基于智能云的智能制造類課程建設研究
——以機械制造裝備與系統集成技術課程為例

孫小肖，李鋼，王鐘樂

（1.南京工程學院 機械工程學院，江蘇南京 211167；2.南京工業大學 海外教育學院，江蘇南京 211816）

機械制造裝備與系統集成技術是南京工程學院機械工程學院為機械工程專業智能制造方向大三本科生開設的一門新課程，該課程是在新工科背景下為培養工程教育認證目標人才而設定，是在傳統機械制造裝備設計課程的基礎上，引入適應新經濟、新產業發展的智能云平臺新技術，在圍繞數控機床、工業機器人、物流上下料裝置等現代機械制造技術裝備傳授基礎性知識的同時，更注重其組成的自動生產系統的工業互聯、數據采集、傳輸及處理等新技術的設計理論和方法。

1 機械制造裝備設計課程教學現狀

機械制造裝備設計課程內容主要包括四種類型的裝備設計[1]：（1）加工類機械制造裝備設計；（2）工藝類機械制造裝備設計；（3）物料儲運類機械制造裝備設計；（4）輔助類機械制造裝備設計。在具體的教學過程中，因為實踐經驗的不足，導致部分學生在學習中難以對相應的設計做到充分理解。造成該現象的原因是多方面的，主要有教學模式單一、考核方法單一、實踐訓練不足以及資源有限等，這將對學生的學習效果及其能力培養造成不利影響，進而導致該課程的教學質量難以提升[2]。

2 機械制造類課程教學研究現狀

關于機械制造類課程建設研究，陳一馨等認為機械類課程可采用課堂教學模式與慕課教學模式相結合的混合式教學方法[3]。王國平等認為傳統工科之間要交叉復合，從而培養與地方企業零距離對接的應用型工程科技創新人才[4]。周松等提出以課程為載體，把產業理念、產業技術、產業文化和產業力量融入課程建設，服務于應用型人才培養[5]。宋鹍等針對機械類基礎實驗課程，提出了一種基于果蠅優化算法的徑向基函數神經網絡評價模型，提供了科學、量化的評估方法[6]。李小文等主張應用型本科課程要進行內容重組，著力體現應用[7]。翁偉斌認為應用型本科高校課程內容需要根據人才培養目標的基本要求進行重構[8]。在教學模式方面，基于SPOC 混合教學、基于STEAM 教育理念以及課程思政等被引入教學中[9-11]。在教學手段和方法方面，沈忠良認為教師應采取生態課堂的教學模式，構建生動有趣的課堂環境[12]。在評價主體、考核方式和評價方法上，基于線上線下混合式教學模式對應的多元化、過程化考核方式以及基于OBE 的課程目標達成度評價方法已廣泛應用到教學評價中[13-14]。

3 智能制造類課程建設方案設計

本文提出采用人工智能與云計算相結合的智能云進行智能制造類課程建設方案的設計，如圖1 所示，數據采集是通過物聯網設備端進行采集，并通過5G、工業互聯網等將數據傳輸到智能云平臺；設備連接是將加工設備、搬運移動等設備通過現場總線匯集到MES系統，再與智能云平臺其他模塊通過總線交互。分布式系統與虛擬化技術是將智能云平臺資源虛擬化，方便師生通過終端調用資源。云上課程教學、云上課程管理、云上評價方式等資源模塊則是具體課程在云平臺上對應的建設資源，不同權限的人員分別可以對這些資源進行添加、刪除、查看等操作。

圖1 基于智能云的智能制造類課程建設方案

3.1 資源融合優勢

通過智能云平臺，將教學資源、教師、學生、制造裝備、傳感器、數據等資源融合，充分利用大數據、工業物聯網、人工智能、物聯網等新技術，將傳統機械裝備制造課程移到云系統上，實現教學資源—學生—教師—學校充分互聯互通，教師可以充分利用虛擬裝備進行云備課；學生不受空間、時間限制，在云平臺進行學習、練習、完成作業等，調動學生積極性，增加學生對制造裝備的理解；學校可以通過智能云平臺監督教師備課、課堂教學、教學評價等環節的達成情況。

