数字化与工业4.0时代下机械工程专业中的计算机科学教育

Christine Wahmkow

(施特拉尔松德应用科学大学，德国 施特拉尔松德 18435)

0 引 言

“三分之二的学生都感到对数字化转型准备不足。”这是德国工程师协会(VDI)对933名工科大学生和652名职场新人就“数字化转型时期的工程师教育”所做调查得出的结论。具体而言，在接受调查的工科大学生中，只有11%的人相信自己在计算机科学领域已经做好了充分准备，而56%的被调查者都认为自己根本没有做好准备。对职场新人来说，情况看来更糟：只有9%的人感到自己已做好了相应准备，高达61%的人则认为没有或者根本没有。即使是在对工程师来说最重要的工科领域，也仅有五分之一的学生觉得自己为在相应领域使用IT工具做好了充分准备。[1]

笔者在施特拉尔松德应用科学大学机械工程学院担任计算机科学教授的多年经验证实，目前对工科学生的计算机科学教育大多数还没有超出EVA，即“输入—处理—输出”的水平。如果工科学生仅仅单一地把屏幕上“枯燥”的输出结果作为模拟、建模或计算的成果来看待，则无论现在的编程语言多么现代，开发界面多么吸引人，计算机多么快速，屏幕多么大，都不足以让学生对计算机科学产生真正的热情。工程师教育在德国虽然发展历来已久，但还缺乏各个学科之间的相互融合，特别是还未能把不同学科之间的关联性用数字化形式表示出来。

基于上述存在的问题，笔者产生了一个创新教学方案的想法，即开发一个运用现代数字化教学方法、行之有效的教学方案，目的是激发机械工程专业学生对计算机科学的兴趣，使他们在这一领域为将来的职业活动做好充分准备。本文将介绍数字化教学的现状，以及笔者为开发教学方案从所做教学实验中总结出的项目模型，并在此基础上阐释开发创新教学方案的思路、具体内容、项目指导方法、跨学科合作和从高校教学法以及多媒体运用能力培养角度对该教学方案所做评价。

1 数字化教学的现状

1.1 数字化教学在德国的现状

在数字化和工业4.0时代下，数字化教学是一种现代教学方法，有利于提高教学质量。数字化教学的一个特点是有很多不同的规格和应用方式供选择。如下面的数字化教学范式[2]较为普遍：

——电子学习/在线学习是传统的个人学习范式

——计算机支持的协作学习(CSCL)是理想的小组学习范式

——大规模在线公开课(MOOC)是适合社群(Community)或大众的学习范式

电子学习和在线学习可被视作数字化支持教学的一种传统形式。采用这种方式的理念是激发学习者个人的学习动力并促进他们的学习过程，以及使学习成为可能。相关的学习管理系统可以集成或增添各种移动设备的应用程序，从而能够进行随时随地的学习。此外，课堂教学的数字化使学生可以根据他们的个人需求做课前准备或进行课后复习。

在德国，有效利用电子学习平台具有巨大的扩展潜力。到目前为止，这些系统还仅仅主要用于课程管理，而不是支持学生的学习过程。在许多情况下，系统更多地只是被用于上传电子讲义和学习材料。

计算机支持的协作学习(CSCL)为学生创造在数字化环境中以小组形式一起学习的机会。CSCL的使用对在沟通、语言和数字化领域培养学生的软技能起很大的帮助作用。

开设大规模在线公开课(MOOC)的宗旨是，通过提供免费访问的在线课程，向全世界的所有学生传授学术知识。“开放大学”的理念在此得到充分体现。但这种课程形式在德国普遍来说还不广泛，主要出现在医学和心理学专业。随着科技的不断进步和学习过程的不断新式化，教师首先必须获取/掌握这些领域的技能，并了解数字媒体可为学生学习带来的功能与便利。这种能力被称为“适应性专长”(adaptive Expertise)。

