新工科物联网实验教学云平台开发与应用

申会鹏，武照云，曹毅，丁浩，邱俊，贺森亮，刘晓霞，冯伟，任宁

（1.河南工业大学 机电工程学院，郑州 450001；2.大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024；3.贝尔数据科技(大连)有限公司，辽宁 大连 116024）

0 引言

“新工科”要求以互联网和工业智能为核心，培养未来新兴产业和新经济所需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。基于此背景与要求，以机械基础实验教学为切入点，将“互联网+”“物联网”“工业软件”“智能制造”“大数据分析”等现代信息技术与理念融入到机械基础课程的实验教学过程中，以物联网实验教学系统、教学轨迹数据分析与评价系统为基础，打造一个集互动学习、实验台设计、虚拟仿真分析、实验台实物搭建、实验台控制与测试为一体的“虚拟-现实”场景，让学生在学习课程内容、开展实验的过程中，充分理解现代数字化设计、智能制造、工业物联网、工业大数据分析等在工程实践过程中的应用[1-2]。

1 市场分析

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》。在当前国内外经济浪潮中，市场对复合人才迫切需求，使得新工科建设已成为高校和社会共识。新工科更加注重学科实用性、综合性与交叉性，也要求新技术与传统技术结合。而采用怎样的教学模式培养新工科复合型人才，是近几年以及未来5～10 年内我国高校教育产业重点发展方向。

“十四五”是建设高质量教育体系的重要阶段，在此阶段我们要夯实教学“新基建”，托起培养高质量人才，以改革创新为根本动力，聚焦教育发展的重点领域，推动信息化时代教育创新，大力开发优质数字教育资源，促进新技术与教育教学深入融合，培育教育高质量发展新动能。建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程，推进课程质量建设和虚拟实验融合项目。增加国家财政性教育经费投入，助力建设一流本科和虚拟实验项目，2020年，全国教育经费总投入为53 014 亿元，比2019年增长5.65%。其中，全国高等教育经费总投入为13 999 亿元，比上年增长3.99%。2021年投入56 089亿元，比2020年度增长5.82%。在国家大力扶持激励下，课程一流建设和虚拟实验云服务将会有质的飞跃。

然而，如何将“互联网+”“物联网”“工业软件”“大数据分析”等现代信息技术融入到新工科的实验教学，培养出适合新工科需求的高端复合型人才，是亟需解决的问题。当前高校机械基础实验的特征是：1）缺乏创新性。教具或实验多具传统性，千篇一律，不能很好地发挥学生的创造力。2）缺乏工程性。实验缺乏工程验证性，理论和实践结合还存在一段距离。3）缺少素质评价特性。不能完全符合新工科下的素质教育要求。

2 新工科实验教学改革方案

为解决以上问题，探索将“互联网+”“物联网”“工业软件”“智能制造”“大数据分析”等技术走进教学、融入教学，开发“新工科”物联网实验教学共享平台，以此培养出理论扎实、实践能力强的复合型人才。

传统型的机械基础课程实验大多数是走马观花式的学习[3-4]，甚至学生不需要动手操作，其效果可想而知。为扭转这一局面，尝试创新实验形式，以案例贯穿为核心，以模块化拼装为导向，逐步让学生打开思路。将《机械原理》的“运动学/动力学”实验和《机械设计》的“运动副和零件结构与性能”实验有机联系起来，贯穿机械基础课程的内容体系（运动-尺度-结构-性能），树立工程观念，为学生抽象机器运动本质和进行机器结构设计提供实验平台。提升实验教学的工程性和设计性，灵活运用课程内容、知识、软件来分析和解决实验、工程实际问题，而不是验证、重复课程理论知识[5-7]。

图1 新工科物联网实验教学平台整体架构

为便于学生学以致用、学有所用，经过课题组研究课讨论，同时结合目前实验教具现状，开发一套面向新工科学生能力培养的物联网实践教学云平台，学生在平台可完成实验台认知、实验原理分析[3-5]、实验设计、虚拟装配、实物装配、电动控制、实验测试、数据采集与分析、实验报告等环节；教师可通过该平台进行实验项目的发布、过程数据管理、实验报告批阅、学生能力掌控等操作；职能部门可以通过平台获取学生的全程跟踪数据，实现素质教育评价[6-7]。

实验项目采用模块化组合设计，一个实验台能够开展多学科多个实验项目，不仅节省开支，解决多课程内容和实际工程问题，而且为学生抽象机器运动本质和进行机器结构设计提供实验平台，还为课程设计、毕业设计和后续课程提供实验条件。

3 新工科实验教学平台特色功能

新工科下的实验教学定位为培养学生应用工程方法和实验技术分析和解决工程问题，为未来从事机械设计工作树立工程观念与意识。本项目开发的新工科物联网实验教学平台具有线上虚拟线下现实融合、数字化技术应用、教学数据分析评价系统等创新特色。

图2 新工科物联网实验教学平台

1）线上虚拟线下现实融合。

新工科物联网实验教学平台通过搭建课程学习APP和实验教学云平台，实现了线上学习线下实践、线上虚拟仿真线下实际操作、线上互动讨论与线下实验数据等不同类型的线上虚拟线下现实融合场景；通过互联网系统、物联网（IOT）终端等技术手段实现了知识共享、数据集成，让学生的学习不再局限于课堂与书本上，而是通过手机APP终端、WEB软件系统、线下实验相结合的方式。