3.2 教與學優勢

教師在課程內容準備的過程中，可充分利用虛擬制造裝備、虛擬控制器、虛擬機器人等仿真工具進行編程，對虛擬資源進行調度，通過可視化平臺直觀展示備課后的課程資源。學生通過智能云平臺的課程資源，進行多次學習，并且可以利用平臺上的虛擬裝備模仿教師的課程資源，搭建自己的機械制造裝備系統，增加學習的趣味性。同時云平臺可實時監測學生在云平臺上的學習時長、學習內容等，并且進行統計，將統計數據反饋給教師和學校，方便教師、學校動態管理。

3.3 持續改進優勢

利用智能云平臺進行課程建設，充分調用工業物聯網、物聯網、MES 系統、自動化、裝備模型庫等資源，重新定義云上的教學內容、課程實施方式、教學管理模式、課程評價方法，實現教學資源—學生—教師—學校之間互聯互通。利用邊緣計算、工業互聯網、5G 等技術將線下資源轉移到線上，利用聚類、統計與深度學習等智能算法對教師行為、學生行為進行關鍵特征提取，從而建立合理的教學評價模型，為課程的建設、豐富和發展提供規范。

4 機械制造裝備與系統集成技術課程建設方案設計與實施

4.1 總體思路

如圖2 所示，從云上課程內容建設、云上課程管理建設和云上評價體系建設三個方面進行課程建設，基于“云平臺+模塊+案例”的課程體系框架構建云上課程內容，通過“模塊+權限”設計架構，搭建云上課程管理系統，通過人工智能算法和“教與學”數據構建課程評價數據模型，最后形成基于智能云的課程建設方案。

圖2 課程建設總體思路

4.2 課程建設方案設計

4.2.1 云上課程內容設計

調整優化原有的機械制造裝備課程內容，并改革創新教學方法和教學方式，制定課程教學大綱，編寫課程講義，制作課程PPT，編寫實踐案例手冊，設計工程實訓案例，將課程資源集成到云平臺上，搭建機械制造裝備與系統集成技術云上教學平臺，構建多源異構數據庫，實現機床、機器人、物流車、PLC 等制造裝備與控制系統互聯互通。

4.2.2 云上課程管理模式設計

對云上教學資源、學生信息、教師信息進行統一建模與描述，實現教師對課程內容的管理、教師對學生的管理以及學校對教師的管理。通過“模塊+權限”設計架構，搭建教師終端控制模塊、學生終端控制模塊和學校課程管理人員控制模塊，實現不同用戶對不同資源的增刪改查操作。

4.2.3 云上課程評價體系設計

通過人工智能算法對學生學習數據、教師備課數據進行分析，提取評價體系主要模型特征，構建課程評價數據模型，對教師教學效果和學生學習效果進行自動智能評價，通過評價結果反饋機制優化課程內容以及評價模型，從而構建全面、公正、合理的評價體系。

4.3 課程建設方案實施

4.3.1 云上課程內容實施

課程內容方面，確定課程內容包含數控機床、工業機器人、物流上下料裝置、典型自動化元件和自動化過程（含不同設備通信技術）、工業互聯網、自動生產系統設計理論與方法；按照教學知識點設計教學案例，根據知識點之間的關聯性，設計模塊化、案例化的云平臺教學內容。

4.3.2 云上課程管理模式實施

課程管理模式方面，在云平臺系統構建關系數據模型，建立不同權限數據模塊，分別設置教師、學生、學校管理者等不同角色，各角色賦予不同權限，學校管理角色可以導入學生信息并為每名學生分配一定數據空間，教師角色可以設定課程的學習目標、學習時長、仿真實驗并設定系統自動評分標準，學生角色可以查看教學資源、課件、教案，進行答題、提問等，從而實現教師、學生自動統一管理。

4.3.3 云上課程評價體系實施

課程評價體系方面，采用基于數據驅動的客觀評價方法，通過深度神經網絡算法對學生學習數據、教師備課數據進行訓練，構建基于數據的客觀課程評價數據模型，隨著教師、學生的不斷參與，模型參數不斷迭代優化，達到教與學效果的不斷提升。

5 結語

本文主要分析了智能制造類課程機械制造裝備設計教學現狀與存在的問題，討論了機械制造類課程教學研究現狀及不足，提出采用人工智能與云計算相結合的智能云進行智能制造類課程資源建設的思路。以機械制造裝備與系統集成技術課程為例，詳細介紹課程方案設計與實施。本文研究成果可以為智能制造類課程建設提供新思路，推動平臺化、智能化的云課程資源建設。