工业互联网教学体系探索

王印军 杜彦斌 李健 朱琪 陈鹏

摘 要：工业互联网是以物联网为基础、以提高工业制造效率为目的的一门学科，涉及多知识点的交叉融合，也是智能制造专业的核心课程。针对工业互联网教学中存在的典型共性问题与不足，本研究以新工科建设背景下对培养智能制造专业人才的要求，开展工业互联网教学体系探索研究，提出了提高工业互联网教学效果的举措和方法，包括构建优化培养方案、建立联合实验平台、加强学科竞赛、培养专业教师队伍、改善教学评价体系等。通过教学改革提高工业互联网教学效果，提升学生的实践与创新能力，为培养智能制造专业人才提供有力支撑。

关键词：工业互联网；物联网；智能制造；实践教学；教学改革

一、概述

工业互联网是以工业为主体、以网络信息交流为手段，其本质是协调生产和经营各环节的同步，实现工业的数字化、智能化和自动化，其目的是提高企业的效率和生产速度，降低成本，提高产品质量，提升客户体验［1］。此外，通过实时的数据和信息交换，企业可以更好地了解市场和客户需求，以便及时调整产品和服务，增强企业的竞争力［2］。当前，工业互联网具有智能制造、个性定制、网络协调、数字化管理等模式，给工业和产品赋能和赋值，有力地促进了工业的降本增效的快速智能发展［3］。工业互联网是在计算机等技术发展的基础上，将嵌入式开发、人工智能、互联网、信息通信、智能制造、传感测量等技术结合，运用大数据分析与智能管理，实现制造业的数字化发展。工业互联网应用涉及制造业、物流、能源、军事等多个领域，智能工厂或智能产线是工业互联网的一个具体应用案例［4］。工业互联网的普及和应用给整个产业链带来了巨大的变化和机遇，随着数字化、智能化、信息化技术的不断推进和使用，工业互联网将改变传统产业的业务模式，将成为产业升级和转型的重要推动力量，并对经济社会产生深刻的影响［5］。

二、工业互联网课程特点

工业互联网是物联网在工业应用中的一种体现形式，其特点除了包含物联网的特征外还具有工业的特点［6］，工业物联网主要由感知层、网络层和应用层组成。

感知层是物联网的核心，其作用是采集设备和产品状态的关键信息［7］。感知层包括传感器和短距离通信技术，传感器采集的物理量包括温度、振动、位置、视频、声音等。短距离通信主要用于传感器到采集终端的数据传输。网络层是连接感知层和应用层的纽带，它的作用是将传感器采集的信息传输到应用层和将应用层下发的命令传输到设备或执行机构。网络层主要由网络技术和网络通信协议组成，网络技术是将传感器或信号采集终端的信息传输的一种远距离通信技术，主要包含LoRa、5G、以太网等通信技术。网络协议主要由HTTP、MQTT、CoAp等技术组成，目前MQTT是工业互联网和物联网主要的通信协议。应用层是工业互联网用户和程序的接口层，具有处理信息和做出科学决策的功能，主要处理应用程序与网络层的信息交换和命令下发，以及关键信息的可视化管理等。

工业互联网涉及课程有“网络通讯技术”“嵌入式开发与应用”“传感器与检测技术”“无线传感技术”“射频识别技术原理与应用”“现场总线与工业以太网”“机器学习”等。智能制造专业课程体系很难兼顾机械制造专业课和全面的物联网专业课，所以支撑工业互联网学科的课时相对较少，可见智能制造专业中工业互联网课程体系设计难度之大，这就需要对工业互联网教学体系进行合理的规划与创新性的探索。

三、教学体系现状与不足

高校作为培养高层次人才的主战场，应有针对性地建设工业互联网教学体系，有针对性地培养智能制造专业人才。工业互联网是以物联网和工业制造为基础，以提高工业生产效率、降低生产成本的学科。通过教学与实践相结合的教学方式，增强学生对工业互联网的整体认识，提升学生专业技术［8］。目前工业互联网教学体系的现状与不足如下：

（一）传授知识形式单一

工业互联网除了需要多门专业课作为支撑，还要结合各工业生产销售特点实现智能控制。目前，针对智能制造专业的工业互联网课程，教师主要通过PPT讲解对学生进行知识传授。虽然教师能通过多媒体教学对知识点进行罗列和讲解，但是由于智能制造专业学生基础知识的薄弱和缺少实践经验，很难深入理解各知识点的精髓。单单讲解教材知识点会让学生产生抵触心理，实训环节可以提升学生兴趣，但目前实训环节又安排在理论课之后。长时间枯燥知识点的灌输会让学生失去耐心和兴趣，降低了学习效果。

