謝 陽，康 超，劉金鋒，陳 宇

（江蘇科技大學機械工程學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”是江蘇科技大學智能制造工程專業(yè)一門核心的專業(yè)必修課程。此課程以“物物互聯(lián)，感知制造，動態(tài)決策”為導向，注重制造執(zhí)行系統(tǒng)中的基礎共性問題闡述，具有注重實踐性的性質[1-2]，與其他專業(yè)必修課一起，共同提升學生在智能物聯(lián)制造應用開發(fā)和智能決策系統(tǒng)工作崗位所需具備的基礎共性知識和實踐技能，從而為培養(yǎng)高質量的智能物聯(lián)制造決策系統(tǒng)開發(fā)技術人員奠定堅實的理論基礎和實踐基礎[3]?；诖?，智能物聯(lián)制造系統(tǒng)相關專業(yè)課相繼成立并發(fā)展起來[4]。目前，智能物聯(lián)制造系統(tǒng)的專業(yè)建設和人才培養(yǎng)模式仍處于起步階段，如何培養(yǎng)出真正適合物聯(lián)網制造產業(yè)的創(chuàng)新復合型人才是智能制造專業(yè)建設的重點。

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程具有應用性和工程實踐性強的顯著特點，但在目前的教學模式下，存在明顯的注重基礎理論知識的傳授，而輕視實踐操作技能的培養(yǎng)，基礎理論知識與實踐操作技能的教學未形成有效的銜接，難以培養(yǎng)出真正適合物聯(lián)網制造產業(yè)的創(chuàng)新復合型人才的目標[5]。課程設計以及課內實驗教學作為基礎理論課的補充和延伸，對于提升教學質量、培養(yǎng)學生的實踐操作技能、創(chuàng)新能力至關重要。因此，持續(xù)推進“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程的教學模式探索與實踐，對培養(yǎng)適合智能物聯(lián)制造行業(yè)發(fā)展的復合型人才，推動智能制造的落地發(fā)展具有非常重要的意義。

1 “智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學現狀

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程結合江蘇科技大學智能制造工程專業(yè)現有學科基礎、社會需求和國家戰(zhàn)略需求，設置具有學校特色和側重性的課程培養(yǎng)大綱。圍繞預期教學目標，建立課程相關的基礎理論知識和基礎共性問題體系仍然是學生培養(yǎng)的基石；課程設計以及課內實驗教學作為實踐教學體系的重要環(huán)節(jié)，使學生將基礎理論知識和實踐操作技能相結合，從根本上做到學以致用，對提升整個智能制造專業(yè)教學質量具有重要作用[6-7]。目前，國內眾多院校剛剛成立智能制造工程專業(yè)，故專業(yè)核心課程“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”的課程教學仍在起步階段，避免不了沿用傳統(tǒng)的學科應試教學模式。然而，這種模式不適應新工科背景下智能制造系統(tǒng)復雜、學科交叉、綜合性強的專業(yè)特點，具體表現在以下幾個方面。

①高等院校的“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程是以人工智能、大數據為基礎發(fā)展而來，面向智能制造工程、物聯(lián)網工程、自動化等相關專業(yè)的核心課程。因此，大部分院系專業(yè)課程、先修課程彼此間聯(lián)系性差、課程體系較為松散的教學模式，難以體現“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”專業(yè)課程多學科交叉融合的特色，導致其教學存在基礎理論知識與實際工程應用之間脫節(jié)的現實問題。

②“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程設計以及課內實驗的教學環(huán)節(jié)在實驗器材方面也存在一系列比較現實的問題，如：現有的實驗室都是面向傳統(tǒng)的機械制造專業(yè)開設的，功能相對比較單一，實驗設備智能化程度不高，物聯(lián)網裝置通信接口缺失，不能有效地開展課程設計以及課內實驗教學，無法滿足智能制造專業(yè)物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策的應用開發(fā)需求。

③“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”屬于多學科交叉課程，涵蓋機械、電氣、自動化到控制等眾多學科，涉及的知識點也相對較多，且存在碎片化、離散化等特點，大多數學生在學習的過程中會感覺到消化困難，進而失去學習熱情。尤其是課程設計以及課內實驗的教學環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)實驗基本上屬于原理驗證類實驗，而物聯(lián)制造實驗需要在基于開發(fā)模塊的平臺上進行，缺乏系統(tǒng)性和整體性，很難從根本上提升學生對智能物聯(lián)制造技術的總體認知。

2 “智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學模式探索

針對“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”教學過程中的現存問題，一方面需要整合學院現有的實驗教學資源，建設物聯(lián)網智能制造綜合應用實驗室，采購先進的物聯(lián)網相關通信模塊（如圖1 所示），搭建智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的硬件以及物聯(lián)制造綜合實訓平臺，滿足典型智能物聯(lián)制造應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)要求；另一方面需開發(fā)多課程教學模式的探索和改革，系統(tǒng)全面地提升學生的專業(yè)素養(yǎng)、工程應用能力。

