新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學云平臺開發(fā)與應用

申會鵬，武照云，曹毅，丁浩，邱俊，賀森亮，劉曉霞，馮偉，任寧

（1.河南工業(yè)大學 機電工程學院，鄭州 450001；2.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；3.貝爾數(shù)據(jù)科技(大連)有限公司，遼寧 大連 116024）

0 引言

“新工科”要求以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，培養(yǎng)未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟所需要的實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才?；诖吮尘芭c要求，以機械基礎實驗教學為切入點，將“互聯(lián)網(wǎng)+”“物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)軟件”“智能制造”“大數(shù)據(jù)分析”等現(xiàn)代信息技術與理念融入到機械基礎課程的實驗教學過程中，以物聯(lián)網(wǎng)實驗教學系統(tǒng)、教學軌跡數(shù)據(jù)分析與評價系統(tǒng)為基礎，打造一個集互動學習、實驗臺設計、虛擬仿真分析、實驗臺實物搭建、實驗臺控制與測試為一體的“虛擬-現(xiàn)實”場景，讓學生在學習課程內(nèi)容、開展實驗的過程中，充分理解現(xiàn)代數(shù)字化設計、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等在工程實踐過程中的應用[1-2]。

1 市場分析

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》。在當前國內(nèi)外經(jīng)濟浪潮中，市場對復合人才迫切需求，使得新工科建設已成為高校和社會共識。新工科更加注重學科實用性、綜合性與交叉性，也要求新技術與傳統(tǒng)技術結合。而采用怎樣的教學模式培養(yǎng)新工科復合型人才，是近幾年以及未來5～10 年內(nèi)我國高校教育產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。

“十四五”是建設高質(zhì)量教育體系的重要階段，在此階段我們要夯實教學“新基建”，托起培養(yǎng)高質(zhì)量人才，以改革創(chuàng)新為根本動力，聚焦教育發(fā)展的重點領域，推動信息化時代教育創(chuàng)新，大力開發(fā)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源，促進新技術與教育教學深入融合，培育教育高質(zhì)量發(fā)展新動能。建成萬門左右國家級和萬門左右省級一流本科課程，推進課程質(zhì)量建設和虛擬實驗融合項目。增加國家財政性教育經(jīng)費投入，助力建設一流本科和虛擬實驗項目，2020年，全國教育經(jīng)費總投入為53 014 億元，比2019年增長5.65%。其中，全國高等教育經(jīng)費總投入為13 999 億元，比上年增長3.99%。2021年投入56 089億元，比2020年度增長5.82%。在國家大力扶持激勵下，課程一流建設和虛擬實驗云服務將會有質(zhì)的飛躍。

然而，如何將“互聯(lián)網(wǎng)+”“物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)軟件”“大數(shù)據(jù)分析”等現(xiàn)代信息技術融入到新工科的實驗教學，培養(yǎng)出適合新工科需求的高端復合型人才，是亟需解決的問題。當前高校機械基礎實驗的特征是：1）缺乏創(chuàng)新性。教具或?qū)嶒灦嗑邆鹘y(tǒng)性，千篇一律，不能很好地發(fā)揮學生的創(chuàng)造力。2）缺乏工程性。實驗缺乏工程驗證性，理論和實踐結合還存在一段距離。3）缺少素質(zhì)評價特性。不能完全符合新工科下的素質(zhì)教育要求。

2 新工科實驗教學改革方案

為解決以上問題，探索將“互聯(lián)網(wǎng)+”“物聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)軟件”“智能制造”“大數(shù)據(jù)分析”等技術走進教學、融入教學，開發(fā)“新工科”物聯(lián)網(wǎng)實驗教學共享平臺，以此培養(yǎng)出理論扎實、實踐能力強的復合型人才。

傳統(tǒng)型的機械基礎課程實驗大多數(shù)是走馬觀花式的學習[3-4]，甚至學生不需要動手操作，其效果可想而知。為扭轉這一局面，嘗試創(chuàng)新實驗形式，以案例貫穿為核心，以模塊化拼裝為導向，逐步讓學生打開思路。將《機械原理》的“運動學/動力學”實驗和《機械設計》的“運動副和零件結構與性能”實驗有機聯(lián)系起來，貫穿機械基礎課程的內(nèi)容體系（運動-尺度-結構-性能），樹立工程觀念，為學生抽象機器運動本質(zhì)和進行機器結構設計提供實驗平臺。提升實驗教學的工程性和設計性，靈活運用課程內(nèi)容、知識、軟件來分析和解決實驗、工程實際問題，而不是驗證、重復課程理論知識[5-7]。