总体而言，在德国，数字化带来的机遇还未得到充分利用。

1.2 数字化教学在国际上的现状

关于数字化教学在国际上的发展，美国最具代表性。MOOCs在美国已经十分普遍，尤其在哈佛和麻省理工学院等精英大学。美国有数百万人注册了此类课程。初步研究已经表明，通过网络课学习可以降低学生的考试不及格率。但批评观点认为，MOOCs既不能代替大学学习，也不能让学生有资格取得大学学位。但这些平台可以为学生通过数字化学习提供扩展知识的机会。[3-4]

经验表明，采用数字化教学和学习方式时，应当首先考虑是否因此可以促进教学内容的传授、提高教学效果。在此，“翻转课堂”之类的教学方法被认为是最佳实践模式。[5]

2 教学实验

开发创新教学方案之前，笔者首先确定了采用项目教学的方式，并通过若干个小型项目在几个小组中展开了教学实验，从中总结出以下针对不同年级学生，可以继续完善的最佳的项目教学模型：

项目教学模型一：在“Arduino Starter Kit”环境下编程，需要配备Arduino微控制器和一系列常规配置的传感器与执行器。让学生通过编程控制LED灯的开关或明暗变化，记录和评估传感器数据、操控电动机，并在他们的智能手机上启动一个小型应用程序。学生虽然只需进行简单编程就可以完成上述任务，但这个小项目能够激发学生的兴趣，并渴望实现自己“更多”的想法。

项目教学模型二：让学生分组，每个小组完成同样的任务。给一个工业生产流程中的一个环节建模，并使用Arduino传感器和执行器来控制。这个任务特别能够激发学生的主动性，让他们可以发挥创造力并看到自己的出色成果。

项目教学模型三：全体学生分组完成一个共同的任务，每个小组完成一个子任务。具体任务是每个小组制作一个工业生产流程中的一个站点，然后把各个站点连接起来，形成一个生产流程(见图1)。学生通过这样的项目便可学习到如何规划并实施工业4.0意义上的生产流程。

图1 工业4.0 的直观化

视频链接：https://www.hochschule-stralsund.de/fileadmin/hs-stralsund/Wahmkow/I40_Jan2018.mp4

3 开发创新教学方案的思路

有了最佳项目教学模型，接下来要回答的问题是：如何从教育学角度巧妙地通过多媒体教学法把类似项目模型融入并固化到教学中？需要考虑到每年都要给学生设计并确定新的、具体的项目任务，教师还要给学生指导，最后评价他们的项目工作。

如果教案仅仅停留在制作讲座课视频，将其在线提供给学生，使学生可以随时随地“上课”，或者做课前准备和课后复习，则这样一定不会达到开发创新教学方案所追求的最终目标，即激发机械工程专业学生对计算机科学的兴趣，使他们在这一领域为将来的职业活动做好充分准备。

重要的着手点应当是以合适的方法为学生提供硬件和软件模块，让他们采用团队做项目的方式，尽量只需要很少的指导就可以把工业4.0(见图2)时代的产品开发和工业生产过程直观地展示出来。

特别需要注意的是，教学对象是机械工程专业的学生，也就是说不能期望他们对计算机科学有特别多的概念。应向学生提供易操作的软件和硬件组件，像模板(Template)和/或明确定义了接口的组件，要能够像拼图一样组合在一起。此原则适用于从基础课到专业深化课的教学，可以提升现代机械工程的教学质量，并可使毕业生的专业能力适应日益增长的数字化劳动力市场的需求。

