新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺開發(fā)與應(yīng)用

申會鵬，武照云，曹毅，丁浩，邱俊，賀森亮，劉曉霞，馮偉，任寧

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.貝爾數(shù)據(jù)科技(大連)有限公司，遼寧 大連 116024）

0 引言

“新工科”要求以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，培養(yǎng)未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)所需要的實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。基于此背景與要求，以機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為切入點(diǎn)，將“互聯(lián)網(wǎng)+”“物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)軟件”“智能制造”“大數(shù)據(jù)分析”等現(xiàn)代信息技術(shù)與理念融入到機(jī)械基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)軌跡數(shù)據(jù)分析與評價系統(tǒng)為基礎(chǔ)，打造一個集互動學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)、虛擬仿真分析、實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物搭建、實(shí)驗(yàn)臺控制與測試為一體的“虛擬-現(xiàn)實(shí)”場景，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容、開展實(shí)驗(yàn)的過程中，充分理解現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等在工程實(shí)踐過程中的應(yīng)用[1-2]。

1 市場分析

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》。在當(dāng)前國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)浪潮中，市場對復(fù)合人才迫切需求，使得新工科建設(shè)已成為高校和社會共識。新工科更加注重學(xué)科實(shí)用性、綜合性與交叉性，也要求新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合。而采用怎樣的教學(xué)模式培養(yǎng)新工科復(fù)合型人才，是近幾年以及未來5～10 年內(nèi)我國高校教育產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

“十四五”是建設(shè)高質(zhì)量教育體系的重要階段，在此階段我們要夯實(shí)教學(xué)“新基建”，托起培養(yǎng)高質(zhì)量人才，以改革創(chuàng)新為根本動力，聚焦教育發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，推動信息化時代教育創(chuàng)新，大力開發(fā)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源，促進(jìn)新技術(shù)與教育教學(xué)深入融合，培育教育高質(zhì)量發(fā)展新動能。建成萬門左右國家級和萬門左右省級一流本科課程，推進(jìn)課程質(zhì)量建設(shè)和虛擬實(shí)驗(yàn)融合項(xiàng)目。增加國家財(cái)政性教育經(jīng)費(fèi)投入，助力建設(shè)一流本科和虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，2020年，全國教育經(jīng)費(fèi)總投入為53 014 億元，比2019年增長5.65%。其中，全國高等教育經(jīng)費(fèi)總投入為13 999 億元，比上年增長3.99%。2021年投入56 089億元，比2020年度增長5.82%。在國家大力扶持激勵下，課程一流建設(shè)和虛擬實(shí)驗(yàn)云服務(wù)將會有質(zhì)的飛躍。

然而，如何將“互聯(lián)網(wǎng)+”“物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)軟件”“大數(shù)據(jù)分析”等現(xiàn)代信息技術(shù)融入到新工科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)出適合新工科需求的高端復(fù)合型人才，是亟需解決的問題。當(dāng)前高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的特征是：1）缺乏創(chuàng)新性。教具或?qū)嶒?yàn)多具傳統(tǒng)性，千篇一律，不能很好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力。2）缺乏工程性。實(shí)驗(yàn)缺乏工程驗(yàn)證性，理論和實(shí)踐結(jié)合還存在一段距離。3）缺少素質(zhì)評價特性。不能完全符合新工科下的素質(zhì)教育要求。

2 新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

為解決以上問題，探索將“互聯(lián)網(wǎng)+”“物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)軟件”“智能制造”“大數(shù)據(jù)分析”等技術(shù)走進(jìn)教學(xué)、融入教學(xué)，開發(fā)“新工科”物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺，以此培養(yǎng)出理論扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的復(fù)合型人才。

傳統(tǒng)型的機(jī)械基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是走馬觀花式的學(xué)習(xí)[3-4]，甚至學(xué)生不需要動手操作，其效果可想而知。為扭轉(zhuǎn)這一局面，嘗試創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式，以案例貫穿為核心，以模塊化拼裝為導(dǎo)向，逐步讓學(xué)生打開思路。將《機(jī)械原理》的“運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)”實(shí)驗(yàn)和《機(jī)械設(shè)計(jì)》的“運(yùn)動副和零件結(jié)構(gòu)與性能”實(shí)驗(yàn)有機(jī)聯(lián)系起來，貫穿機(jī)械基礎(chǔ)課程的內(nèi)容體系（運(yùn)動-尺度-結(jié)構(gòu)-性能），樹立工程觀念，為學(xué)生抽象機(jī)器運(yùn)動本質(zhì)和進(jìn)行機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)平臺。提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工程性和設(shè)計(jì)性，靈活運(yùn)用課程內(nèi)容、知識、軟件來分析和解決實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)際問題，而不是驗(yàn)證、重復(fù)課程理論知識[5-7]。

