智能制造背景下信息化學習環境建設研究

范崇源 顏浦鈺 張哲

[摘 要] 在德國工業4.0和美國工業互聯網的背景下，“中國制造2025”戰略于2015年上半年提出，以強化我國工業基礎能力推進我國整體制造水平，加快從“制造大國”向“智造強國”的步伐。在“中國制造2025”的國家戰略中，機電類專業的高級技工人才面臨很大的缺口，制造型企業需要的是高素質、高技能的綜合型人才，因此對高校機電類專業畢業生要求越來越高。在此背景下，伴隨著信息時代大數據的飛速發展和變化，教育體系的模式逐漸朝著多元化的方向發展。如何在智能制造的背景下，結合信息化教學輔助工具使高校機電專業實訓車間的教育教學能夠充分展現出創新能力和實踐能力，是如今高校機電類教育工作者的關注的重點。圍繞在智能制造背景下信息化學習環境的建設研究，對高校機電類專業教學管理創新與實踐展開詳細的探究，為今后專業人士進行相關研究提供參考。

[關 鍵 詞] 高校機電類專業；智能制造；信息化；大數據

[中圖分類號] G717 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）30-0234-03

一、引言

在智能制造背景下，為了適應企業對人才培養的需求，中職院校專業技能人才的培養要求越來越高。高校機電類專業教育和教學管理體制，更需要不斷改革與完善，以滿足社會不斷進步對高級技工人才培養的需求。但是我國教育體制有著自己的特點，主要是過于注重學生的理論知識灌輸，理論和實訓的結合培養能力還有所欠缺。即使有的特色專業已經有相關實訓場地，但是實訓并沒有跟企業的實際場景有所關聯，而且實訓過程的管理也比較教條，無法讓學生和教師真正地參與到實訓過程中。針對如上人才培養目標，高校需要針對性地提出系統和科學的整改措施以提高教師的教學水平，提高學生的綜合素質，這些手段可以通過信息化來規劃教學流程，可以保證高校實訓車間管理水平走上信息化管理的科學發展之路。

二、機電類專業在實訓過程中存在的問題

（一）學生課堂學習效率不高

在我國，雖然每年都會產生一定數量的畢業生，但是畢業生在創新能力、工作技能、實踐能力上與國際水平還存在明顯差距。高素質人才的缺失使我國制造業的生產技能落后，生產質量不達標，生產過程中問題不斷，難以與國際水平接軌。根據多年的教學工作總結和提煉，發現大多數高校的機電專業學生在實訓過程中都存在著一些共性問題，比如在實訓課之前課堂操作任務都是教師在開課前通過表格或者紙質文檔分配的。學生實際操作過程只有紙質的工藝指導，易丟失及損壞且不利于查找，學生實際操作過程的數據無反饋，不知道加工過程中機床產生的生產數據，當出現次品時對加工過程無有效追溯。無法對機床的狀態實時了解，無法有效地判斷機床的報警狀態，出現異常報警的時候主要是靠自己尋找教師或者靠電話尋找教師，導致效率低下且產生一定的教學成本。

（二）教師教學效果不好

由此看來，培養出高素質、高水平的高級技工人才的任務已經迫在眉睫。這就要求我國高校在教學過程中將教學目標落實到學生實訓過程中，使學生在實訓過程中可以充分地領會每個知識點。在實踐為主的高校教學專業中，在高校機電專業的教學中，由于信息化的缺失，造成只有教師課中巡檢的時候才能了解不同學生的學習情況，導致信息閉塞，教師無法根據實時教學情況動態調整教學計劃；目前給學生提供的工藝指導文件主要還是紙質文件，容易丟失損壞，且查詢使用起來效率較低；課堂的教學計劃和機床的分配主要是教師在班級口述，學生容易遺忘且計劃很難有效追溯；學生之間溝通交流比較少，無法有效地促進其溝通交流互動。如上所述在教學過程一些管理的缺失就導致教師在教學過程的效果沒有達到預期效果。

