工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系探索

王印軍 杜彥斌 李健 朱琪 陳鵬

摘?要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、以提高工業(yè)制造效率為目的的一門學(xué)科，涉及多知識點的交叉融合，也是智能制造專業(yè)的核心課程。針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中存在的典型共性問題與不足，本研究以新工科建設(shè)背景下對培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才的要求，開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系探索研究，提出了提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)效果的舉措和方法，包括構(gòu)建優(yōu)化培養(yǎng)方案、建立聯(lián)合實驗平臺、加強學(xué)科競賽、培養(yǎng)專業(yè)教師隊伍、改善教學(xué)評價體系等。通過教學(xué)改革提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)效果，提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；智能制造；實踐教學(xué)；教學(xué)改革

一、概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以工業(yè)為主體、以網(wǎng)絡(luò)信息交流為手段，其本質(zhì)是協(xié)調(diào)生產(chǎn)和經(jīng)營各環(huán)節(jié)的同步，實現(xiàn)工業(yè)的數(shù)字化、智能化和自動化，其目的是提高企業(yè)的效率和生產(chǎn)速度，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升客戶體驗［1］。此外，通過實時的數(shù)據(jù)和信息交換，企業(yè)可以更好地了解市場和客戶需求，以便及時調(diào)整產(chǎn)品和服務(wù)，增強企業(yè)的競爭力［2］。當(dāng)前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有智能制造、個性定制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、數(shù)字化管理等模式，給工業(yè)和產(chǎn)品賦能和賦值，有力地促進了工業(yè)的降本增效的快速智能發(fā)展［3］。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是在計算機等技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，將嵌入式開發(fā)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、信息通信、智能制造、傳感測量等技術(shù)結(jié)合，運用大數(shù)據(jù)分析與智能管理，實現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及制造業(yè)、物流、能源、軍事等多個領(lǐng)域，智能工廠或智能產(chǎn)線是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個具體應(yīng)用案例［4］。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及和應(yīng)用給整個產(chǎn)業(yè)鏈帶來了巨大的變化和機遇，隨著數(shù)字化、智能化、信息化技術(shù)的不斷推進和使用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的業(yè)務(wù)模式，將成為產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型的重要推動力量，并對經(jīng)濟社會產(chǎn)生深刻的影響［5］。

二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程特點

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的一種體現(xiàn)形式，其特點除了包含物聯(lián)網(wǎng)的特征外還具有工業(yè)的特點［6］，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，其作用是采集設(shè)備和產(chǎn)品狀態(tài)的關(guān)鍵信息［7］。感知層包括傳感器和短距離通信技術(shù)，傳感器采集的物理量包括溫度、振動、位置、視頻、聲音等。短距離通信主要用于傳感器到采集終端的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層是連接感知層和應(yīng)用層的紐帶，它的作用是將傳感器采集的信息傳輸?shù)綉?yīng)用層和將應(yīng)用層下發(fā)的命令傳輸?shù)皆O(shè)備或執(zhí)行機構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層主要由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議組成，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將傳感器或信號采集終端的信息傳輸?shù)囊环N遠距離通信技術(shù)，主要包含LoRa、5G、以太網(wǎng)等通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由HTTP、MQTT、CoAp等技術(shù)組成，目前MQTT是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要的通信協(xié)議。應(yīng)用層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用戶和程序的接口層，具有處理信息和做出科學(xué)決策的功能，主要處理應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)層的信息交換和命令下發(fā)，以及關(guān)鍵信息的可視化管理等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及課程有“網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)”“嵌入式開發(fā)與應(yīng)用”“傳感器與檢測技術(shù)”“無線傳感技術(shù)”“射頻識別技術(shù)原理與應(yīng)用”“現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)”“機器學(xué)習(xí)”等。智能制造專業(yè)課程體系很難兼顧機械制造專業(yè)課和全面的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課，所以支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)學(xué)科的課時相對較少，可見智能制造專業(yè)中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程體系設(shè)計難度之大，這就需要對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系進行合理的規(guī)劃與創(chuàng)新性的探索。

三、教學(xué)體系現(xiàn)狀與不足

高校作為培養(yǎng)高層次人才的主戰(zhàn)場，應(yīng)有針對性地建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系，有針對性地培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)制造為基礎(chǔ)，以提高工業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的學(xué)科。通過教學(xué)與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式，增強學(xué)生對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的整體認識，提升學(xué)生專業(yè)技術(shù)［8］。目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系的現(xiàn)狀與不足如下：

（一）傳授知識形式單一

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)除了需要多門專業(yè)課作為支撐，還要結(jié)合各工業(yè)生產(chǎn)銷售特點實現(xiàn)智能控制。目前，針對智能制造專業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程，教師主要通過PPT講解對學(xué)生進行知識傳授。雖然教師能通過多媒體教學(xué)對知識點進行羅列和講解，但是由于智能制造專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)知識的薄弱和缺少實踐經(jīng)驗，很難深入理解各知識點的精髓。單單講解教材知識點會讓學(xué)生產(chǎn)生抵觸心理，實訓(xùn)環(huán)節(jié)可以提升學(xué)生興趣，但目前實訓(xùn)環(huán)節(jié)又安排在理論課之后。長時間枯燥知識點的灌輸會讓學(xué)生失去耐心和興趣，降低了學(xué)習(xí)效果。

