“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學(xué)模式探索和實(shí)踐

謝 陽，康 超，劉金鋒，陳 宇

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”是江蘇科技大學(xué)智能制造工程專業(yè)一門核心的專業(yè)必修課程。此課程以“物物互聯(lián)，感知制造，動(dòng)態(tài)決策”為導(dǎo)向，注重制造執(zhí)行系統(tǒng)中的基礎(chǔ)共性問題闡述，具有注重實(shí)踐性的性質(zhì)[1-2]，與其他專業(yè)必修課一起，共同提升學(xué)生在智能物聯(lián)制造應(yīng)用開發(fā)和智能決策系統(tǒng)工作崗位所需具備的基礎(chǔ)共性知識(shí)和實(shí)踐技能，從而為培養(yǎng)高質(zhì)量的智能物聯(lián)制造決策系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)人員奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)[3]?；诖?，智能物聯(lián)制造系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)課相繼成立并發(fā)展起來[4]。目前，智能物聯(lián)制造系統(tǒng)的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式仍處于起步階段，如何培養(yǎng)出真正適合物聯(lián)網(wǎng)制造產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新復(fù)合型人才是智能制造專業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)。

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程具有應(yīng)用性和工程實(shí)踐性強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，但在目前的教學(xué)模式下，存在明顯的注重基礎(chǔ)理論知識(shí)的傳授，而輕視實(shí)踐操作技能的培養(yǎng)，基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)踐操作技能的教學(xué)未形成有效的銜接，難以培養(yǎng)出真正適合物聯(lián)網(wǎng)制造產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新復(fù)合型人才的目標(biāo)[5]。課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為基礎(chǔ)理論課的補(bǔ)充和延伸，對(duì)于提升教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作技能、創(chuàng)新能力至關(guān)重要。因此，持續(xù)推進(jìn)“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程的教學(xué)模式探索與實(shí)踐，對(duì)培養(yǎng)適合智能物聯(lián)制造行業(yè)發(fā)展的復(fù)合型人才，推動(dòng)智能制造的落地發(fā)展具有非常重要的意義。

1 “智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程結(jié)合江蘇科技大學(xué)智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有學(xué)科基礎(chǔ)、社會(huì)需求和國家戰(zhàn)略需求，設(shè)置具有學(xué)校特色和側(cè)重性的課程培養(yǎng)大綱。圍繞預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，建立課程相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和基礎(chǔ)共性問題體系仍然是學(xué)生培養(yǎng)的基石；課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)踐教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)，使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能相結(jié)合，從根本上做到學(xué)以致用，對(duì)提升整個(gè)智能制造專業(yè)教學(xué)質(zhì)量具有重要作用[6-7]。目前，國內(nèi)眾多院校剛剛成立智能制造工程專業(yè)，故專業(yè)核心課程“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”的課程教學(xué)仍在起步階段，避免不了沿用傳統(tǒng)的學(xué)科應(yīng)試教學(xué)模式。然而，這種模式不適應(yīng)新工科背景下智能制造系統(tǒng)復(fù)雜、學(xué)科交叉、綜合性強(qiáng)的專業(yè)特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①高等院校的“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程是以人工智能、大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，面向智能制造工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的核心課程。因此，大部分院系專業(yè)課程、先修課程彼此間聯(lián)系性差、課程體系較為松散的教學(xué)模式，難以體現(xiàn)“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”專業(yè)課程多學(xué)科交叉融合的特色，導(dǎo)致其教學(xué)存在基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用之間脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題。

②“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)在實(shí)驗(yàn)器材方面也存在一系列比較現(xiàn)實(shí)的問題，如：現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室都是面向傳統(tǒng)的機(jī)械制造專業(yè)開設(shè)的，功能相對(duì)比較單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能化程度不高，物聯(lián)網(wǎng)裝置通信接口缺失，不能有效地開展課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，無法滿足智能制造專業(yè)物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策的應(yīng)用開發(fā)需求。

