基于智能制造挑战赛的高职院校工业控制网络课程教学改革

陈元凯 刘魏晋

摘  要：“西门子杯”中国智能制造挑战赛作为我国智能制造领域级别最高的赛事，无论是在竞赛要求还是在竞赛赛题上均以企业中的实际项目、实际设备为背景，全面锻炼学生技能和工程创新能力。本文依托智能制造挑战赛，结合高职院校“工业控制网络”课程的实际情况，从课堂教学内容和实践教学内容两方面探索了“工业控制网络”课程的教学改革。

关键词：智能制造挑战赛  工业控制网络  高职院校  教学改革

中图分类号：G71                                文献标识码：A                  文章编号：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  中国智能制造挑战赛简介

培养创新人才是我国实现从制造业大国向制造业强国转型以及“中国制造 2025”国家发展战略目标的重要支撑和保障[1-2]。在这一大的背景下“西门子杯”中国智能制造挑战赛（以下简称智能制造挑战赛）应运而生。智能制造挑战赛自2006年发展至今已经成功举办13届，全国有近600所高校、1000余个学院参加，大赛已成为中国智能制造领域规模最大、规格最高的国家A类竞赛[3]。竞赛内容涉及智能制造领域中前沿的科技创新、产品研发、工程设计和智能应用等，包含逻辑控制、工业运动控制、工业网络、过程控制、智能创新等多个赛项。

以工业网络赛项为例，该赛项分为本科组和高职组，其中高职组是以实际企业中的工业网络项目作为竞赛赛题，以真实的工业设备和工业环境作为赛场，全面锻炼学生的网络操作技能以及各类网络的设计、组态、配置和调试等能力[3]。

2  参加智能制造挑战赛暴露的问题与解决方法

我校一贯鼓励大学生积极参与各类竞赛，重视提高他们的实践动手能力，坚持理论联系实际培养符合企业需求的技能型人才。以笔者所在电子工程学院为例，自2017年以来，已经连续多年参加智能制造挑战赛工业网络赛项，取得挑战赛国家级特等奖一项、国家级二等奖一项、省级奖项多项，但在获奖的同时也暴露了几个明显的问题。首先，智能制造挑战赛只能选拔少数学生参加，不能使所有同专业学生受益，这势必会导致学生之间能力水平产生分化;其次，为了获得好成绩，参赛学生往往需要花费大量时间进行竞赛训练，时间一长容易导致学生的课堂学习效率低下，甚至会影响其他课程的学习，这也是高职学生参加各类竞赛所暴露的普遍性问题。

解决这类问题的关键在于需要在课堂教学与竞赛训练之间找到一个平衡点[4]，即将竞赛内容细化为多个所有学生都能参与的教学项目，把常规的竞赛训练融入到平时的教学之中，这样可有效地避免参赛学生与不参赛学生之间能力的分化，又能兼顾竞赛训练与课堂教学，因此课程教学内容和实践教学内容的改革至关重要。

3  基于智能制造挑战赛，推动工业控制网络课程的教学改革

作为新型基建的核心科技领域之一，工业互聯网在中国制造2025重大战略部署中占有举足轻重的地位。在这一大的背景下工业控制网络技术得到了长足的发展，工业控制网络课程也成为了高职院校机电一体化、电气自动化等工科专业一门重要的专业课。下面将依托智能制造挑战赛工业网络赛项，具体探索工业控制网络课程的教学改革。

3.1 工业控制网络课堂教学内容改革

“工业控制网络”课程是一门专业性较强的课程，旨在培养学生运用工业网络相关知识分析和解决工业控制网络领域实际生产中各种工程性问题的能力，强调理论与实际相结合[5]。“工业控制网络”课程是从工业通信及工业网络技术的基本概念和原理出发，按照深入浅出的原则，具体地将课程内容细化为了包括工业网络基础、工业现场总线技术及应用、工业以太网技术及应用及工业触摸屏控制技术在内的四大模块，具体的模块划分情况如图1所示。

