工業互聯網教學體系探索

王印軍 杜彥斌 李健 朱琪 陳鵬

摘?要：工業互聯網是以物聯網為基礎、以提高工業制造效率為目的的一門學科，涉及多知識點的交叉融合，也是智能制造專業的核心課程。針對工業互聯網教學中存在的典型共性問題與不足，本研究以新工科建設背景下對培養智能制造專業人才的要求，開展工業互聯網教學體系探索研究，提出了提高工業互聯網教學效果的舉措和方法，包括構建優化培養方案、建立聯合實驗平臺、加強學科競賽、培養專業教師隊伍、改善教學評價體系等。通過教學改革提高工業互聯網教學效果，提升學生的實踐與創新能力，為培養智能制造專業人才提供有力支撐。

關鍵詞：工業互聯網；物聯網；智能制造；實踐教學；教學改革

一、概述

工業互聯網是以工業為主體、以網絡信息交流為手段，其本質是協調生產和經營各環節的同步，實現工業的數字化、智能化和自動化，其目的是提高企業的效率和生產速度，降低成本，提高產品質量，提升客戶體驗［1］。此外，通過實時的數據和信息交換，企業可以更好地了解市場和客戶需求，以便及時調整產品和服務，增強企業的競爭力［2］。當前，工業互聯網具有智能制造、個性定制、網絡協調、數字化管理等模式，給工業和產品賦能和賦值，有力地促進了工業的降本增效的快速智能發展［3］。工業互聯網是在計算機等技術發展的基礎上，將嵌入式開發、人工智能、互聯網、信息通信、智能制造、傳感測量等技術結合，運用大數據分析與智能管理，實現制造業的數字化發展。工業互聯網應用涉及制造業、物流、能源、軍事等多個領域，智能工廠或智能產線是工業互聯網的一個具體應用案例［4］。工業互聯網的普及和應用給整個產業鏈帶來了巨大的變化和機遇，隨著數字化、智能化、信息化技術的不斷推進和使用，工業互聯網將改變傳統產業的業務模式，將成為產業升級和轉型的重要推動力量，并對經濟社會產生深刻的影響［5］。

二、工業互聯網課程特點

工業互聯網是物聯網在工業應用中的一種體現形式，其特點除了包含物聯網的特征外還具有工業的特點［6］，工業物聯網主要由感知層、網絡層和應用層組成。

感知層是物聯網的核心，其作用是采集設備和產品狀態的關鍵信息［7］。感知層包括傳感器和短距離通信技術，傳感器采集的物理量包括溫度、振動、位置、視頻、聲音等。短距離通信主要用于傳感器到采集終端的數據傳輸。網絡層是連接感知層和應用層的紐帶，它的作用是將傳感器采集的信息傳輸到應用層和將應用層下發的命令傳輸到設備或執行機構。網絡層主要由網絡技術和網絡通信協議組成，網絡技術是將傳感器或信號采集終端的信息傳輸的一種遠距離通信技術，主要包含LoRa、5G、以太網等通信技術。網絡協議主要由HTTP、MQTT、CoAp等技術組成，目前MQTT是工業互聯網和物聯網主要的通信協議。應用層是工業互聯網用戶和程序的接口層，具有處理信息和做出科學決策的功能，主要處理應用程序與網絡層的信息交換和命令下發，以及關鍵信息的可視化管理等。

工業互聯網涉及課程有“網絡通訊技術”“嵌入式開發與應用”“傳感器與檢測技術”“無線傳感技術”“射頻識別技術原理與應用”“現場總線與工業以太網”“機器學習”等。智能制造專業課程體系很難兼顧機械制造專業課和全面的物聯網專業課，所以支撐工業互聯網學科的課時相對較少，可見智能制造專業中工業互聯網課程體系設計難度之大，這就需要對工業互聯網教學體系進行合理的規劃與創新性的探索。

三、教學體系現狀與不足

高校作為培養高層次人才的主戰場，應有針對性地建設工業互聯網教學體系，有針對性地培養智能制造專業人才。工業互聯網是以物聯網和工業制造為基礎，以提高工業生產效率、降低生產成本的學科。通過教學與實踐相結合的教學方式，增強學生對工業互聯網的整體認識，提升學生專業技術［8］。目前工業互聯網教學體系的現狀與不足如下：