③“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”屬于多學(xué)科交叉課程，涵蓋機(jī)械、電氣、自動(dòng)化到控制等眾多學(xué)科，涉及的知識(shí)點(diǎn)也相對(duì)較多，且存在碎片化、離散化等特點(diǎn)，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中會(huì)感覺到消化困難，進(jìn)而失去學(xué)習(xí)熱情。尤其是課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基本上屬于原理驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)，而物聯(lián)制造實(shí)驗(yàn)需要在基于開發(fā)模塊的平臺(tái)上進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)性和整體性，很難從根本上提升學(xué)生對(duì)智能物聯(lián)制造技術(shù)的總體認(rèn)知。

2 “智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學(xué)模式探索

針對(duì)“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”教學(xué)過程中的現(xiàn)存問題，一方面需要整合學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)智能制造綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，采購先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信模塊（如圖1 所示），搭建智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的硬件以及物聯(lián)制造綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，滿足典型智能物聯(lián)制造應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)要求；另一方面需開發(fā)多課程教學(xué)模式的探索和改革，系統(tǒng)全面地提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、工程應(yīng)用能力。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信模塊

2.1 構(gòu)建課程教學(xué)新體系

智能物聯(lián)制造系統(tǒng)依托于應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，自下而上依次為感知層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，支撐技術(shù)包含RFID 射頻識(shí)別、智能傳感器、云端傳輸、移動(dòng)終端APP 等[8]。僅僅依靠單一課程“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”無法完全覆蓋各知識(shí)點(diǎn)和技能，需要綜合運(yùn)用這些知識(shí)，原因在于實(shí)際的智能制造執(zhí)行系統(tǒng)工程實(shí)踐問題具有復(fù)雜性，學(xué)生必須具備綜合分析和處理問題的能力，因此需確保“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”的綜合性和工程實(shí)踐性，才能真正培養(yǎng)出能解決復(fù)雜工程問題的復(fù)合型人才（見圖1）。

根據(jù)“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程性質(zhì)和課程培養(yǎng)目標(biāo)，建立課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分層次、分對(duì)象和階段及多元化的教學(xué)體系。體系覆蓋常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、前沿性研究等多方面內(nèi)容。

①分層次：按照“鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)、加強(qiáng)實(shí)踐操作技能”的教學(xué)要求和目標(biāo)，將課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，從低到高依次為常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、前沿性研究四個(gè)層次。

②分對(duì)象和階段：根據(jù)專業(yè)的不同需求，可將課程設(shè)置為必修和選修教學(xué)模式，結(jié)合課程學(xué)時(shí)分配，設(shè)置個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)，對(duì)于像智能制造工程這種實(shí)踐要求相對(duì)較高的專業(yè)，不僅開設(shè)基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)，還設(shè)置相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)和課內(nèi)專業(yè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)科研究前沿，開展前瞻性研究，讓學(xué)生在本科階段就能掌握新技術(shù)和新方法。

③多元化：除了開設(shè)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)教學(xué)以及相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)和課內(nèi)專業(yè)實(shí)驗(yàn)之外，教師盡可能鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室的課題研究，尤其是開發(fā)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等，讓學(xué)生全方位提升知識(shí)水平和技能。

2.2 創(chuàng)建課程培養(yǎng)新目標(biāo)

江蘇科技大學(xué)智能制造工程系在基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新研究教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制造領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行了全面的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能相結(jié)合的研究。緊緊圍繞智能物聯(lián)制造系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知、人工智能算法（智能決策方法、層次分析法、灰色理論、遺傳算法、博弈決策、深度學(xué)習(xí)以及分布式?jīng)Q策方法）、物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策的基礎(chǔ)框架、物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策的典型應(yīng)用等知識(shí)模塊，將船舶、航天、汽車等制造行業(yè)的應(yīng)用案例融入教學(xué)實(shí)踐中，將基礎(chǔ)理論課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)大綱相關(guān)聯(lián)，依托江蘇科技大學(xué)海洋船舶教學(xué)背景，“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程創(chuàng)建了課程培養(yǎng)新目標(biāo)。