圖1 新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺整體架構(gòu)

為便于學(xué)生學(xué)以致用、學(xué)有所用，經(jīng)過課題組研究課討論，同時結(jié)合目前實(shí)驗(yàn)教具現(xiàn)狀，開發(fā)一套面向新工科學(xué)生能力培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)云平臺，學(xué)生在平臺可完成實(shí)驗(yàn)臺認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)原理分析[3-5]、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、虛擬裝配、實(shí)物裝配、電動控制、實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)據(jù)采集與分析、實(shí)驗(yàn)報告等環(huán)節(jié)；教師可通過該平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的發(fā)布、過程數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)報告批閱、學(xué)生能力掌控等操作；職能部門可以通過平臺獲取學(xué)生的全程跟蹤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育評價[6-7]。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用模塊化組合設(shè)計(jì)，一個實(shí)驗(yàn)臺能夠開展多學(xué)科多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅節(jié)省開支，解決多課程內(nèi)容和實(shí)際工程問題，而且為學(xué)生抽象機(jī)器運(yùn)動本質(zhì)和進(jìn)行機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)平臺，還為課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和后續(xù)課程提供實(shí)驗(yàn)條件。

3 新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺特色功能

新工科下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)定位為培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工程方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析和解決工程問題，為未來從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作樹立工程觀念與意識。本項(xiàng)目開發(fā)的新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺具有線上虛擬線下現(xiàn)實(shí)融合、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用、教學(xué)數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)等創(chuàng)新特色。

圖2 新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

1）線上虛擬線下現(xiàn)實(shí)融合。

新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺通過搭建課程學(xué)習(xí)APP和實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺，實(shí)現(xiàn)了線上學(xué)習(xí)線下實(shí)踐、線上虛擬仿真線下實(shí)際操作、線上互動討論與線下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等不同類型的線上虛擬線下現(xiàn)實(shí)融合場景；通過互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）終端等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了知識共享、數(shù)據(jù)集成，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不再局限于課堂與書本上，而是通過手機(jī)APP終端、WEB軟件系統(tǒng)、線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。

圖3 線上虛擬線下現(xiàn)實(shí)融合

2）數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺將課程知識實(shí)現(xiàn)了流程化、規(guī)范化、軟件化；平臺系統(tǒng)模擬智能制造工廠定制環(huán)境，學(xué)生可以在系統(tǒng)上利用數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)的工業(yè)APP實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬仿真、在線裝配、生成物料BOM等過程；也可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等過程。

3）教學(xué)數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)。

目前對學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的常規(guī)評價基本停留在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報告的評價上，未體現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中多維度能力，例如對實(shí)驗(yàn)知識的掌握程度、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性、完成效率、過程投入度等評價；新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺旨在建立基于學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)多維度的綜合能力評價模型，收集學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)平臺上開展的一系列實(shí)驗(yàn)活動痕跡產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，制定學(xué)生綜合能力評價指標(biāo)與評價曲線，逐步形成基于過程數(shù)據(jù)的綜合能力評價體系。

4 創(chuàng)新性可組裝實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)

已開發(fā)用于工科多學(xué)科實(shí)驗(yàn)的工程搭建項(xiàng)目5類8種。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)機(jī)：固定實(shí)驗(yàn)臺有2類3種可供選擇；可重組實(shí)驗(yàn)機(jī)：提供3類5種機(jī)構(gòu)構(gòu)型。

固定式實(shí)驗(yàn)臺主要有含滑塊調(diào)整機(jī)構(gòu)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、不含滑塊調(diào)整機(jī)構(gòu)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、六連桿機(jī)構(gòu)3類機(jī)型。主要由機(jī)械部分、動力部分、電控部分、數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成。

