基于智能云的智能制造類(lèi)課程建設(shè)研究
——以機(jī)械制造裝備與系統(tǒng)集成技術(shù)課程為例

孫小肖，李鋼，王鐘樂(lè)

（1.南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211167；2.南京工業(yè)大學(xué) 海外教育學(xué)院，江蘇南京 211816）

機(jī)械制造裝備與系統(tǒng)集成技術(shù)是南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院為機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)智能制造方向大三本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)新課程，該課程是在新工科背景下為培養(yǎng)工程教育認(rèn)證目標(biāo)人才而設(shè)定，是在傳統(tǒng)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)上，引入適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的智能云平臺(tái)新技術(shù)，在圍繞數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、物流上下料裝置等現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)裝備傳授基礎(chǔ)性知識(shí)的同時(shí)，更注重其組成的自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)、數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理等新技術(shù)的設(shè)計(jì)理論和方法。

1 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程內(nèi)容主要包括四種類(lèi)型的裝備設(shè)計(jì)[1]：（1）加工類(lèi)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)；（2）工藝類(lèi)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)；（3）物料儲(chǔ)運(yùn)類(lèi)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)；（4）輔助類(lèi)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)。在具體的教學(xué)過(guò)程中，因?yàn)閷?shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，導(dǎo)致部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中難以對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)做到充分理解。造成該現(xiàn)象的原因是多方面的，主要有教學(xué)模式單一、考核方法單一、實(shí)踐訓(xùn)練不足以及資源有限等，這將對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及其能力培養(yǎng)造成不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致該課程的教學(xué)質(zhì)量難以提升[2]。

2 機(jī)械制造類(lèi)課程教學(xué)研究現(xiàn)狀

關(guān)于機(jī)械制造類(lèi)課程建設(shè)研究，陳一馨等認(rèn)為機(jī)械類(lèi)課程可采用課堂教學(xué)模式與慕課教學(xué)模式相結(jié)合的混合式教學(xué)方法[3]。王國(guó)平等認(rèn)為傳統(tǒng)工科之間要交叉復(fù)合，從而培養(yǎng)與地方企業(yè)零距離對(duì)接的應(yīng)用型工程科技創(chuàng)新人才[4]。周松等提出以課程為載體，把產(chǎn)業(yè)理念、產(chǎn)業(yè)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)文化和產(chǎn)業(yè)力量融入課程建設(shè)，服務(wù)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)[5]。宋鹍等針對(duì)機(jī)械類(lèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，提出了一種基于果蠅優(yōu)化算法的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型，提供了科學(xué)、量化的評(píng)估方法[6]。李小文等主張應(yīng)用型本科課程要進(jìn)行內(nèi)容重組，著力體現(xiàn)應(yīng)用[7]。翁偉斌認(rèn)為應(yīng)用型本科高校課程內(nèi)容需要根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)的基本要求進(jìn)行重構(gòu)[8]。在教學(xué)模式方面，基于SPOC 混合教學(xué)、基于STEAM 教育理念以及課程思政等被引入教學(xué)中[9-11]。在教學(xué)手段和方法方面，沈忠良認(rèn)為教師應(yīng)采取生態(tài)課堂的教學(xué)模式，構(gòu)建生動(dòng)有趣的課堂環(huán)境[12]。在評(píng)價(jià)主體、考核方式和評(píng)價(jià)方法上，基于線上線下混合式教學(xué)模式對(duì)應(yīng)的多元化、過(guò)程化考核方式以及基于OBE 的課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)方法已廣泛應(yīng)用到教學(xué)評(píng)價(jià)中[13-14]。

3 智能制造類(lèi)課程建設(shè)方案設(shè)計(jì)