①理解智能決策算法，包括層次分析法、灰色理論、遺傳算法、博弈決策、深度學(xué)習(xí)、分布式?jīng)Q策等算法；合理利用不同決策算法，解決實(shí)際工程問題中的決策問題。

②理解實(shí)際制造執(zhí)行系統(tǒng)中的主動(dòng)感知與動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策問題，建立合適的數(shù)學(xué)模型，并選取合適的算法解決實(shí)際工程問題，制訂決策和優(yōu)化方案。

③理解智能調(diào)度算法，包括以搬運(yùn)載體為核心的主動(dòng)配送模型、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能調(diào)度載體、智能調(diào)度方法在物料配送中的應(yīng)用等；針對(duì)不同工程問題的調(diào)度問題，制訂合理的調(diào)度方案并實(shí)施。

④掌握物聯(lián)制造系統(tǒng)智能控制體系的構(gòu)架，掌握智能物料精準(zhǔn)配送方法以及物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)自組織優(yōu)化配置方法，并能根據(jù)控制工作邏輯和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)某一具體物聯(lián)制造系統(tǒng)的控制體系，能夠用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的制造執(zhí)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置方法解決問題。

讓學(xué)生能將相關(guān)專業(yè)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法，用于智能產(chǎn)品及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、檢測與控制、運(yùn)維與管理的復(fù)雜工程問題的分析與綜合；能根據(jù)解決方案進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算與優(yōu)化；能夠完成系統(tǒng)或工藝流程設(shè)計(jì)，并體現(xiàn)出創(chuàng)新意識(shí)。

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域正面臨飛速的發(fā)展，傳統(tǒng)的智能制造實(shí)驗(yàn)室需要進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將不滿足需求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更新?lián)Q代，下面從四個(gè)層次（如圖2 所示）對(duì)江蘇科技大學(xué)智能制造工程系開設(shè)的“物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)。

圖2 課程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁倪M(jìn)措施

①基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：要求學(xué)生掌握人工智能算法（智能決策方法、層次分析法、灰色理論、遺傳算法、博弈決策、深度學(xué)習(xí)以及分布式?jīng)Q策方法）的方法步驟并能熟練應(yīng)用、熟悉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通信模塊，并能獨(dú)立完成制造裝備互聯(lián)。教師作為引導(dǎo)者，指出容易忽視的問題；學(xué)生作為實(shí)踐者，占主體地位。如此模式，學(xué)生在裝備互聯(lián)的基礎(chǔ)上，完成各項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以及采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理等工作。

②設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：主要用于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能的綜合能力，提升學(xué)生的邏輯思維能力和解決問題的能力?；谇捌诘幕A(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)生獨(dú)立或者小團(tuán)隊(duì)合作完成相對(duì)復(fù)雜的制造系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和物聯(lián)網(wǎng)模塊。仍然采用“教師引導(dǎo)，學(xué)生自主實(shí)踐”的教學(xué)模式，當(dāng)面臨設(shè)計(jì)障礙時(shí)，師生互相探討，教師幫助找出問題，學(xué)生獨(dú)立或者小團(tuán)隊(duì)合作尋找解決方案和途徑。

③研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)：學(xué)生需要具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)踐操作技能，以問題為導(dǎo)向，以研究課題為核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)制造技術(shù)當(dāng)前研究熱點(diǎn)，進(jìn)行探索和創(chuàng)新性研究。同時(shí)，教師給予“物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”相關(guān)課程創(chuàng)新課題支持，推薦優(yōu)秀學(xué)生申報(bào)省級(jí)以上創(chuàng)新課題。

④學(xué)科前沿性研究：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的更新?lián)Q代，物聯(lián)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備也需要與時(shí)代接軌，這也就需要區(qū)分出優(yōu)秀學(xué)生，讓其掌握最先進(jìn)的芯片、物聯(lián)網(wǎng)、器件以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方面的技術(shù)，緊跟國際前沿，鼓勵(lì)學(xué)生參加省級(jí)、國家級(jí)學(xué)科競賽。

