智能化工程训练中心建设探索

黄海龙， 陈晋市

(吉林大学 工程训练中心，长春 130025)

0 引 言

制造业是现代工业的基石，随着信息技术、新能源、新材料、新装备、新工艺等重要领域和前沿方向的革命性突破和交叉融合，传统制造业正在向全数字化、智能化、云制造方向转型，与此同时德国工业4.0和中国制造2025智能制造发展战略诞生。工程教育是当代教育体系中的重要组成部分，随着全面工程教育理念在国内外教育界不断被提及，全面工程教育对当代教育变革的影响日益明显。高等工程教育是工程人才培养的一个重要阶段，作为工程教育实施的载体，高校工程训练中心为适应工业时代的发展需求，也正在向着数字化、智能化的方向转型升级[1]。

结合工程教育发展的时代背景和工程训练中心的定位与历史使命，提出了智能化工程训练中心的建设理念，通过智能化工程训练中心的建设使现代化高等工程教育理念与工业4.0和中国制造2025发展战略紧密融合，通过工业互联网与智能化的管理面向工程人才培养过程开展现代化工程教育和工程背景下的创新创业教育、提供智能化的服务[2]。

1 智能化工程训练中心体系框架构建

智能制造是基于信息技术，将制造技术与数字技术、智能技术、网络技术集成应用于产品设计、生产、管理和服务的全生命周期，在制造过程中自行感知、分析、推理、决策与控制，具有自感知、自决策、自执行等特征的先进制造过程[3]。

智能化工程训练中心建设是以原有工程训练实践教学平台为基础的数字化软、硬件环境建设和智能化管理与服务平台的建设。数字化软、硬件环境建设包括智能化制造基地和智能化仓储两方面的建设，智能化制造基地建设是将传统制造技术、现代制造技术和特种制造技术的各种机床实现物联网管理，并引入数字化工艺、云制造平台和智能制造平台；智能化仓储的建设实现了对工具库、刀具库和材料库进行分类、编码与管理。智能化管理平台建设包括对智能制造基地的物联网安全管理、实践教学管理、学生成长过程管理、评价管理、工具管理、物料管理和师资队伍的管理。通过建立智能化仓储实现对工具库、刀具库和材料库的进出库、使用状态的数字化智能管理；通过引入CAD、CAE、CAM和CAPP技术搭建起智能化设计与工艺管理平台，结合智能化制造基地共同搭建起工程训练平台的智能化制造环境[4]；通过建立智能化考核与评价体系实现工程教育平台下对教学过程、教学效果、学生成长过程、教师业务能力、教师服务水平等进行智能化的综合评价；通过建立数字化教学平台和各种数字化教学资源为工程教育实践教学提供在线教学服务。在智能化管理平台的基础上搭建起数字化应用平台和数字化创新服务平台，数字化应用平台为“工程教育实践教学”提供智能化的服务，数字化创新服务平台为“工程背景下的创新创业教育”提供智能化的服务[5]。以智能云平台为核心构建起智能化工程训练中心体系框架如图1所示。在智能化工程训练中心体系框架范围内实现对内的智能化管理和对外的智能化服务[6]。

2 工业互联网系统建设

工业互联网系统是以数据的采集、存储、运算和应用为驱动、以综合制造能力为核心、以数字化控制为宗旨的专业化服务平台。工程训练中心工业互联网系统的建设是以实践教学为核心，突出智能化制造能力，教室、设备、仓储、环境网络一体化的工业制造环境和实践教学平台。融合数字化教学和智能化管控于一体构建起工程训练中心工业互联网系统体系框架如图2所示[7]。

2.1 数据采集

工程训练实践教学平台互联网系统的数据采集包括对教室、设备、仓储、环境4部分数据的采集。教室数据包括照明控制开关状态、总电源开关状态、电表用电量、人脸识别或指纹考勤数据、智能门禁控制、视频采集、触摸屏一体机交互数据等状态数据；设备数据包括设备运行状态视频采集、设备电源智能控制、设备用电量、基于ZigBee网关的设备控制过程(工件装卸、设备启停)等；仓储数据包括工具、刀具、耗材的分类编码存储，出入库状态、使用人员身份识别、视频采集等；环境数据是指工程训练中心教学和工业生态环境的总和，包括通过各种传感器采集的温度、湿度、烟雾、火情、噪声、PM2.5、化学气体等实时环境数据。

2.2 数据存储与运算

将采集到的教室、设备、仓储和环境数据汇集到一起，并随着时间轴的变化，逐渐积累起智能化工程训练中心运行状态大数据，中心建立数据存储服务器，对大数据进行存储。运用智能算法对各种运行状态大数据进行智能分析、运算处理，分类呈现。

2.3 数据应用

数据的应用包括信息推送和数据运算控制，通过数据采集获取的大数据信息，经过服务器智能控制系统的运算后，将部分数据信息向用户终端推送，如推送至PC端、移动端、中心LED液晶大屏、触摸屏一体机，实现运行数据面向用户的动态可视化。在用户对运行数据实时掌控的基础上，融入管理者的主观干预，通过PC端和移动端的人机交互控制，使数据在用户和工业互联网系统之间实现双向传输，从而实现对教室、设备、仓储的远程调控[8]。

3 智能化管理与服务平台建设

工程训练中心智能化管理与服务平台是在工业互联网系统基础上建立起来的实现对内智能化管理和对外智能化服务的软件平台，对内的智能化管理即中心数字化管理平台，对外的智能化服务即支撑在线学习的实名制网络学习空间和创新创业管理平台。工程训练中心智能化管理与服务平台结构框架如图3所示。