（一）傳授知識形式單一

工業互聯網除了需要多門專業課作為支撐，還要結合各工業生產銷售特點實現智能控制。目前，針對智能制造專業的工業互聯網課程，教師主要通過PPT講解對學生進行知識傳授。雖然教師能通過多媒體教學對知識點進行羅列和講解，但是由于智能制造專業學生基礎知識的薄弱和缺少實踐經驗，很難深入理解各知識點的精髓。單單講解教材知識點會讓學生產生抵觸心理，實訓環節可以提升學生興趣，但目前實訓環節又安排在理論課之后。長時間枯燥知識點的灌輸會讓學生失去耐心和興趣，降低了學習效果。

（二）師資力量薄弱

由于工業互聯網涉及了多門專業學科，機械學院精通工業互聯網全部學科的教師不多，加上隨著時代的進步，許多新技術相繼出現，單獨機械學院教師很難應對工業互聯網高質量教學的要求。教師需要具有較廣的知識面、豐富的實踐經驗，對工業互聯網工程有一個全面的知識系統框架。教師與校外交流等方面比較少，沒能進行多方位學習，缺少借鑒教學經驗。缺少專業教師和教師本身知識面不夠，導致師資力量薄弱，削弱工業互聯網教學成效。

（三）實驗設備不完善

實訓教學是培養學生實踐和動手能力，快速幫助學生生動理解工業互聯網知識點的有效手段。目前工業互聯網實驗設備是利用物聯網實訓平臺，主要應用領域是交通、農業和家居生活，其監測目標、信號傳輸方式和知識側重點與工業互聯網有很大的區別，遠遠不足以滿足課程的要求。工業互聯網實訓設備應該立足于工業，信息聯通和控制只起到輔助作用，應建立以工業為主的物聯網，包括幾個典型的幾個工業應用案例。

（四）缺少深入實踐

在工業互聯網教學中，只傳統講授知識點和開展幾次實驗不足以讓學生深刻理解和靈活運用知識點。目前，工業互聯網實踐案例大多以物聯網為主，很少涉及工業生產和工業經營。物聯網應用對象更側重于農業、交通以及家居生活，而工業互聯網應用目標應該是工廠、企業等工業性質的服務對象。工業互聯網實踐可能只有短短的幾個課時，學生很難深入地完成課程實踐。由于基礎知識不扎實和實踐操作機會少，降低了學生參加課程相關競賽和創新項目的積極性。

四、工業互聯網課程教改措施

工業互聯網是多知識交叉融合的復合學科，根據學科特點和智能制造專業人才培養的目標，針對傳統教學體系存在的不足，從優化培養方案、建立交叉融合的教研平臺、加強多學科交叉融合學科競賽、培養專業教師隊伍和教學評價體系等五方面進行探索。

（一）優化培養方案

工業互聯網課程需要多門專業學科支撐，例如機械制造基礎技術、嵌入式開發、傳感器與檢測技術、總線技術以及控制理論等。根據教育部提出的“以學生為本，知識傳授、能力培養、素質提高協調發展的教育理念和以能力培養為核心的實驗教學觀念”為指導［9］，以提升學生創新能力、實踐能力、自學能力為目標，優化工業互聯網課程體系，制訂多層次的智能制造專業培養方案。以理論教學和綜合實踐教學為手段，為國家和社會培養具有扎實基礎知識、較強實踐能力、能分析和解決工程問題的合格優秀人才。通過調研企業和市場需求，合理規劃工業互聯網相關專業課程，制定項目實戰和理論教學的混合培養模式。引入智能制造專業職業規劃課程，結合理論授課內容，定期開展職業素養與就業指導課程。制定跨學院、跨專業的合作交流制度，提高學生交叉學科知識的認識與實踐。通過工業互聯網實訓實驗室，引入多種工業互聯案例，開設工業互聯網課程設計實習，建立多學科交叉融合的實驗教學平臺。