3 “智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學(xué)開展

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學(xué)開展除了前期在課堂教學(xué)中引入新概念或新實(shí)例，通過難點(diǎn)和重點(diǎn)講解引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握和理解知識(shí)點(diǎn)。課程實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)理論知識(shí)的擴(kuò)展和延伸，同時(shí)支撐和輔助智能制造專業(yè)課程設(shè)計(jì)、各類學(xué)科競賽、專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)及專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，在課程教學(xué)開展中起著舉足輕重的作用。課程中，教師為引導(dǎo)者，學(xué)生為實(shí)踐主體，并通過個(gè)人和小團(tuán)隊(duì)的形式，以課題或者學(xué)科競賽來開展，具體來說主要分為以下三個(gè)階段：申請(qǐng)階段、實(shí)踐階段以及課題驗(yàn)收階段。

3.1 申請(qǐng)階段

申請(qǐng)階段，需要整合各類課題申報(bào)和學(xué)科競賽渠道，首先發(fā)布給學(xué)生，接著學(xué)生和教師雙向選題，選定學(xué)生后進(jìn)行分組并分工。指導(dǎo)教師需對(duì)項(xiàng)目的開展方式進(jìn)行講解，并對(duì)項(xiàng)目的具體內(nèi)容和要求做詳細(xì)解讀，分析各類課題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和學(xué)科競賽的特點(diǎn)和實(shí)踐方式、考核方式，幫助學(xué)生清晰并明確地了解各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

指導(dǎo)教師作為引導(dǎo)者，需結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況和特長，按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)成員之間相對(duì)平衡的原則，進(jìn)行合理的分組，讓學(xué)生明確自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并分階段按時(shí)完成，同時(shí)也可保證學(xué)生之間形成良好的競爭機(jī)制，讓課程和學(xué)科競賽高質(zhì)量完成。

3.2 實(shí)踐階段

實(shí)施階段直接決定實(shí)驗(yàn)課題和各類學(xué)科競賽的最終效果，屬于實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)。指導(dǎo)教師需要給予學(xué)生準(zhǔn)確且積極的引導(dǎo)，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，保證學(xué)生能按時(shí)按質(zhì)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)。指導(dǎo)教師應(yīng)該在總體方案設(shè)計(jì)、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試以及功能測試等方面進(jìn)行指導(dǎo)，積極解答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的難點(diǎn)，順利推進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的整體教學(xué)，保證學(xué)生在此過程中得到真正的成長。

3.3 課題驗(yàn)收階段

實(shí)驗(yàn)課題完成后的驗(yàn)收和評(píng)估是實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中必不可少的一環(huán)，包括課題項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告和技術(shù)報(bào)告的提交、項(xiàng)目答辯、項(xiàng)目完成情況評(píng)估以及最終的資料歸檔等工作。項(xiàng)目答辯作為課程驗(yàn)收階段最重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系著整個(gè)課題項(xiàng)目的質(zhì)量評(píng)估。指導(dǎo)教師可通過項(xiàng)目答辯，知悉學(xué)生的綜合能力和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目完成情況，并給出改進(jìn)建議和優(yōu)化方向，提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力以及創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)指導(dǎo)教師還對(duì)團(tuán)隊(duì)成員之間的貢獻(xiàn)度以及積極程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并最終給出實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)考核成績。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了智能制造工程專業(yè)新開課程“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”教學(xué)中存在的理論與實(shí)踐適配度不高、流程圖邏輯不明晰、晦澀難懂、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，結(jié)合教學(xué)現(xiàn)狀，從構(gòu)建課程教學(xué)新體系、創(chuàng)建課程培養(yǎng)新目標(biāo)以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式三個(gè)方面進(jìn)行了課程教學(xué)模式探索，探索內(nèi)容可支撐各大院校智能制造新專業(yè)“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”新課程的開設(shè)。