基于智能制造挑戰(zhàn)賽的高職院校工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革

陳元?jiǎng)P 劉魏晉

摘? 要：“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽作為我國(guó)智能制造領(lǐng)域級(jí)別最高的賽事，無(wú)論是在競(jìng)賽要求還是在競(jìng)賽賽題上均以企業(yè)中的實(shí)際項(xiàng)目、實(shí)際設(shè)備為背景，全面鍛煉學(xué)生技能和工程創(chuàng)新能力。本文依托智能制造挑戰(zhàn)賽，結(jié)合高職院校“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程的實(shí)際情況，從課堂教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容兩方面探索了“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：智能制造挑戰(zhàn)賽? 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)? 高職院校? 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（c）-0202-03

Abstract： As the highest level event in the field of Intelligent Manufacturing in China， "Siemens Cup" China intelligent manufacturing challenge is based on the actual projects and equipment in the enterprise to comprehensively exercise students' skills and engineering innovation ability， whether in competition requirements or in competition topics. Based on the intelligent manufacturing challenge and the actual situation of "industrial control network" course in higher vocational colleges， this paper explores the teaching reform of "industrial control network" course from two aspects of classroom teaching content and practical teaching content.

Key Words： China intelligent manufacturing challenge; Industrial control network; High vocational colleges; Teaching reform

1? 中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽簡(jiǎn)介

培養(yǎng)創(chuàng)新人才是我國(guó)實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型以及“中國(guó)制造 2025”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的重要支撐和保障[1-2]。在這一大的背景下“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽（以下簡(jiǎn)稱智能制造挑戰(zhàn)賽）應(yīng)運(yùn)而生。智能制造挑戰(zhàn)賽自2006年發(fā)展至今已經(jīng)成功舉辦13屆，全國(guó)有近600所高校、1000余個(gè)學(xué)院參加，大賽已成為中國(guó)智能制造領(lǐng)域規(guī)模最大、規(guī)格最高的國(guó)家A類競(jìng)賽[3]。競(jìng)賽內(nèi)容涉及智能制造領(lǐng)域中前沿的科技創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)、工程設(shè)計(jì)和智能應(yīng)用等，包含邏輯控制、工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程控制、智能創(chuàng)新等多個(gè)賽項(xiàng)。

以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)賽項(xiàng)為例，該賽項(xiàng)分為本科組和高職組，其中高職組是以實(shí)際企業(yè)中的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目作為競(jìng)賽賽題，以真實(shí)的工業(yè)設(shè)備和工業(yè)環(huán)境作為賽場(chǎng)，全面鍛煉學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)操作技能以及各類網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、組態(tài)、配置和調(diào)試等能力[3]。

2? 參加智能制造挑戰(zhàn)賽暴露的問(wèn)題與解決方法

我校一貫鼓勵(lì)大學(xué)生積極參與各類競(jìng)賽，重視提高他們的實(shí)踐動(dòng)手能力，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際培養(yǎng)符合企業(yè)需求的技能型人才。以筆者所在電子工程學(xué)院為例，自2017年以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)多年參加智能制造挑戰(zhàn)賽工業(yè)網(wǎng)絡(luò)賽項(xiàng)，取得挑戰(zhàn)賽國(guó)家級(jí)特等獎(jiǎng)一項(xiàng)、國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)多項(xiàng)，但在獲獎(jiǎng)的同時(shí)也暴露了幾個(gè)明顯的問(wèn)題。首先，智能制造挑戰(zhàn)賽只能選拔少數(shù)學(xué)生參加，不能使所有同專業(yè)學(xué)生受益，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致學(xué)生之間能力水平產(chǎn)生分化;其次，為了獲得好成績(jī)，參賽學(xué)生往往需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行競(jìng)賽訓(xùn)練，時(shí)間一長(zhǎng)容易導(dǎo)致學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率低下，甚至?xí)绊懫渌n程的學(xué)習(xí)，這也是高職學(xué)生參加各類競(jìng)賽所暴露的普遍性問(wèn)題。

解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵在于需要在課堂教學(xué)與競(jìng)賽訓(xùn)練之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)[4]，即將競(jìng)賽內(nèi)容細(xì)化為多個(gè)所有學(xué)生都能參與的教學(xué)項(xiàng)目，把常規(guī)的競(jìng)賽訓(xùn)練融入到平時(shí)的教學(xué)之中，這樣可有效地避免參賽學(xué)生與不參賽學(xué)生之間能力的分化，又能兼顧競(jìng)賽訓(xùn)練與課堂教學(xué)，因此課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的改革至關(guān)重要。