圖1 新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺整體架構

為便于學生學以致用、學有所用，經(jīng)過課題組研究課討論，同時結合目前實驗教具現(xiàn)狀，開發(fā)一套面向新工科學生能力培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)實踐教學云平臺，學生在平臺可完成實驗臺認知、實驗原理分析[3-5]、實驗設計、虛擬裝配、實物裝配、電動控制、實驗測試、數(shù)據(jù)采集與分析、實驗報告等環(huán)節(jié)；教師可通過該平臺進行實驗項目的發(fā)布、過程數(shù)據(jù)管理、實驗報告批閱、學生能力掌控等操作；職能部門可以通過平臺獲取學生的全程跟蹤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)素質(zhì)教育評價[6-7]。

實驗項目采用模塊化組合設計，一個實驗臺能夠開展多學科多個實驗項目，不僅節(jié)省開支，解決多課程內(nèi)容和實際工程問題，而且為學生抽象機器運動本質(zhì)和進行機器結構設計提供實驗平臺，還為課程設計、畢業(yè)設計和后續(xù)課程提供實驗條件。

3 新工科實驗教學平臺特色功能

新工科下的實驗教學定位為培養(yǎng)學生應用工程方法和實驗技術分析和解決工程問題，為未來從事機械設計工作樹立工程觀念與意識。本項目開發(fā)的新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺具有線上虛擬線下現(xiàn)實融合、數(shù)字化技術應用、教學數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)等創(chuàng)新特色。

圖2 新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺

1）線上虛擬線下現(xiàn)實融合。

新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺通過搭建課程學習APP和實驗教學云平臺，實現(xiàn)了線上學習線下實踐、線上虛擬仿真線下實際操作、線上互動討論與線下實驗數(shù)據(jù)等不同類型的線上虛擬線下現(xiàn)實融合場景；通過互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）終端等技術手段實現(xiàn)了知識共享、數(shù)據(jù)集成，讓學生的學習不再局限于課堂與書本上，而是通過手機APP終端、WEB軟件系統(tǒng)、線下實驗相結合的方式。

圖3 線上虛擬線下現(xiàn)實融合

2）數(shù)字化技術應用。

實驗教學平臺將課程知識實現(xiàn)了流程化、規(guī)范化、軟件化；平臺系統(tǒng)模擬智能制造工廠定制環(huán)境，學生可以在系統(tǒng)上利用數(shù)字化設計相關的工業(yè)APP實現(xiàn)實驗設備的結構設計、虛擬仿真、在線裝配、生成物料BOM等過程；也可實現(xiàn)實驗設備運動控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等過程。

3）教學數(shù)據(jù)分析評價系統(tǒng)。

目前對學生實驗課程的常規(guī)評價基本停留在對實驗結果與實驗報告的評價上，未體現(xiàn)學生在實驗過程中多維度能力，例如對實驗知識的掌握程度、實驗創(chuàng)新性、完成效率、過程投入度等評價；新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺旨在建立基于學生實驗過程數(shù)據(jù)多維度的綜合能力評價模型，收集學生在互聯(lián)網(wǎng)平臺上開展的一系列實驗活動痕跡產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，制定學生綜合能力評價指標與評價曲線，逐步形成基于過程數(shù)據(jù)的綜合能力評價體系。

4 創(chuàng)新性可組裝實驗案例開發(fā)

已開發(fā)用于工科多學科實驗的工程搭建項目5類8種。標準實驗機：固定實驗臺有2類3種可供選擇；可重組實驗機：提供3類5種機構構型。

固定式實驗臺主要有含滑塊調(diào)整機構的曲柄滑塊機構、不含滑塊調(diào)整機構的曲柄滑塊機構、六連桿機構3類機型。主要由機械部分、動力部分、電控部分、數(shù)據(jù)采集部分構成。