（二）师资力量薄弱

由于工业互联网涉及了多门专业学科，机械学院精通工业互联网全部学科的教师不多，加上随着时代的进步，许多新技術相继出现，单独机械学院教师很难应对工业互联网高质量教学的要求。教师需要具有较广的知识面、丰富的实践经验，对工业互联网工程有一个全面的知识系统框架。教师与校外交流等方面比较少，没能进行多方位学习，缺少借鉴教学经验。缺少专业教师和教师本身知识面不够，导致师资力量薄弱，削弱工业互联网教学成效。

（三）实验设备不完善

实训教学是培养学生实践和动手能力，快速帮助学生生动理解工业互联网知识点的有效手段。目前工业互联网实验设备是利用物联网实训平台，主要应用领域是交通、农业和家居生活，其监测目标、信号传输方式和知识侧重点与工业互联网有很大的区别，远远不足以满足课程的要求。工业互联网实训设备应该立足于工业，信息联通和控制只起到辅助作用，应建立以工业为主的物联网，包括几个典型的几个工业应用案例。

（四）缺少深入实践

在工业互联网教学中，只传统讲授知识点和开展几次实验不足以让学生深刻理解和灵活运用知识点。目前，工业互联网实践案例大多以物联网为主，很少涉及工业生产和工业经营。物联网应用对象更侧重于农业、交通以及家居生活，而工业互联网应用目标应该是工厂、企业等工业性质的服务对象。工业互联网实践可能只有短短的几个课时，学生很难深入地完成课程实践。由于基础知识不扎实和实践操作机会少，降低了学生参加课程相关竞赛和创新项目的积极性。

四、工业互联网课程教改措施

工业互联网是多知识交叉融合的复合学科，根据学科特点和智能制造专业人才培养的目标，针对传统教学体系存在的不足，从优化培养方案、建立交叉融合的教研平台、加强多学科交叉融合学科竞赛、培养专业教师队伍和教学评价体系等五方面进行探索。

（一）优化培养方案

工业互联网课程需要多门专业学科支撑，例如机械制造基础技术、嵌入式开发、传感器与检测技术、总线技术以及控制理论等。根据教育部提出的“以学生为本，知识传授、能力培养、素质提高协调发展的教育理念和以能力培养为核心的实验教学观念”为指导［9］，以提升学生创新能力、实践能力、自学能力为目标，优化工业互联网课程体系，制订多层次的智能制造专业培养方案。以理论教学和综合实践教学为手段，为国家和社会培养具有扎实基础知识、较强实践能力、能分析和解決工程问题的合格优秀人才。通过调研企业和市场需求，合理规划工业互联网相关专业课程，制定项目实战和理论教学的混合培养模式。引入智能制造专业职业规划课程，结合理论授课内容，定期开展职业素养与就业指导课程。制定跨学院、跨专业的合作交流制度，提高学生交叉学科知识的认识与实践。通过工业互联网实训实验室，引入多种工业互联案例，开设工业互联网课程设计实习，建立多学科交叉融合的实验教学平台。

（二）建立实践实验室

目前工业互联网实验室基于物联网实验室为基础，缺少工业应用案例。智能制造专业的工业互联网实验室的硬件配置应以加工制造为核心，设计以工业制造、销售的贴近企业需求的实践项目，例如智能工厂、智能产线和智能销售的工业互联网实践案例。实践设施和硬件能根据不同的设计需求自由组合和搭配，满足选手自主创新的需求，激发学生的创造性和学习兴趣。工业互联网实验室建设由基础教学、应用实验、创意创新三个方面构成，基础技术和行业应用协调支撑这三个方面，贯穿工业互联网整个学习过程。实践教学设置不同难点等级的实验项目，遵守从简到难的学习习惯。根据工业互联网技术的发展和国家人才需求情况，定期更新实验室设备和实践项目，保障传授知识的时效性。根据学生兴趣和能力制定不同的考核指标与要求，因材施教发掘学生的创新潜力。结合教师研究方向和时下竞赛要求设置创新性的实验项目或课题，开拓学生实践创新视野。