4 创新教学方案的具体内容

4.1 工业4.0情境下的教学方案

鉴于目前到处都在提“智能”技术，所以笔者设计了一个旨在明确智能技术对工业企业产生影响的项目，图2为项目构思示意图。学生应当通过该项目理解下列事物之间的关系：

——通讯与移动设备

——互联网与物

——模拟与数字化世界；传感器、执行器和微控制器作为接口

——数据库、大数据以及知识和经验的应用

——能源与能源效率

图2 智能技术下的工业4.0

4.2 项目实施中的各个步骤

针对该项目实施中的各个步骤和具体任务，将特别列出涉及的机械工程专业中的传统学科，及其与计算机科学之间的关系。

步骤1

任务：零件仿真与尺寸标注

涉及学科：数学、工程力学、材料技术、热力学等，即涉及机械工程的基础学科，以及高年级的仿真

与计算机科学之间的关系：基于MatLab、Excel等易操作的工具把结果(零件的几何形状、材料等)输入到数据库

步骤2

任务：零件结构设计

涉及学科：CAD

与计算机科学之间的关系：通过提供图形用户界面形式的可操作工具，使用3D CAD(例如Solidworks)进行自动设计，从数据库中读取零件的几何形状并创建CAD文档， 可以连接到ERP系统

步骤3

任务：加工制造

涉及学科：加工制造技术、生产技术、物流

与计算机科学之间的关系：根据交货日期和能源状况(图2)为产品生产放行；根据零件的材料和几何形状智能选择加工工艺和机床；在机械加工或3D打印之间做出选择；在遇到瓶颈时自主找到替代的加工站点；与数据库或通过RFID保持不间断地通讯；对传感器数据进行不间断地记录和评估(图2)。

步骤4

任务：物料流

涉及学科：夹卸技术(Handhabungstechnik)、物流

与计算机科学之间的关系：自动运输系统与最小型机器人的使用

步骤5

任务：质量保证

涉及学科：质量管理

与计算机科学之间的关系：对工艺过程进行不间断的质量监控(IoT)、自动生成质量检测计划

步骤6

任务：可视化

涉及学科：全部学科

与计算机科学之间的关系：在移动终端设备上显示当前状况，并输入和输出指令，以及能够对流程进行主动干预；通过移动终端设备通讯(图2)

步骤7

任务：提供能源

涉及学科：所有与能源有关的学科

与计算机科学之间的关系：加入小型光伏模块和风力涡轮机、压缩能源消耗量、开发虚拟能源管理系统(虚拟电池)、天气预报、把能源价格预测融入到工艺过程中，提高能源效率(图2)

步骤8

任务：回答问题：什么是智能？(图2)

涉及学科：机械工程中的全部学科、计算机科学

与计算机科学之间的关系：“收集”生产过程的所有数据、借助神经网络和统计方法对其进行评估、根据神经网络的建议对过程进行调节

针对各个步骤的实施而言，完全没有必要使用成本高昂的设备。学生只需开发出模型。项目的重点在于让学生明白各个设备的作用、发出的信号、对相关数据的评估、每一个设备的操作对下一个生产环节的设备产生的影响，以及如何使各个设备相互连接。

可使用的硬件包括：现有的低成本3D打印机、现有的低成本电动螺丝刀、Arduino和Raspberry微控制器、机器人(Arduino机器人Braccio，或Raspberry Pi机器人套件，或DOBOT Magican，或FESTO[6])、现有的实验室设备、自己研发的运输系统或机器模型、传感器、平板电脑和智能手机。

软件也无需购买昂贵的。可以使用一些标准的软件(例如MatLab、Excel等)进行仿真和尺寸标注。一般来说，所需的软件系统都是现有的。所需数据库、互联网编程语言、Wifi、远程访问、云端存储都是学校现有，并且可以为项目的实施做相应处理并使用。

5 项目指导

该项目教学的目的是让学生明白：工业4.0并不是建立在全新技术上的，一方面通过各个设备设施以及物的相互连接，另一方面通过对现有大量软件和技术的运用来实现的。为了让学生对此有深入理解，需要自己去思考并动手操作，教师仅提供必要的指导。因此，为学生开发和提供模板(Templates)是一项重要的任务。

该项目要求学生模拟一项现代数字化的产品开发和生产，意味着他们需要用到机械工程专业几乎所有的学科，并要把相关知识与计算机科学建立起联系。有必要注意，不能在计算机技术领域对学生过于苛求。学生应当已经通过讲座课、练习课、实验课等形式充分掌握了机械工程领域的相关学科知识。