組裝式實(shí)驗(yàn)臺主要包含模塊化可重組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（四桿機(jī)構(gòu)）、肘桿式機(jī)構(gòu)（六桿機(jī)構(gòu)）、雙滑塊機(jī)構(gòu)（九桿機(jī)構(gòu)）3類機(jī)型，以及電動推桿和曲柄滑塊送料機(jī)構(gòu)。學(xué)生可通過模塊拼裝的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺的組合搭建。

3類可重組沖壓機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺搭載公用的控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、送料系統(tǒng)，可以構(gòu)成沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)。沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)包含可重組沖壓、送料機(jī)械（機(jī)構(gòu)）系統(tǒng)，模塊化控制系統(tǒng)，開放式測試系統(tǒng)；其中機(jī)械系統(tǒng)包括可拆分重組的曲軸、可調(diào)連桿、組合滑塊、可重組箱體、組合導(dǎo)軌滑塊等；測試系統(tǒng)具有多類傳感器（位移、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角、振動、沖壓力等）及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；電控系統(tǒng)包括電動機(jī)、控制器、控制柜和軟件系統(tǒng)等。

新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺提供多樣運(yùn)動副單元和機(jī)架單元，通過可重組式的模塊化裝配，學(xué)生可搭建出不同的機(jī)器，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識。

5 新工科實(shí)驗(yàn)云平臺初步應(yīng)用

新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺目前已在多所高校進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，主要開展了機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，以后將會開設(shè)更多的課程。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)在線體驗(yàn)和線下實(shí)物裝配大大激發(fā)了學(xué)生興趣，課下預(yù)約裝配2～4 h可完成，課上實(shí)驗(yàn)1.5～2 h可完成。在實(shí)踐過程中，學(xué)生也體會到了機(jī)器運(yùn)動方案和結(jié)構(gòu)方案的多解性，同一個機(jī)構(gòu)可組裝出不同的機(jī)器結(jié)構(gòu)，更大程度上增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐力和創(chuàng)造力。

6 新工科實(shí)驗(yàn)云平臺的前景分析

圖4 數(shù)字化虛擬裝配

圖5 云平臺數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)

圖6 標(biāo)準(zhǔn)固定式壓力機(jī)

圖7 標(biāo)準(zhǔn)組合式壓力機(jī)

新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺的核心競爭力有新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程、線上線下互動體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、模塊化可重組實(shí)驗(yàn)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰I綜合評價系統(tǒng)、協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與共享平臺等，能夠?yàn)閲鴥?nèi)高校提供從實(shí)驗(yàn)課程、軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)、共享平臺“五位一體”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決方案，符合教育主旋律，有很大的推廣前景：

圖8 組合式壓力機(jī)模塊化裝配的多樣結(jié)構(gòu)

圖9 實(shí)驗(yàn)云平臺初步應(yīng)用

圖10 實(shí)驗(yàn)云平臺機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)

1）對高校學(xué)生而言，以互動體驗(yàn)（案例、計(jì)算、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等多個維度）為核心，提升高校學(xué)生的自學(xué)能力和學(xué)習(xí)效率；

2）對高校教師而言，以豐富的特色案例為核心，提升高校教師教學(xué)效率和教學(xué)效果；

3）對高校教育而言，提升教學(xué)參與者對“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”的深度理解，培養(yǎng)新一代機(jī)械工程師，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺也實(shí)現(xiàn)了高校教育資源的均衡。

7 結(jié)論

1）開發(fā)完成了新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺，并進(jìn)行了初期應(yīng)用，可提供適合各校特色的實(shí)驗(yàn)方案。

2）新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，將各種虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)場景和空間、資源和工具間彼此聯(lián)通、相互融合，讓“以學(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)范式正從基于單一空間與媒體的個體建構(gòu)向基于多元空間與富媒體的分布式認(rèn)知轉(zhuǎn)變。

3）新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺綜合使用物聯(lián)網(wǎng)在智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和智能處理等方面的技術(shù)特征，搭建概念全新的集趣味演示、虛擬裝配、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測試、實(shí)驗(yàn)分析于一體的綜合性智能實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合能力。

4）新工科物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺提出了基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程數(shù)據(jù)的綜合能力評價體系，基于過程數(shù)據(jù)，評價學(xué)生對知識掌握程度及實(shí)踐動手能力；該評價體系將有利于授課老師實(shí)時掌握學(xué)生對知識掌握與運(yùn)用情況，不斷推進(jìn)理論授課與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，為高校綜合評價學(xué)生能力提供客觀數(shù)據(jù)支撐。