（三）教育教學過程改革缺乏數據基礎

目前的機電專業教學模式較為傳統，主要還是重結果不重過程，缺乏有效的監管手段，校方領導對教學質量無有效統計分析的依據，主要還靠學期中和學期末的成績單，出現教學質量問題無法及時有效地做出調整。校方領導的一些量化指標成為教師主要關心的方向，而不是把精力放在教學質量上面，導致教學質量下降；校方領導缺乏有效的統計分析數據對教師進行考評。學校不能給學生和教師提供信息化的教學工具和手段，對實訓過程信息化的建設缺乏一定的理解。這些問題都是我國機電專業教育面臨的現實。我們要通過教學“過程”信息化，聯系實際的實訓教學解決實訓過程教學信息化監管缺失的問題，將原本的教學方法通過信息化作出改進，結合信息化建設出基于教學過程管理的信息化平臺。

三、基礎理論的研究

（一）生產數據及設備狀態信息采集分析管理系統（Manufacturing Data Collection & Status Management）定義

主要用于采集數控機床和其他生產設備的工作和運行狀態數據，通過數據實現對設備的監控，并對采集的數據進行分析處理。MDC通過與機床數控系統、PLC系統以及機床電控部分的智能化集成，實現對機床實時數據的自動采集，有效地保障了數據的實時性和準確性。在數據分析方面，MDC提供專業化的分析和處理，個性化的數據處理和豐富的圖形報表展示，對機床和生產相關的關鍵數據進行統計和分析，如開機率、主軸轉速、主軸負載、故障分析、設備綜合利用率（OEE）、設備生產率、零部件合格率、質量百分比等。精確的數據及時傳遞并分散到相關流程部門處理，實時引導、響應和報告車間的生產動態，極大地提升了解決問題的能力，推進了企業車間智能制造的進程。

（二）MDC設計原理

目前實訓車間大多數機床屬于Fanuc、Siemens、Mazak、Dmg等主流的品牌型號，這些機床大多數通過串口或者網口來進行通訊。因此采集軟件架構設計通過輪詢模式，串口和網絡通信時都使用這種控制模式。內部將機床等設備都虛擬成IDevice設備驅動。當有多個設備連接到通訊平臺時，通訊平臺會輪詢調度設備進行通訊任務。在某一時刻只能有一個設備發送請求命令，等待接收返回數據，這個設備完成發送、接收（如果遇到超時情況，則自動返回）后，下一個設備才進行通訊任務，依次輪詢設備。每個設備的通訊都遵循輪詢排隊的原則。

（三）數據監控流程設計

通過上面章節中運行機制的設計，將實時采集到的數據通知到數據展示模塊，內部通過IService接口用于實時數據拉取，采集軟件內部再實現一個服務器用于接收顯示客戶端的連接，將數據進行實時的傳輸。當讀取設備數據發生變化則通知數據庫處理程序進行數據入庫。

四、智能制造背景下信息化環境建設策略

本課題致力于為機電類專業建立一套基于教學過程大數據的教學管理平臺。該系統以數據采集為基礎，立足于實訓過程管理，構建跟日常教學業務相關聯的課堂教學信息化管理新模式。通過以下策略基于信息化對高校機電專業的教學作出改革：

（一）提高師資水平，建設一流的教師隊伍

在日常的教育教學工作中，只有教師的教學水平得到提升，才能更好地給學生的學習提供更多、更有效的幫助與指導。由此教師通過基于大數據的教學過程管理平臺輔助教學。同時，學校自己也選派出部分教師到一些知名企業加強學習，向企業中有多年工作經驗的工作人員學習更多經驗，更多知識。學習更多，儲備更多，把學習過來的經驗、知識理論更新到學校教學系統。實訓教師教學成果大多來源于現場教學數據的收集。因此在構建基于教學過程大數據管理平臺的課堂教學模式下，根據校方的實際教學目標，要做到實訓過程機床產生的數據可采，機床設備實時狀態可視化，實際教學情況可視化，也是本課題的目標訴求之一。對教課過程認真負責，教研成果顯著，教學水平高的教師要給予獎勵。同樣，水平欠佳，不盡職盡責的教師，校方也要做出相應的處理措施，這些獎懲措施都需要通過信息進行統計分析實現績效考核。