为了指导学生做项目，作者开发了一个模块化系统和学习材料，目的是在此基础上促进学生发挥他们的创造力，完成各个步骤(步骤1-8)。

关于模块化系统集成了涵盖诸如以下任务的模板：提供具有部分预定结构的数据库、提供用于从“物”到“互联网”(IoT)数据传输的php脚本、提供用于传输传感器数据的脚本、提供用于通过蓝牙，LAN，WLAN，或者串行通信传输数据的脚本、提供用于评估统计数据或神经网络评估数据的数据准备工具[7]。

学习材料应采用简洁、像食谱一样的语言作为讲义或辅导材料提供给学生。并非每个学生或团队成员都必须阅读所有内容，只要研读了对他们自己需要完成的工作部分重要的内容即可。在处理模板时，学生应当可以使用数字化的学习材料。此外，通过集成了一个学习管理系统(LMS)，得以实现学生之间或学生与教授之间的沟通，因此，每个团队成员都可以看到谁做了什么或谁正在处理什么任务，并可以随时查看工作进展。

团队合作是至关重要的。每个团队成员都有义务在Wiki中记录其工作和工作进度。 在面授课堂上，学生们报告他们的工作进度和成果，讨论他们自己的工作和其他人工作之间的相互依存关系，以使每个人都清楚地知道项目的整体框架搭建如何，以及自己都有哪些具体任务。他们之间相互依存的关系同时也是促进他们完成项目和增进彼此了解的动力。

6 跨学科合作

跨学科合作是指在机械工程学院内部，不同学科之间展开合作来实现一个想法。该项目实施的战略过程必须被理解为是整个学院的发展过程。无论将来教学的发展目标，还是体制上的决策都关乎到整个学院。所以必须与学院里所有相关人员共同构建统一的发展战略。

倡议并实施试点项目，包括通过跨学科合作实施本文介绍的项目都在此起着重要的作用。最理想的情况是，机械工程专业的所有学科都能以战略性和系统性的方式共同推动数字化。

7 多视角评价

7.1 高校教学法视角

让学生自始至终积极参与并设计教学十分有利于其在机械工程专业的学习。虽然该专业现在涉及的学科面很广，但还较缺少教学内容之间的跨学科结合。在数字化和能源转型时期，职业岗位的要求变得越来越多样化。基于数字化理念对教学方法进行面向未来的升级，可确保毕业生能够胜任将来的工作。通过实施互动式教学，可以提高学生的学习意愿，并增强学生的集体感。模块化结构的教学方案则保证它具有很强的适应性，可以在不同情况下得到调整和完善，因此也为教学质量的提高做出贡献。

7.2 多媒体运用能力培养

Dieter Baacke在[Braacke][8]称，项目教学是让学生获取多媒体运用能力的“最佳方法”。如上所述，学生做项目时，教师给学生提供模块和模板形式的学习材料。这些虽然是核心的学习资料，但还不是全部，其他的学习资料需要由学生自主地通过创建与项目配套的Wiki，以数字化的形式制作。

Wiki是一个网站，访问者不仅可以阅读上面的内容，还可以直接在Web浏览器(Web 2.0应用程序)上对内容进行编辑和修改。目的是面向社群收集大家的经验和知识(集体智慧)，并以目标群体可以理解的形式记录下来[Wiki][9]。

通过在Wiki上做记录，任何团队成员都可以随时关注项目进展。可被记录在Wiki中的内容有：每个团队成员的工作部分、工作进度、其他的任务要求、说明工作中的交集、确定相关标准(例如数据类型)、有建设性解决方案的摘录和说明(源文本)。一段时间后，Wiki就会发展成为存满创意和解决方案的真正宝库。当作者在通过小型项目做教学实验时，就把使用Wiki的想法付诸于行，并证实产生了很好的效果。因此，应扩大Wiki的使用范围并使之有进一步的发展。每个学生也应当在学习期间都在Wiki上贡献过自己的知识和经验。同时，项目中的工作与演示报告和视频资料都可以在Wiki中记录下来，学校可以出于宣传的目的向外界发布或提供给感兴趣者。