（二）建立實踐實驗室

目前工業互聯網實驗室基于物聯網實驗室為基礎，缺少工業應用案例。智能制造專業的工業互聯網實驗室的硬件配置應以加工制造為核心，設計以工業制造、銷售的貼近企業需求的實踐項目，例如智能工廠、智能產線和智能銷售的工業互聯網實踐案例。實踐設施和硬件能根據不同的設計需求自由組合和搭配，滿足選手自主創新的需求，激發學生的創造性和學習興趣。工業互聯網實驗室建設由基礎教學、應用實驗、創意創新三個方面構成，基礎技術和行業應用協調支撐這三個方面，貫穿工業互聯網整個學習過程。實踐教學設置不同難點等級的實驗項目，遵守從簡到難的學習習慣。根據工業互聯網技術的發展和國家人才需求情況，定期更新實驗室設備和實踐項目，保障傳授知識的時效性。根據學生興趣和能力制定不同的考核指標與要求，因材施教發掘學生的創新潛力。結合教師研究方向和時下競賽要求設置創新性的實驗項目或課題，開拓學生實踐創新視野。

（三）加強學科競賽

通過推進學科競賽工作體制機制改革，形成學校統籌指導、學院主責推進、基地主體實施、師生踴躍參與，導向明確、激勵有效、推進有序、獎懲有度、成績突出的學科競賽工作體系，不斷提高人才培養質量，為學科和專業建設提供有力支持。針對學科技術快速發展和學科競賽的日趨激烈，建立工業互聯網競賽專用實訓實驗室，并提供競賽級設備和儀器，增加與競賽相關的實踐項目，開展學科前沿調研與實驗。根據競賽性質和級別制定不同等級的競賽獎勵制度，鼓勵學生參加學科競賽，實現以賽促學的目的。聘用或設置專職競賽的輔導教師，為參賽學生在知識和技術上提供有力的支持和指導。鼓勵跨學院競賽團隊組合，通過多學科融合人才組合提高團隊競賽實力。根據理念競賽的題目設置實踐操作項目，將競賽融入日常訓練中，提高學生競賽技術與操作技巧。

（四）培養專業師資隊伍

工業互聯網是跨專業的、多學科交叉融合的一門新興學科，涉及物聯網、機械制造、商業管理等專業。傳統的教師隊伍難以完成工業互聯網教學要求和人才培養目標。通過跨專業、跨學院和人才引進等方式打造一批復合型、創新性的教師隊伍。一是對教學進行相關學科要求，對教師進行計劃，有目的地進行培訓，逐步提升教師的專業性；二是通過引進物聯網專業教師，建設多學科交叉的綜合教師隊伍；三是加強不同學院教師的溝通交流，取長補短，拓寬教師知識面、提升教學能力和可持續創新力；四是設置教師競賽上崗機制，鼓勵教師投入更多時間和精力投入教學研究和教學活動。

（五）改善教學評價體系

通過成績評價、實踐評價、個人綜合評價等建立多元評價體系。建立及時反饋機制的教育評價體系，及時提示教師和學生在學習和教學中的不足，及時提高教學質量。根據人才培養方案考察工業互聯網課程的評價體系，提升工業互聯網課程設計和競賽在教學評價體系中的占比，增加科研成果和課堂評價環節。通過理論考試和實踐操作的綜合考核方式優化教學評價體系，通過分階段考查學生專業知識掌握度和綜合應用能力檢驗教學質量。制定師生雙向教學評價體系，根據學生學習情況分層次分等級對學生評價和問卷進行統計，分析課程教學手段與方式，提高學生學習的效率和積極性。

結語

在新工科建設背景下，根據培養智能制造專業人才的要求，開展工業互聯網教學體系探索研究。針對工業在互聯網教學體系中存在傳授知識形式單一、師資力量薄弱、實驗設備不完善等不足，提出工業互聯網教學改革措施和方法，構建多層次的教學體系和內容、融入學科工程問題的課程設計、建立聯合實驗平臺、加強學科競賽、學科競賽和創新創業驅動的課外創新實踐活動等。通過教學改革提高工業互聯網教學效果，提升學生的實踐與創新能力，為培養智能制造專業人才提供有力支撐。

參考文獻：

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［8］吳文昊.工業互聯網助推產教融合體系研究［J］.中國信息化，2021（02）：9698.

［9］王曉東，朱華，張亮.加強實驗教學示范中心建設促進實驗教學改革［J］.實驗室研究與探索，2015，34（01）：150153.

基金項目：重慶工商大學校級教育教學改革研究項目（2023036，2022144）；教育部產學合作協同育人項目（220901329191512）；重慶市研究生教育教學改革研究重點項目（yjg212029）；重慶市高等教育教學改革研究項目（223223）

*通訊作者：王印軍（1986—?），男，漢族，山東濟寧人，博士，重慶工商大學機械工程學院講師，主要從事智能制造課程建設與人才培養。