圖1 物聯(lián)網相關通信模塊

2.1 構建課程教學新體系

智能物聯(lián)制造系統(tǒng)依托于應用物聯(lián)網技術的體系結構，自下而上依次為感知層、傳輸層、網絡層和應用層，支撐技術包含RFID 射頻識別、智能傳感器、云端傳輸、移動終端APP 等[8]。僅僅依靠單一課程“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”無法完全覆蓋各知識點和技能，需要綜合運用這些知識，原因在于實際的智能制造執(zhí)行系統(tǒng)工程實踐問題具有復雜性，學生必須具備綜合分析和處理問題的能力，因此需確?！爸悄芪锫?lián)制造系統(tǒng)與決策”的綜合性和工程實踐性，才能真正培養(yǎng)出能解決復雜工程問題的復合型人才（見圖1）。

根據“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程性質和課程培養(yǎng)目標，建立課程設計以及課內實驗分層次、分對象和階段及多元化的教學體系。體系覆蓋常規(guī)基礎性實驗、創(chuàng)新性實驗、綜合實驗設計、前沿性研究等多方面內容。

①分層次：按照“鞏固基礎理論知識、加強實踐操作技能”的教學要求和目標，將課程設計以及課內實驗進行分層設計，從低到高依次為常規(guī)基礎性實驗、創(chuàng)新性實驗、綜合實驗設計、前沿性研究四個層次。

②分對象和階段：根據專業(yè)的不同需求，可將課程設置為必修和選修教學模式，結合課程學時分配，設置個性化的實驗項目，同時，對于像智能制造工程這種實踐要求相對較高的專業(yè)，不僅開設基礎理論知識教學，還設置相應的課程設計和課內專業(yè)實驗，結合學科研究前沿，開展前瞻性研究，讓學生在本科階段就能掌握新技術和新方法。

③多元化：除了開設傳統(tǒng)的基礎理論知識教學以及相應的課程設計和課內專業(yè)實驗之外，教師盡可能鼓勵學生參與實驗室的課題研究，尤其是開發(fā)性實驗項目，包括本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗項目等，讓學生全方位提升知識水平和技能。

2.2 創(chuàng)建課程培養(yǎng)新目標

江蘇科技大學智能制造工程系在基礎、綜合、創(chuàng)新研究教學模式的基礎上，結合物聯(lián)網技術制造領域發(fā)展現狀，進行了全面的基礎理論知識和實踐操作技能相結合的研究。緊緊圍繞智能物聯(lián)制造系統(tǒng)基礎知識認知、人工智能算法（智能決策方法、層次分析法、灰色理論、遺傳算法、博弈決策、深度學習以及分布式決策方法）、物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策的基礎框架、物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策的典型應用等知識模塊，將船舶、航天、汽車等制造行業(yè)的應用案例融入教學實踐中，將基礎理論課程教學內容與教學大綱相關聯(lián)，依托江蘇科技大學海洋船舶教學背景，“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程創(chuàng)建了課程培養(yǎng)新目標。

①理解智能決策算法，包括層次分析法、灰色理論、遺傳算法、博弈決策、深度學習、分布式決策等算法；合理利用不同決策算法，解決實際工程問題中的決策問題。

②理解實際制造執(zhí)行系統(tǒng)中的主動感知與動態(tài)優(yōu)化決策問題，建立合適的數學模型，并選取合適的算法解決實際工程問題，制訂決策和優(yōu)化方案。

③理解智能調度算法，包括以搬運載體為核心的主動配送模型、基于物聯(lián)網的智能調度載體、智能調度方法在物料配送中的應用等；針對不同工程問題的調度問題，制訂合理的調度方案并實施。

④掌握物聯(lián)制造系統(tǒng)智能控制體系的構架，掌握智能物料精準配送方法以及物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)自組織優(yōu)化配置方法，并能根據控制工作邏輯和相關關鍵技術，設計某一具體物聯(lián)制造系統(tǒng)的控制體系，能夠用任務驅動的制造執(zhí)行系統(tǒng)動態(tài)配置方法解決問題。

讓學生能將相關專業(yè)知識和數學模型方法，用于智能產品及系統(tǒng)的設計與制造、檢測與控制、運維與管理的復雜工程問題的分析與綜合；能根據解決方案進行技術參數的設計計算與優(yōu)化；能夠完成系統(tǒng)或工藝流程設計，并體現出創(chuàng)新意識。

2.3 改進實驗教學模式

物聯(lián)網技術在智能制造領域正面臨飛速的發(fā)展，傳統(tǒng)的智能制造實驗室需要進行優(yōu)化，同時將不滿足需求的實驗項目更新?lián)Q代，下面從四個層次（如圖2 所示）對江蘇科技大學智能制造工程系開設的“物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程的實驗模式進行改進和升級。