（二）師資力量薄弱

由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及了多門專業(yè)學(xué)科，機械學(xué)院精通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全部學(xué)科的教師不多，加上隨著時代的進步，許多新技術(shù)相繼出現(xiàn)，單獨機械學(xué)院教師很難應(yīng)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量教學(xué)的要求。教師需要具有較廣的知識面、豐富的實踐經(jīng)驗，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工程有一個全面的知識系統(tǒng)框架。教師與校外交流等方面比較少，沒能進行多方位學(xué)習(xí)，缺少借鑒教學(xué)經(jīng)驗。缺少專業(yè)教師和教師本身知識面不夠，導(dǎo)致師資力量薄弱，削弱工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)成效。

（三）實驗設(shè)備不完善

實訓(xùn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐和動手能力，快速幫助學(xué)生生動理解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)知識點的有效手段。目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備是利用物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺，主要應(yīng)用領(lǐng)域是交通、農(nóng)業(yè)和家居生活，其監(jiān)測目標(biāo)、信號傳輸方式和知識側(cè)重點與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有很大的區(qū)別，遠遠不足以滿足課程的要求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)設(shè)備應(yīng)該立足于工業(yè)，信息聯(lián)通和控制只起到輔助作用，應(yīng)建立以工業(yè)為主的物聯(lián)網(wǎng)，包括幾個典型的幾個工業(yè)應(yīng)用案例。

（四）缺少深入實踐

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中，只傳統(tǒng)講授知識點和開展幾次實驗不足以讓學(xué)生深刻理解和靈活運用知識點。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐案例大多以物聯(lián)網(wǎng)為主，很少涉及工業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)經(jīng)營。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對象更側(cè)重于農(nóng)業(yè)、交通以及家居生活，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用目標(biāo)應(yīng)該是工廠、企業(yè)等工業(yè)性質(zhì)的服務(wù)對象。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐可能只有短短的幾個課時，學(xué)生很難深入地完成課程實踐。由于基礎(chǔ)知識不扎實和實踐操作機會少，降低了學(xué)生參加課程相關(guān)競賽和創(chuàng)新項目的積極性。

四、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程教改措施

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是多知識交叉融合的復(fù)合學(xué)科，根據(jù)學(xué)科特點和智能制造專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，針對傳統(tǒng)教學(xué)體系存在的不足，從優(yōu)化培養(yǎng)方案、建立交叉融合的教研平臺、加強多學(xué)科交叉融合學(xué)科競賽、培養(yǎng)專業(yè)教師隊伍和教學(xué)評價體系等五方面進行探索。

（一）優(yōu)化培養(yǎng)方案

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程需要多門專業(yè)學(xué)科支撐，例如機械制造基礎(chǔ)技術(shù)、嵌入式開發(fā)、傳感器與檢測技術(shù)、總線技術(shù)以及控制理論等。根據(jù)教育部提出的“以學(xué)生為本，知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念和以能力培養(yǎng)為核心的實驗教學(xué)觀念”為指導(dǎo)［9］，以提升學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力、自學(xué)能力為目標(biāo)，優(yōu)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程體系，制訂多層次的智能制造專業(yè)培養(yǎng)方案。以理論教學(xué)和綜合實踐教學(xué)為手段，為國家和社會培養(yǎng)具有扎實基礎(chǔ)知識、較強實踐能力、能分析和解決工程問題的合格優(yōu)秀人才。通過調(diào)研企業(yè)和市場需求，合理規(guī)劃工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)課程，制定項目實戰(zhàn)和理論教學(xué)的混合培養(yǎng)模式。引入智能制造專業(yè)職業(yè)規(guī)劃課程，結(jié)合理論授課內(nèi)容，定期開展職業(yè)素養(yǎng)與就業(yè)指導(dǎo)課程。制定跨學(xué)院、跨專業(yè)的合作交流制度，提高學(xué)生交叉學(xué)科知識的認識與實踐。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)實驗室，引入多種工業(yè)互聯(lián)案例，開設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計實習(xí)，建立多學(xué)科交叉融合的實驗教學(xué)平臺。