本文提出采用人工智能與云計(jì)算相結(jié)合的智能云進(jìn)行智能制造類(lèi)課程建設(shè)方案的設(shè)計(jì)，如圖1 所示，數(shù)據(jù)采集是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端進(jìn)行采集，并通過(guò)5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茉破脚_(tái)；設(shè)備連接是將加工設(shè)備、搬運(yùn)移動(dòng)等設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線匯集到MES系統(tǒng)，再與智能云平臺(tái)其他模塊通過(guò)總線交互。分布式系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)是將智能云平臺(tái)資源虛擬化，方便師生通過(guò)終端調(diào)用資源。云上課程教學(xué)、云上課程管理、云上評(píng)價(jià)方式等資源模塊則是具體課程在云平臺(tái)上對(duì)應(yīng)的建設(shè)資源，不同權(quán)限的人員分別可以對(duì)這些資源進(jìn)行添加、刪除、查看等操作。

圖1 基于智能云的智能制造類(lèi)課程建設(shè)方案

3.1 資源融合優(yōu)勢(shì)

通過(guò)智能云平臺(tái)，將教學(xué)資源、教師、學(xué)生、制造裝備、傳感器、數(shù)據(jù)等資源融合，充分利用大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，將傳統(tǒng)機(jī)械裝備制造課程移到云系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源—學(xué)生—教師—學(xué)校充分互聯(lián)互通，教師可以充分利用虛擬裝備進(jìn)行云備課；學(xué)生不受空間、時(shí)間限制，在云平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)、練習(xí)、完成作業(yè)等，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，增加學(xué)生對(duì)制造裝備的理解；學(xué)校可以通過(guò)智能云平臺(tái)監(jiān)督教師備課、課堂教學(xué)、教學(xué)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)的達(dá)成情況。

3.2 教與學(xué)優(yōu)勢(shì)

教師在課程內(nèi)容準(zhǔn)備的過(guò)程中，可充分利用虛擬制造裝備、虛擬控制器、虛擬機(jī)器人等仿真工具進(jìn)行編程，對(duì)虛擬資源進(jìn)行調(diào)度，通過(guò)可視化平臺(tái)直觀展示備課后的課程資源。學(xué)生通過(guò)智能云平臺(tái)的課程資源，進(jìn)行多次學(xué)習(xí)，并且可以利用平臺(tái)上的虛擬裝備模仿教師的課程資源，搭建自己的機(jī)械制造裝備系統(tǒng)，增加學(xué)習(xí)的趣味性。同時(shí)云平臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生在云平臺(tái)上的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)習(xí)內(nèi)容等，并且進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反饋給教師和學(xué)校，方便教師、學(xué)校動(dòng)態(tài)管理。

3.3 持續(xù)改進(jìn)優(yōu)勢(shì)

利用智能云平臺(tái)進(jìn)行課程建設(shè)，充分調(diào)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、MES 系統(tǒng)、自動(dòng)化、裝備模型庫(kù)等資源，重新定義云上的教學(xué)內(nèi)容、課程實(shí)施方式、教學(xué)管理模式、課程評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源—學(xué)生—教師—學(xué)校之間互聯(lián)互通。利用邊緣計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)將線下資源轉(zhuǎn)移到線上，利用聚類(lèi)、統(tǒng)計(jì)與深度學(xué)習(xí)等智能算法對(duì)教師行為、學(xué)生行為進(jìn)行關(guān)鍵特征提取，從而建立合理的教學(xué)評(píng)價(jià)模型，為課程的建設(shè)、豐富和發(fā)展提供規(guī)范。

4 機(jī)械制造裝備與系統(tǒng)集成技術(shù)課程建設(shè)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1 總體思路

如圖2 所示，從云上課程內(nèi)容建設(shè)、云上課程管理建設(shè)和云上評(píng)價(jià)體系建設(shè)三個(gè)方面進(jìn)行課程建設(shè)，基于“云平臺(tái)+模塊+案例”的課程體系框架構(gòu)建云上課程內(nèi)容，通過(guò)“模塊+權(quán)限”設(shè)計(jì)架構(gòu)，搭建云上課程管理系統(tǒng)，通過(guò)人工智能算法和“教與學(xué)”數(shù)據(jù)構(gòu)建課程評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型，最后形成基于智能云的課程建設(shè)方案。