（三）加强学科竞赛

通过推进学科竞赛工作体制机制改革，形成学校统筹指导、学院主责推进、基地主体实施、师生踊跃参与，导向明确、激励有效、推进有序、奖惩有度、成绩突出的学科竞赛工作体系，不断提高人才培养质量，为学科和专业建设提供有力支持。针对学科技术快速发展和学科竞赛的日趋激烈，建立工业互联网竞赛专用实训实验室，并提供竞赛级设备和仪器，增加与竞赛相关的实践项目，开展学科前沿调研与实验。根据竞赛性质和级别制定不同等级的竞赛奖励制度，鼓励学生参加学科竞赛，实现以赛促学的目的。聘用或设置专职竞赛的辅导教师，为参赛学生在知识和技术上提供有力的支持和指导。鼓励跨学院竞赛团队组合，通过多学科融合人才组合提高团队竞赛实力。根据理念竞赛的题目设置实践操作项目，将竞赛融入日常训练中，提高学生竞赛技术与操作技巧。

（四）培养专业师资队伍

工业互联网是跨专业的、多学科交叉融合的一门新兴学科，涉及物联网、机械制造、商业管理等专业。传统的教师队伍难以完成工业互联网教学要求和人才培养目标。通过跨专业、跨学院和人才引进等方式打造一批复合型、创新性的教师队伍。一是对教学进行相关学科要求，对教师进行计划，有目的地进行培训，逐步提升教师的专业性；二是通过引进物联网专业教师，建设多学科交叉的综合教师队伍；三是加强不同学院教师的沟通交流，取长补短，拓宽教师知识面、提升教学能力和可持续创新力；四是设置教师竞赛上岗机制，鼓励教师投入更多时间和精力投入教学研究和教学活动。

（五）改善教学评价体系

通过成绩评价、实践评价、个人综合评价等建立多元评价体系。建立及时反馈机制的教育评价体系，及时提示教师和学生在学习和教学中的不足，及时提高教学质量。根据人才培养方案考察工业互联网课程的评价体系，提升工业互联网课程设计和竞赛在教学评价体系中的占比，增加科研成果和课堂评价环节。通过理论考试和实践操作的综合考核方式优化教学评价体系，通过分阶段考查学生专业知识掌握度和综合应用能力检验教学质量。制定师生双向教学评价体系，根据学生学习情况分层次分等级对学生评价和问卷进行统计，分析课程教学手段与方式，提高学生学习的效率和积极性。

结语

在新工科建设背景下，根据培养智能制造专业人才的要求，开展工业互联网教学体系探索研究。针对工业在互联网教学体系中存在传授知识形式单一、师资力量薄弱、实验设备不完善等不足，提出工业互联网教学改革措施和方法，构建多层次的教学体系和内容、融入学科工程问题的课程设计、建立联合实验平台、加强学科竞赛、学科竞赛和创新创业驱动的课外创新实践活动等。通过教学改革提高工业互联网教学效果，提升学生的实践与创新能力，为培养智能制造专业人才提供有力支撑。

参考文献：

［1］李培根.工业互联网需要企业生态意识［J］.软件和集成电路，2019（09）：4243.

［2］钟志华，臧冀原，延建林，等.智能制造推动我国制造业全面创新升级［J］.中国工程科学，2020，22（06）：136142.

［3］陶永，蒋昕昊，刘默，等.智能制造和工业互联网融合发展初探［J］.中国工程科学，2020，22（04）：2433.

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［6］高迪，申林山，张立国，等.基于协同育人的工业互联网人才培养路径研究与探索［J］.中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2021（05）：110112.

［7］党中华，翁政魁，毛杰.高职院校工业互联网技术卓越人才培养体系研究［J］.职业技术，2022，21（12）：2533.

［8］吴文昊.工业互联网助推产教融合体系研究［J］.中国信息化，2021（02）：9698.

［9］王晓东，朱华，张亮.加强实验教学示范中心建设促进实验教学改革［J］.实验室研究与探索，2015，34（01）：150153.

基金项目：重庆工商大学校级教育教学改革研究项目（2023036，2022144）；教育部产学合作协同育人项目（220901329191512）；重庆市研究生教育教学改革研究重点项目（yjg212029）；重庆市高等教育教学改革研究项目（223223）

*通讯作者：王印军（1986— ），男，汉族，山东济宁人，博士，重庆工商大学机械工程学院讲师，主要从事智能制造课程建设与人才培养。