（二）建立實踐實驗室

目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實驗室基于物聯(lián)網(wǎng)實驗室為基礎(chǔ)，缺少工業(yè)應(yīng)用案例。智能制造專業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實驗室的硬件配置應(yīng)以加工制造為核心，設(shè)計以工業(yè)制造、銷售的貼近企業(yè)需求的實踐項目，例如智能工廠、智能產(chǎn)線和智能銷售的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐案例。實踐設(shè)施和硬件能根據(jù)不同的設(shè)計需求自由組合和搭配，滿足選手自主創(chuàng)新的需求，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)興趣。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)由基礎(chǔ)教學(xué)、應(yīng)用實驗、創(chuàng)意創(chuàng)新三個方面構(gòu)成，基礎(chǔ)技術(shù)和行業(yè)應(yīng)用協(xié)調(diào)支撐這三個方面，貫穿工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整個學(xué)習(xí)過程。實踐教學(xué)設(shè)置不同難點等級的實驗項目，遵守從簡到難的學(xué)習(xí)習(xí)慣。根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和國家人才需求情況，定期更新實驗室設(shè)備和實踐項目，保障傳授知識的時效性。根據(jù)學(xué)生興趣和能力制定不同的考核指標(biāo)與要求，因材施教發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新潛力。結(jié)合教師研究方向和時下競賽要求設(shè)置創(chuàng)新性的實驗項目或課題，開拓學(xué)生實踐創(chuàng)新視野。

（三）加強學(xué)科競賽

通過推進學(xué)科競賽工作體制機制改革，形成學(xué)校統(tǒng)籌指導(dǎo)、學(xué)院主責(zé)推進、基地主體實施、師生踴躍參與，導(dǎo)向明確、激勵有效、推進有序、獎懲有度、成績突出的學(xué)科競賽工作體系，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為學(xué)科和專業(yè)建設(shè)提供有力支持。針對學(xué)科技術(shù)快速發(fā)展和學(xué)科競賽的日趨激烈，建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)競賽專用實訓(xùn)實驗室，并提供競賽級設(shè)備和儀器，增加與競賽相關(guān)的實踐項目，開展學(xué)科前沿調(diào)研與實驗。根據(jù)競賽性質(zhì)和級別制定不同等級的競賽獎勵制度，鼓勵學(xué)生參加學(xué)科競賽，實現(xiàn)以賽促學(xué)的目的。聘用或設(shè)置專職競賽的輔導(dǎo)教師，為參賽學(xué)生在知識和技術(shù)上提供有力的支持和指導(dǎo)。鼓勵跨學(xué)院競賽團隊組合，通過多學(xué)科融合人才組合提高團隊競賽實力。根據(jù)理念競賽的題目設(shè)置實踐操作項目，將競賽融入日常訓(xùn)練中，提高學(xué)生競賽技術(shù)與操作技巧。

（四）培養(yǎng)專業(yè)師資隊伍

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是跨專業(yè)的、多學(xué)科交叉融合的一門新興學(xué)科，涉及物聯(lián)網(wǎng)、機械制造、商業(yè)管理等專業(yè)。傳統(tǒng)的教師隊伍難以完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)要求和人才培養(yǎng)目標(biāo)。通過跨專業(yè)、跨學(xué)院和人才引進等方式打造一批復(fù)合型、創(chuàng)新性的教師隊伍。一是對教學(xué)進行相關(guān)學(xué)科要求，對教師進行計劃，有目的地進行培訓(xùn)，逐步提升教師的專業(yè)性；二是通過引進物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師，建設(shè)多學(xué)科交叉的綜合教師隊伍；三是加強不同學(xué)院教師的溝通交流，取長補短，拓寬教師知識面、提升教學(xué)能力和可持續(xù)創(chuàng)新力；四是設(shè)置教師競賽上崗機制，鼓勵教師投入更多時間和精力投入教學(xué)研究和教學(xué)活動。

（五）改善教學(xué)評價體系

通過成績評價、實踐評價、個人綜合評價等建立多元評價體系。建立及時反饋機制的教育評價體系，及時提示教師和學(xué)生在學(xué)習(xí)和教學(xué)中的不足，及時提高教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)人才培養(yǎng)方案考察工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程的評價體系，提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計和競賽在教學(xué)評價體系中的占比，增加科研成果和課堂評價環(huán)節(jié)。通過理論考試和實踐操作的綜合考核方式優(yōu)化教學(xué)評價體系，通過分階段考查學(xué)生專業(yè)知識掌握度和綜合應(yīng)用能力檢驗教學(xué)質(zhì)量。制定師生雙向教學(xué)評價體系，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況分層次分等級對學(xué)生評價和問卷進行統(tǒng)計，分析課程教學(xué)手段與方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和積極性。

結(jié)語

在新工科建設(shè)背景下，根據(jù)培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才的要求，開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系探索研究。針對工業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系中存在傳授知識形式單一、師資力量薄弱、實驗設(shè)備不完善等不足，提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)改革措施和方法，構(gòu)建多層次的教學(xué)體系和內(nèi)容、融入學(xué)科工程問題的課程設(shè)計、建立聯(lián)合實驗平臺、加強學(xué)科競賽、學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)驅(qū)動的課外創(chuàng)新實踐活動等。通過教學(xué)改革提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)效果，提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才提供有力支撐。

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基金項目：重慶工商大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究項目（2023036，2022144）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（220901329191512）；重慶市研究生教育教學(xué)改革研究重點項目（yjg212029）；重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目（223223）

*通訊作者：王印軍（1986—?），男，漢族，山東濟寧人，博士，重慶工商大學(xué)機械工程學(xué)院講師，主要從事智能制造課程建設(shè)與人才培養(yǎng)。