（二）構建互幫、互助、互學的創新式實踐教學

我國的經濟發展需要高職類院校不斷輸送高級專業技工型人才。現代社會中技術的更新日新月異。這對高校也提出了很高的要求，高校只有根據社會的發展合理地調整自己的教學風格和手段，才能更好地適應社會的發展。高校需要改變原有觀念，改變傳統死板的“填鴨式”的教學方式，讓學生能夠盡早熟悉生產制造型企業的業務場景和工作環境，這樣不僅可以有效地培養學生的實際動手能力，也能夠培養教師的綜合職業能力和職業素養。理論知識與實訓教育一樣重要。通過信息化手段可以給予學生更多自主學習的空間和機會，充分發揮學生個體的主觀能動性，引導學生主動參與到教學過程中，主動汲取知識，而不是被動接受。教師在教育教學過程中，適當地給予引導與幫助。提出教學方案和課題時，要根據學生的實際情況合理安排，并且要注意培養學生的實踐能力，對課本中落后的內容、死板的教學方式等方面作出改進。在教學中，多使用信息化模型，通過信息系統輔助有效地提升師生互動效果，提升學生和現場設備的互動。也可以利用多媒體等技術，盡可能地使知識變得立體，讓學生在操作中認識細節，學會操作，全方位地實現教學質量的提升。

（三）深化教育實踐改革

在教學過程中，通過采集實訓過程中產生的數據并通過對數據的采集、加工、處理、分析考查學生基礎技能掌握的變化曲線。通過教學過程大數據進行統計分析，進而判斷不同班級、不同時間段、不同教師、不同學生的教和學質量，為抓好教學質量提供數據依據。通過教學過程大數據分析進一步豐富教育的內涵，有效地讓大數據賦予教學過程管理新內涵。通過實訓現場的信息化終端在基礎的課程與專業課程上對學生進行指導。在學習知識與技能時也要多給學生創造車間實訓的機會。通過理論課訓練初步掌握基礎技能，通過信息化在實訓課的實訓可以使課堂上的學習技能得到鞏固，全面提高學生的綜合技能。

五、研究成果

（一）理論成果

形成以數據為基礎的課堂教學模式。形成實訓過程數據—教學準備—數據分析閉環滾動管理教學模式。把智能工廠的管理理念和場景帶入校園，讓學生在學校就感受到企業的運營生產模式，實現產學研的深度結合。改變學生被動學習的學習方式，建立小組合作學習模式，使學生在小組學習的過程中享受學習，主動接受。使用信息化系統形象生動地展示教學目標，實現有效的人機互動、師生互動。建立智能制造背景下的信息化學習模式并且讓教育管理者用數據決策，數據說話。

（二）實踐成果

學生的課堂效率提高了，學生的課業負擔減輕了。提高了教師實施課堂教學改革的能力，打造了一只善于總結、善于研究的科研型教師隊伍。高素質的教師隊伍建設是加強實踐教學建設的重要舉措。

六、結束語

綜上所述，雖然高校機電類專業在教育教學常規工作方面已經逐漸完善，但在教學過程管理、師資隊伍的水平、教育教學模式以及課程的結構、教學方向等方面還存在不少問題。所以，想要健康高效地發展高校機電類專業的教育水平，結合智能制造背景下信息化學習環境的建設將是一條必經之路。以數據為基礎，過程管理為核心不斷完善高校機電類專業的教學管理水平和學生實踐能力，為高校機電類專業的教育事業整體的發展作出巨大的貢獻。

參考文獻：

[1]胡侃，夏紹瑋.基于大型數據倉庫的數據采掘：研究綜述[J].軟件學報，1998，9（1）.

[2]何文娟.創新教學模式，促進學風建設：以機電專業為例[J].中國校外教育（下旬刊），2015（9）：43.

[3]李杰.工業大數據[M].北京：機械工業出版社，2015.

[4]金碚.中國制造2025[M].北京：中信出版集團，2015.