其中，工业以太网技术及应用模块主要包括Profinet以太网通信、工业网络交换和工业网络稳定与安全三大部分。具体而言，工业网络交换部分包括工业以太网交换机软硬件及配置、工业以太网无线通信、三层工业网络路由等内容;工业网络稳定与安全部分则包括交换机口令与访问控制、工业冗余环网、虚拟网络VLAN以及工业防火墙等内容。

“工业控制网络”课程几乎覆盖了所有工业网络的主要技术，各个技术通过各种方式组合即可适应于不同的工业现场环境[5]。而智能制造挑战赛工业网络赛项的赛题正是以各类智能工厂、智能车间、智能产线中实际工业网络为应用背景，重点考核学生面向实际工业生产通信网络的技术需求分析、网络结构设计、工业信息安全设计以及网络故障处理等能力。因此，将“工业控制网络”课程内容划分为工业网络基础、工业现场总线技术、工业以太網技术和工业触摸屏控制技术四个模块，既可紧密与生产实践相结合，又能将智能制造挑战赛的相关竞赛要求贯穿于课堂教学之中，有助于学生深入掌握各类工业控制网络相关技术，进行工业网络的设计与维护。

3.2 工业控制网络实践教学内容改革

“工业控制网络”课程内容涉及的理论知识较多，学生在课堂教学中主要接受的是理论知识的学习，所接触到的各类工业网络配置、网络结构等均为书本上的内容，认识的网络线路、工业以太网交换机、工业无线通信模块等都是图纸上的线条和符号，与实际工业现场脱节严重。而按照智能制造挑战赛的竞赛要求大到智能工厂、 车间、生产线的设计，小到设备的选型、IP地址的规划、虚拟局域网的配置和甚至网线的制作等都要与实际生产相符[6]。因此，在“工业控制网络”理论课程讲述的同时，必须大量引入“工业控制网络”相关实践项目，在实践中增加学生对工业网络各单元操作的直观认识，使学生将理论和实践相结合，牢固掌握所学知识。

“工业控制网络”课程以前共安排了3个实验项目和一个实训项目，分别为西门子S7-300现场总线通信实验、西门子S7-1200工业以太网通信实验、工业交换机网络配置实验以及针对西门子S7-1200PLC的工业触摸屏远程监控实训项目。通过参考智能制造挑战赛工业网络赛项的要求，对课程的实践项目进行改革，保留原有实践项目并新增工业以太网线制作、工业冗余环网搭建、工业无线网络通信、虚拟网络VLAN划分等实验，具体的实践项目如表1所示。

4  结语

“西门子杯”中国智能制造挑战赛的内容和要求无论是对于课堂教学还是实践教学都可以给予一定的启示，只有积极利用智能制造挑战赛的相关资源并针对实际问题，才能真正实现以赛促教、以赛促改，充分发挥智能制造挑战赛对于职业教育的推动作用。

参考文献

[1] 吴晓蓓.中国制造2025与自动化专业人才培养[J].中国大学教学，2015（8）：9-11.

[2] 杜传忠，杨志坤.德国工业4.0战略对中国制造业转型升级的借鉴[J].经济与管理研究，2015，36（7）：82-87.

[3] 张贝克，元娜，张昕，等.“西门子杯”中国智能制造挑战赛倡导的理念[J].自动化博览，2018（8）：16-21.

[4] 叶茎，何琼，盖超会.基于职业技能竞赛的传感器课程教学改革研究[J].计算机教学，2014（3）：114.

[5] 岩淑霞.高职工业控制网络课程改革研究[J].河北农机，2014（12）：38-39.

[6] 阎群，李擎，李希胜，等.依托智能制造挑战赛探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理， 2020，37（4）：20-23.

[7] 刘桂涛，李志敏，贺秋冬.“中国制造2025”背景下自动化专业人才培养质量提升路径分析[J].信息通信，2017（3）：281-282.

[8] 邢广成，董燕飞.《中国制造2025》背景下自动化专业人才培养模式改革与发展研究[J].高教学刊，2018（23）：5-7.