圖2 課程建設(shè)總體思路

4.2 課程建設(shè)方案設(shè)計(jì)

4.2.1 云上課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

調(diào)整優(yōu)化原有的機(jī)械制造裝備課程內(nèi)容，并改革創(chuàng)新教學(xué)方法和教學(xué)方式，制定課程教學(xué)大綱，編寫(xiě)課程講義，制作課程PPT，編寫(xiě)實(shí)踐案例手冊(cè)，設(shè)計(jì)工程實(shí)訓(xùn)案例，將課程資源集成到云平臺(tái)上，搭建機(jī)械制造裝備與系統(tǒng)集成技術(shù)云上教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床、機(jī)器人、物流車(chē)、PLC 等制造裝備與控制系統(tǒng)互聯(lián)互通。

4.2.2 云上課程管理模式設(shè)計(jì)

對(duì)云上教學(xué)資源、學(xué)生信息、教師信息進(jìn)行統(tǒng)一建模與描述，實(shí)現(xiàn)教師對(duì)課程內(nèi)容的管理、教師對(duì)學(xué)生的管理以及學(xué)校對(duì)教師的管理。通過(guò)“模塊+權(quán)限”設(shè)計(jì)架構(gòu)，搭建教師終端控制模塊、學(xué)生終端控制模塊和學(xué)校課程管理人員控制模塊，實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)對(duì)不同資源的增刪改查操作。

4.2.3 云上課程評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)

通過(guò)人工智能算法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、教師備課數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取評(píng)價(jià)體系主要模型特征，構(gòu)建課程評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型，對(duì)教師教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行自動(dòng)智能評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果反饋機(jī)制優(yōu)化課程內(nèi)容以及評(píng)價(jià)模型，從而構(gòu)建全面、公正、合理的評(píng)價(jià)體系。

4.3 課程建設(shè)方案實(shí)施

4.3.1 云上課程內(nèi)容實(shí)施

課程內(nèi)容方面，確定課程內(nèi)容包含數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、物流上下料裝置、典型自動(dòng)化元件和自動(dòng)化過(guò)程（含不同設(shè)備通信技術(shù)）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法；按照教學(xué)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)案例，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)模塊化、案例化的云平臺(tái)教學(xué)內(nèi)容。

4.3.2 云上課程管理模式實(shí)施

課程管理模式方面，在云平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)系數(shù)據(jù)模型，建立不同權(quán)限數(shù)據(jù)模塊，分別設(shè)置教師、學(xué)生、學(xué)校管理者等不同角色，各角色賦予不同權(quán)限，學(xué)校管理角色可以導(dǎo)入學(xué)生信息并為每名學(xué)生分配一定數(shù)據(jù)空間，教師角色可以設(shè)定課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、仿真實(shí)驗(yàn)并設(shè)定系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生角色可以查看教學(xué)資源、課件、教案，進(jìn)行答題、提問(wèn)等，從而實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生自動(dòng)統(tǒng)一管理。

4.3.3 云上課程評(píng)價(jià)體系實(shí)施

課程評(píng)價(jià)體系方面，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的客觀評(píng)價(jià)方法，通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、教師備課數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)的客觀課程評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型，隨著教師、學(xué)生的不斷參與，模型參數(shù)不斷迭代優(yōu)化，達(dá)到教與學(xué)效果的不斷提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了智能制造類(lèi)課程機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，討論了機(jī)械制造類(lèi)課程教學(xué)研究現(xiàn)狀及不足，提出采用人工智能與云計(jì)算相結(jié)合的智能云進(jìn)行智能制造類(lèi)課程資源建設(shè)的思路。以機(jī)械制造裝備與系統(tǒng)集成技術(shù)課程為例，詳細(xì)介紹課程方案設(shè)計(jì)與實(shí)施。本文研究成果可以為智能制造類(lèi)課程建設(shè)提供新思路，推動(dòng)平臺(tái)化、智能化的云課程資源建設(shè)。