組裝式實驗臺主要包含模塊化可重組曲柄滑塊機構（四桿機構）、肘桿式機構（六桿機構）、雙滑塊機構（九桿機構）3類機型，以及電動推桿和曲柄滑塊送料機構。學生可通過模塊拼裝的形式進行實驗臺的組合搭建。

3類可重組沖壓機構實驗臺搭載公用的控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、送料系統(tǒng)，可以構成沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)。沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)包含可重組沖壓、送料機械（機構）系統(tǒng)，模塊化控制系統(tǒng)，開放式測試系統(tǒng)；其中機械系統(tǒng)包括可拆分重組的曲軸、可調(diào)連桿、組合滑塊、可重組箱體、組合導軌滑塊等；測試系統(tǒng)具有多類傳感器（位移、轉矩、轉角、振動、沖壓力等）及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；電控系統(tǒng)包括電動機、控制器、控制柜和軟件系統(tǒng)等。

新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺提供多樣運動副單元和機架單元，通過可重組式的模塊化裝配，學生可搭建出不同的機器，激發(fā)學生創(chuàng)新意識。

5 新工科實驗云平臺初步應用

新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺目前已在多所高校進行了試點應用，主要開展了機械原理與機械設計的相關實驗和課程設計，以后將會開設更多的課程。通過實踐發(fā)現(xiàn)在線體驗和線下實物裝配大大激發(fā)了學生興趣，課下預約裝配2～4 h可完成，課上實驗1.5～2 h可完成。在實踐過程中，學生也體會到了機器運動方案和結構方案的多解性，同一個機構可組裝出不同的機器結構，更大程度上增強了學生的實踐力和創(chuàng)造力。

6 新工科實驗云平臺的前景分析

圖4 數(shù)字化虛擬裝配

圖5 云平臺數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)

圖6 標準固定式壓力機

圖7 標準組合式壓力機

新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學云平臺的核心競爭力有新工科實驗教學課程、線上線下互動體驗實驗系統(tǒng)、模塊化可重組實驗設備、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化實驗室、實驗能力AI綜合評價系統(tǒng)、協(xié)同創(chuàng)新實驗系統(tǒng)與共享平臺等，能夠為國內(nèi)高校提供從實驗課程、軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務、共享平臺“五位一體”的實驗教學解決方案，符合教育主旋律，有很大的推廣前景：

圖8 組合式壓力機模塊化裝配的多樣結構

圖9 實驗云平臺初步應用

圖10 實驗云平臺機械原理實驗

1）對高校學生而言，以互動體驗（案例、計算、課程設計、實驗等多個維度）為核心，提升高校學生的自學能力和學習效率；

2）對高校教師而言，以豐富的特色案例為核心，提升高校教師教學效率和教學效果；

3）對高校教育而言，提升教學參與者對“數(shù)字經(jīng)濟”的深度理解，培養(yǎng)新一代機械工程師，通過實驗教學共享平臺也實現(xiàn)了高校教育資源的均衡。

7 結論

1）開發(fā)完成了新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學云平臺，并進行了初期應用，可提供適合各校特色的實驗方案。

2）新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術，將各種虛擬實驗與現(xiàn)實實驗場景和空間、資源和工具間彼此聯(lián)通、相互融合，讓“以學生為中心”的學習范式正從基于單一空間與媒體的個體建構向基于多元空間與富媒體的分布式認知轉變。

3）新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺綜合使用物聯(lián)網(wǎng)在智能感知、網(wǎng)絡傳輸和智能處理等方面的技術特征，搭建概念全新的集趣味演示、虛擬裝配、實驗設計、實驗測試、實驗分析于一體的綜合性智能實驗室，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和綜合能力。

4）新工科物聯(lián)網(wǎng)實驗教學平臺提出了基于實驗教學過程數(shù)據(jù)的綜合能力評價體系，基于過程數(shù)據(jù)，評價學生對知識掌握程度及實踐動手能力；該評價體系將有利于授課老師實時掌握學生對知識掌握與運用情況，不斷推進理論授課與實驗教學改革，為高校綜合評價學生能力提供客觀數(shù)據(jù)支撐。