图3 线上虚拟线下现实融合

2）数字化技术应用。

实验教学平台将课程知识实现了流程化、规范化、软件化；平台系统模拟智能制造工厂定制环境，学生可以在系统上利用数字化设计相关的工业APP实现实验设备的结构设计、虚拟仿真、在线装配、生成物料BOM等过程；也可实现实验设备运动控制、数据采集和数据分析等过程。

3）教学数据分析评价系统。

目前对学生实验课程的常规评价基本停留在对实验结果与实验报告的评价上，未体现学生在实验过程中多维度能力，例如对实验知识的掌握程度、实验创新性、完成效率、过程投入度等评价；新工科物联网实验教学平台旨在建立基于学生实验过程数据多维度的综合能力评价模型，收集学生在互联网平台上开展的一系列实验活动痕迹产生的数据，制定学生综合能力评价指标与评价曲线，逐步形成基于过程数据的综合能力评价体系。

4 创新性可组装实验案例开发

已开发用于工科多学科实验的工程搭建项目5类8种。标准实验机：固定实验台有2类3种可供选择；可重组实验机：提供3类5种机构构型。

固定式实验台主要有含滑块调整机构的曲柄滑块机构、不含滑块调整机构的曲柄滑块机构、六连杆机构3类机型。主要由机械部分、动力部分、电控部分、数据采集部分构成。

组装式实验台主要包含模块化可重组曲柄滑块机构（四杆机构）、肘杆式机构（六杆机构）、双滑块机构（九杆机构）3类机型，以及电动推杆和曲柄滑块送料机构。学生可通过模块拼装的形式进行实验台的组合搭建。

3类可重组冲压机构实验台搭载公用的控制系统、测试系统、送料系统，可以构成冲压生产系统。冲压生产系统包含可重组冲压、送料机械（机构）系统，模块化控制系统，开放式测试系统；其中机械系统包括可拆分重组的曲轴、可调连杆、组合滑块、可重组箱体、组合导轨滑块等；测试系统具有多类传感器（位移、转矩、转角、振动、冲压力等）及数据采集系统；电控系统包括电动机、控制器、控制柜和软件系统等。

新工科物联网实验教学平台提供多样运动副单元和机架单元，通过可重组式的模块化装配，学生可搭建出不同的机器，激发学生创新意识。

5 新工科实验云平台初步应用

新工科物联网实验平台目前已在多所高校进行了试点应用，主要开展了机械原理与机械设计的相关实验和课程设计，以后将会开设更多的课程。通过实践发现在线体验和线下实物装配大大激发了学生兴趣，课下预约装配2～4 h可完成，课上实验1.5～2 h可完成。在实践过程中，学生也体会到了机器运动方案和结构方案的多解性，同一个机构可组装出不同的机器结构，更大程度上增强了学生的实践力和创造力。

6 新工科实验云平台的前景分析

图4 数字化虚拟装配

图5 云平台数据评价系统

图6 标准固定式压力机

图7 标准组合式压力机

新工科物联网实验教学云平台的核心竞争力有新工科实验教学课程、线上线下互动体验实验系统、模块化可重组实验设备、物联网数字化实验室、实验能力AI综合评价系统、协同创新实验系统与共享平台等，能够为国内高校提供从实验课程、软件系统、硬件系统、数据服务、共享平台“五位一体”的实验教学解决方案，符合教育主旋律，有很大的推广前景：

图8 组合式压力机模块化装配的多样结构

图9 实验云平台初步应用

图10 实验云平台机械原理实验

1）对高校学生而言，以互动体验（案例、计算、课程设计、实验等多个维度）为核心，提升高校学生的自学能力和学习效率；

2）对高校教师而言，以丰富的特色案例为核心，提升高校教师教学效率和教学效果；

3）对高校教育而言，提升教学参与者对“数字经济”的深度理解，培养新一代机械工程师，通过实验教学共享平台也实现了高校教育资源的均衡。

7 结论

1）开发完成了新工科物联网实验教学云平台，并进行了初期应用，可提供适合各校特色的实验方案。

2）新工科物联网实验教学平台通过“互联网+”技术，将各种虚拟实验与现实实验场景和空间、资源和工具间彼此联通、相互融合，让“以学生为中心”的学习范式正从基于单一空间与媒体的个体建构向基于多元空间与富媒体的分布式认知转变。

3）新工科物联网实验教学平台综合使用物联网在智能感知、网络传输和智能处理等方面的技术特征，搭建概念全新的集趣味演示、虚拟装配、实验设计、实验测试、实验分析于一体的综合性智能实验室，培养了学生的创新意识和综合能力。

4）新工科物联网实验教学平台提出了基于实验教学过程数据的综合能力评价体系，基于过程数据，评价学生对知识掌握程度及实践动手能力；该评价体系将有利于授课老师实时掌握学生对知识掌握与运用情况，不断推进理论授课与实验教学改革，为高校综合评价学生能力提供客观数据支撑。