中，常使用的生產(chǎn)故障案例是刀具的磨損，而現(xiàn)在的刀具從制作材料、加工工藝、定期維護(hù)方式等方面進(jìn)行了顯著的提升，刀具磨損在實(shí)際加工過(guò)程中已經(jīng)較少出現(xiàn)，而在當(dāng)前企業(yè)廣泛應(yīng)用的智能制造系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常出現(xiàn)由于數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確或決策制定不合理導(dǎo)致的系統(tǒng)層面故障，對(duì)這方面的教學(xué)還相對(duì)較少。

（三）知識(shí)綜合能力薄弱

智能運(yùn)維與健康管理課程涉及的學(xué)科范圍廣，知識(shí)覆蓋面全，傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)維課程主要注重理論知識(shí)的講解，忽略了各個(gè)課程之間的關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。同時(shí)，由于各門(mén)課程各自為政，不會(huì)使用統(tǒng)一的生產(chǎn)車間實(shí)例，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法形成一個(gè)整體的制造系統(tǒng)運(yùn)維與健康管理的系統(tǒng)概念，無(wú)法形成一個(gè)具體的生產(chǎn)過(guò)程管理的清晰鏈條，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生在以后的工作過(guò)程中，無(wú)法具有較好的系統(tǒng)概念，難以具備智能制造的系統(tǒng)工程能力。

（四）課程考核時(shí)間與方式單一

傳統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)維相關(guān)課程的考核方式一般是期末考試或者大作業(yè)的形式，缺乏平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，致使學(xué)生僅在臨近考試的時(shí)候進(jìn)行突擊學(xué)習(xí)，平時(shí)不會(huì)積極參與到課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，影響課程學(xué)習(xí)的效果。

以上是智能運(yùn)維與健康管理這門(mén)課程在教學(xué)過(guò)程中需要克服的難點(diǎn)問(wèn)題，也是教學(xué)改革中需要解決的問(wèn)題。

三、智能運(yùn)維與健康管理課程改革措施

如圖1 中部所示，針對(duì)以上存在的問(wèn)題，結(jié)合智能運(yùn)維與健康管理課程的特點(diǎn)，提出以下四種改革措施。

（一）時(shí)事式案例教學(xué)

當(dāng)今社會(huì)信息獲取方式多種多樣，學(xué)生基本上手機(jī)不離手，學(xué)生們對(duì)時(shí)事熱點(diǎn)問(wèn)題的關(guān)心程度遠(yuǎn)超從前。本課程涉及制造系統(tǒng)的多個(gè)方面，可以結(jié)合時(shí)事熱點(diǎn)問(wèn)題，選擇合適的案例進(jìn)行學(xué)習(xí)討論，提升學(xué)生課程學(xué)習(xí)的積極性。例如，當(dāng)前芯片的制造與生產(chǎn)是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的卡脖子問(wèn)題，學(xué)生必然會(huì)在平時(shí)對(duì)芯片的現(xiàn)狀有一定的了解，可以結(jié)合芯片制造的核心裝備光刻機(jī)進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，對(duì)光刻機(jī)運(yùn)維過(guò)程中潛在的生產(chǎn)故障種類、特點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，使學(xué)生在掌握本門(mén)課程知識(shí)的基礎(chǔ)上，提升民族自信心與愛(ài)國(guó)情懷，滿足立德樹(shù)人的培養(yǎng)要求。

（二）創(chuàng)新型項(xiàng)目

本門(mén)課程的培養(yǎng)目標(biāo)之一是使學(xué)生對(duì)制造系統(tǒng)的智能運(yùn)維模式有深入的了解，為此可以在教授基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，給予學(xué)生創(chuàng)新型項(xiàng)目課題，并設(shè)定最終項(xiàng)目驗(yàn)收環(huán)節(jié)，使學(xué)生在后續(xù)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中帶著任務(wù)去聽(tīng)講，提升學(xué)生課程學(xué)習(xí)的積極性。例如，可以設(shè)定生產(chǎn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能制造系統(tǒng)全生命周期管理新模式、實(shí)時(shí)信息驅(qū)動(dòng)的制造系統(tǒng)資源調(diào)度新模式、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使能的智能車間故障實(shí)時(shí)管控方法等課題，以使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)時(shí)更有積極性。

（三）探討式學(xué)習(xí)

本門(mén)課程是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的課程，需要學(xué)生充分調(diào)取前期學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，才能更好地發(fā)揮作用，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可以在每次課程結(jié)束后，布置下一次課堂探討課題，并在下次課程中留足時(shí)間充分提問(wèn)與討論，這樣學(xué)生便會(huì)主動(dòng)或被動(dòng)地去回顧之前的課程內(nèi)容，便于課程中綜合性較強(qiáng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

（四）考核方式綜合化

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，可以采用綜合式的考核方式。首先，可以增加學(xué)生匯報(bào)環(huán)節(jié)，針對(duì)設(shè)置的創(chuàng)新型項(xiàng)目課題，讓學(xué)生自主選擇并分組，每組3～5 個(gè)同學(xué)，共同完成一個(gè)創(chuàng)新型項(xiàng)目，學(xué)生之間需明確各自負(fù)責(zé)內(nèi)容，完成各自任務(wù)，并采用PPT 匯報(bào)的形式面對(duì)全部同學(xué)進(jìn)行講解，并將最終匯報(bào)效果計(jì)入考核；其次，可以對(duì)平時(shí)探討式學(xué)習(xí)課題的討論進(jìn)行記錄，將其作為學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)的重要評(píng)判依據(jù)；最后，以課程大論文的形式提交匯報(bào)報(bào)告，要求學(xué)生以學(xué)術(shù)論文的格式進(jìn)行大作業(yè)的整理，使學(xué)生主動(dòng)去查閱參考文獻(xiàn)，并培養(yǎng)學(xué)生的科研寫(xiě)作能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

智能運(yùn)維與健康管理課程是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的智能制造工程專業(yè)必修課程，通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)中問(wèn)題的綜合能力具有較好的作用，但由于其涉及技術(shù)先進(jìn)、多學(xué)科交叉、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。本文在分析傳統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)維相關(guān)課程的教學(xué)方式方法，總結(jié)了相關(guān)課程的師生互動(dòng)性偏少、課程講解實(shí)例陳舊、知識(shí)綜合能力薄弱、課程考核時(shí)間與方式單一等問(wèn)題，并提出了時(shí)事式案例教學(xué)、創(chuàng)新型項(xiàng)目、探討式學(xué)習(xí)、考核方式綜合化四種教學(xué)改革措施，對(duì)提高智能運(yùn)維與健康管理課程的教學(xué)質(zhì)量起到了一定的推動(dòng)作用。