圖2 課程實驗模式改進措施

①基礎性實驗：要求學生掌握人工智能算法（智能決策方法、層次分析法、灰色理論、遺傳算法、博弈決策、深度學習以及分布式決策方法）的方法步驟并能熟練應用、熟悉物聯(lián)網技術的通信模塊，并能獨立完成制造裝備互聯(lián)。教師作為引導者，指出容易忽視的問題；學生作為實踐者，占主體地位。如此模式，學生在裝備互聯(lián)的基礎上，完成各項基礎實驗以及采集數據的預處理等工作。

②設計性實驗：主要用于培養(yǎng)學生對基礎理論知識和實踐操作技能的綜合能力，提升學生的邏輯思維能力和解決問題的能力?；谇捌诘幕A理論知識，學生獨立或者小團隊合作完成相對復雜的制造系統(tǒng)的實驗項目和物聯(lián)網模塊。仍然采用“教師引導，學生自主實踐”的教學模式，當面臨設計障礙時，師生互相探討，教師幫助找出問題，學生獨立或者小團隊合作尋找解決方案和途徑。

③研究創(chuàng)新性實驗：學生需要具備扎實的基礎理論知識和較強的實踐操作技能，以問題為導向，以研究課題為核心，結合物聯(lián)網制造技術當前研究熱點，進行探索和創(chuàng)新性研究。同時，教師給予“物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”相關課程創(chuàng)新課題支持，推薦優(yōu)秀學生申報省級以上創(chuàng)新課題。

④學科前沿性研究：隨著物聯(lián)網技術的更新?lián)Q代，物聯(lián)制造系統(tǒng)的基礎理論和實驗室設備也需要與時代接軌，這也就需要區(qū)分出優(yōu)秀學生，讓其掌握最先進的芯片、物聯(lián)網、器件以及嵌入式系統(tǒng)應用等方面的技術，緊跟國際前沿，鼓勵學生參加省級、國家級學科競賽。

3 “智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學開展

“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”課程教學開展除了前期在課堂教學中引入新概念或新實例，通過難點和重點講解引導學生循序漸進地掌握和理解知識點。課程實驗作為基礎理論知識的擴展和延伸，同時支撐和輔助智能制造專業(yè)課程設計、各類學科競賽、專業(yè)綜合實訓及專業(yè)畢業(yè)設計，在課程教學開展中起著舉足輕重的作用。課程中，教師為引導者，學生為實踐主體，并通過個人和小團隊的形式，以課題或者學科競賽來開展，具體來說主要分為以下三個階段：申請階段、實踐階段以及課題驗收階段。

3.1 申請階段

申請階段，需要整合各類課題申報和學科競賽渠道，首先發(fā)布給學生，接著學生和教師雙向選題，選定學生后進行分組并分工。指導教師需對項目的開展方式進行講解，并對項目的具體內容和要求做詳細解讀，分析各類課題實驗項目和學科競賽的特點和實踐方式、考核方式，幫助學生清晰并明確地了解各類實驗項目。

指導教師作為引導者，需結合學生的實際情況和特長，按照團隊成員之間相對平衡的原則，進行合理的分組，讓學生明確自己的實驗內容并分階段按時完成，同時也可保證學生之間形成良好的競爭機制，讓課程和學科競賽高質量完成。

3.2 實踐階段

實施階段直接決定實驗課題和各類學科競賽的最終效果，屬于實驗課程教學中最重要的環(huán)節(jié)。指導教師需要給予學生準確且積極的引導，同時充分調動學生的主觀能動性，保證學生能按時按質完成實驗項目的設計與開發(fā)。指導教師應該在總體方案設計、設備聯(lián)網設計、代碼調試以及功能測試等方面進行指導，積極解答學生在實驗項目實施過程中遇到的難點，順利推進實驗課程的整體教學，保證學生在此過程中得到真正的成長。

3.3 課題驗收階段

實驗課題完成后的驗收和評估是實驗課程教學中必不可少的一環(huán)，包括課題項目進展報告和技術報告的提交、項目答辯、項目完成情況評估以及最終的資料歸檔等工作。項目答辯作為課程驗收階段最重要的環(huán)節(jié)，關系著整個課題項目的質量評估。指導教師可通過項目答辯，知悉學生的綜合能力和團隊項目完成情況，并給出改進建議和優(yōu)化方向，提升學生的綜合實踐能力以及創(chuàng)新意識。同時指導教師還對團隊成員之間的貢獻度以及積極程度進行評價，并最終給出實驗課程教學考核成績。

4 結語

本文總結了智能制造工程專業(yè)新開課程“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”教學中存在的理論與實踐適配度不高、流程圖邏輯不明晰、晦澀難懂、學生學習積極性不高等問題，結合教學現狀，從構建課程教學新體系、創(chuàng)建課程培養(yǎng)新目標以及改進實驗教學模式三個方面進行了課程教學模式探索，探索內容可支撐各大院校智能制造新專業(yè)“智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策”新課程的開設。