3? 基于智能制造挑戰(zhàn)賽，推動(dòng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)改革

作為新型基建的核心科技領(lǐng)域之一，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)制造2025重大戰(zhàn)略部署中占有舉足輕重的地位。在這一大的背景下工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課程也成為了高職院校機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化等工科專業(yè)一門重要的專業(yè)課。下面將依托智能制造挑戰(zhàn)賽工業(yè)網(wǎng)絡(luò)賽項(xiàng)，具體探索工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)改革。

3.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)內(nèi)容改革

“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程是一門專業(yè)性較強(qiáng)的課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)分析和解決工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)中各種工程性問(wèn)題的能力，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)際相結(jié)合[5]。“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程是從工業(yè)通信及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本概念和原理出發(fā)，按照深入淺出的原則，具體地將課程內(nèi)容細(xì)化為了包括工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用及工業(yè)觸摸屏控制技術(shù)在內(nèi)的四大模塊，具體的模塊劃分情況如圖1所示。

其中，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用模塊主要包括Profinet以太網(wǎng)通信、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定與安全三大部分。具體而言，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換部分包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)軟硬件及配置、工業(yè)以太網(wǎng)無(wú)線通信、三層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由等內(nèi)容;工業(yè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定與安全部分則包括交換機(jī)口令與訪問(wèn)控制、工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)VLAN以及工業(yè)防火墻等內(nèi)容。

“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程幾乎覆蓋了所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)，各個(gè)技術(shù)通過(guò)各種方式組合即可適應(yīng)于不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[5]。而智能制造挑戰(zhàn)賽工業(yè)網(wǎng)絡(luò)賽項(xiàng)的賽題正是以各類智能工廠、智能車間、智能產(chǎn)線中實(shí)際工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用背景，重點(diǎn)考核學(xué)生面向?qū)嶋H工業(yè)生產(chǎn)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求分析、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)信息安全設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)故障處理等能力。因此，將“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程內(nèi)容劃分為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)觸摸屏控制技術(shù)四個(gè)模塊，既可緊密與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，又能將智能制造挑戰(zhàn)賽的相關(guān)競(jìng)賽要求貫穿于課堂教學(xué)之中，有助于學(xué)生深入掌握各類工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，進(jìn)行工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與維護(hù)。

3.2 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革

“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程內(nèi)容涉及的理論知識(shí)較多，學(xué)生在課堂教學(xué)中主要接受的是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，所接觸到的各類工業(yè)網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等均為書(shū)本上的內(nèi)容，認(rèn)識(shí)的網(wǎng)絡(luò)線路、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、工業(yè)無(wú)線通信模塊等都是圖紙上的線條和符號(hào)，與實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)嚴(yán)重。而按照智能制造挑戰(zhàn)賽的競(jìng)賽要求大到智能工廠、 車間、生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，小到設(shè)備的選型、IP地址的規(guī)劃、虛擬局域網(wǎng)的配置和甚至網(wǎng)線的制作等都要與實(shí)際生產(chǎn)相符[6]。因此，在“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”理論課程講述的同時(shí)，必須大量引入“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目，在實(shí)踐中增加學(xué)生對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各單元操作的直觀認(rèn)識(shí)，使學(xué)生將理論和實(shí)踐相結(jié)合，牢固掌握所學(xué)知識(shí)。

“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程以前共安排了3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，分別為西門子S7-300現(xiàn)場(chǎng)總線通信實(shí)驗(yàn)、西門子S7-1200工業(yè)以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)、工業(yè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)驗(yàn)以及針對(duì)西門子S7-1200PLC的工業(yè)觸摸屏遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。通過(guò)參考智能制造挑戰(zhàn)賽工業(yè)網(wǎng)絡(luò)賽項(xiàng)的要求，對(duì)課程的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行改革，保留原有實(shí)踐項(xiàng)目并新增工業(yè)以太網(wǎng)線制作、工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)搭建、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分等實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)踐項(xiàng)目如表1所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽的內(nèi)容和要求無(wú)論是對(duì)于課堂教學(xué)還是實(shí)踐教學(xué)都可以給予一定的啟示，只有積極利用智能制造挑戰(zhàn)賽的相關(guān)資源并針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，才能真正實(shí)現(xiàn)以賽促教、以賽促改，充分發(fā)揮智能制造挑戰(zhàn)賽對(duì)于職業(yè)教育的推動(dòng)作用。

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