图1 智能化工程训练中心体系框架

图2 工程训练中心工业互联网系统

3.1 数字化管理平台

中心智能化管理层面上，全面提升信息技术在管理层的基础支撑，实现中心全网络覆盖和全数据传输，保证学生、设备、教学与中心的管理、控制、服务的信息化对接。积极运用云计算、大数据等新技术创新中心管理平台的建设。打造中心网站，教学信息管理平台，实时监控系统，智能门禁系统，中心环境监测系统等系统平台，并实现各平台的互通、衔接与开放，提升信息化服务教育教学与管理能力[9]。

(1) 门户网站建设。中心门户网站是工程训练实

图3 智能化管理与服务平台

践教学平台通过互联网面向公众进行信息互动的窗口，通过网站使学生及时关注工程教育动态、教学计划、学习计划、考核结果等教学信息；并发布对外通知公告、教学成果展示、奖罚公示、中心建设规划等信息；以及通过特定的模块实现在线选课、在线考试、创新创业活动组织等[10]。

(2) 实践教学管理。实践教学管理平台用于管理教学活动相关的教师分配、学生管理、教学计划制定与发布、在线选课与排课、课表的生成与发布、教学过程跟踪、教学质量评价、考核方案组织、成绩的生成与发布、教学调度等信息，充分保障工程教育教学活动的顺利开展。

(3) 学生成长过程管理。 学生成长过程管理平台实现对工程教育教学活动中学生档案的建立、学习过程跟踪与记录、学习成绩评定与管理、学生作品展示和获奖信息统计，并给出有针对性的学习计划建议，从而为创新创业能力的培养提供基础参考数据。

(4) 考核与评价管理。考核与评价管理平台实现了对教师个人的综合评价、对学生学习过程的评价和对实践教学效果的评价。通过定期对教师技术水平进行考核以提升教师的教学水平和业务能力；利用在线考核实现对学生学习效果的考评；通过学生对教师教学过程进行评价，帮助教师改进教学方法，提升教师教学水平和教学效果[6]。

(5) 师资队伍管理。 师资队伍管理平台实现对师资队伍建设的管理，包括管理师资队伍个人基本信息、个人成长经历、年龄、工龄、职称、职务、技能、学历、培训经历、学习经历、奖罚情况、科研及教研成果等信息的数字化管理，课时和工作量的管理与统计，并发布师资队伍建设信息，制订师资队伍成长计划等。

(6) 数字化仓储管理。数字化仓储管理平台实现对工具、刀具、物料的数字化管理，通过人脸或指纹识别系统识别仓储管理员和使用用户，通过条形码或二维码对工具、刀具、物料等物品进行分类编码统计和立体存储，通过网络预约实现出入库的管理。使需求、成本、数量、出入库状况、库存情况、负责人、使用状况等仓储管理信息透明化，使仓储管理更及时、高效[11]。

(7) 教学设备管理。教学设备管理平台实现对每一台教学设备在生命周期内的开关机状况统计、使用记录、故障维修记录等信息的管理。通过设备的联网管控，自动记录识别每一台设备的使用者，设备的开关机记录，以及对设备故障的报修、修理等相关信息的管理。并使中心设备管理人员和学校设备管理部门实时动态了解设备的状态和使用状况，从而提升实验设备的管理水平和管理效率[6]。

(8) 物联网安全管理。物联网安全管理平台实现对工程训练实践教学平台和工业环境物联网实时动态监测和管控。通过物联网系统的建立以控制教室的通断电、使用人员身份识别、门禁权限分配、用电量智能控制、通知信息推送等；控制设备开关机及通断电、使用者身份识别、故障智能诊断及故障代码推送等；实现实时监测温度、湿度、烟雾、火情、噪声、PM2.5、用水、用电、化学气体等环境安全数据，经过智能分析后能够及时发布警报信息，以实现对工程训练中心的全面安全管理。

(9) 门禁与考勤管理。门禁与考勤管理平台建设通过人脸识别或指纹识别，对教师和学生进行身份识别和权限分配，建立起出入中心大门、教室、仓库和设备使用等的数据凭证。并实现对中心运行的多级管理，对出勤状况、教室使用、设备使用、物料流通、教学数据的统计和报表的生成。

(10) 选排课系统建设。工程训练课程在本科生培养计划中处于教务排课优先级较低的位置，教务处在优先安排完本学期专业课程后随机给工程训练课程每周预留8课时，工程训练中心再根据随机的8课时安排来自不同专业的学生到指定教学模块学习，从而导致学生的工程教育处于固定课时的被动接收状态。选排课系统在工程教育平台的应用使每一位学生根据自己的时间，选择自己感兴趣的工程训练教学模块，同时工程训练的每个教学模块根据自身最大容纳量自动开闭课程选择权限，从而实现教学资源和学生兴趣培养的最佳优化配置[12]。

(11) 党务管理。党务管理平台的应用实现了工程训练中心基层党组织党务工作的数字化管理，包括党员基本信息、党费、考评、考勤、奖惩、简历、考察、政审、慰问、转出、帮扶、培训、组织生活、专题教育管理和在线组织“三会一课”等。

3.2 实名制网络学习空间

中心信息化教学层面上，全面提升教育信息化基础支撑，实现设备、教学模块、数字化在线教学资源与中心的管理、服务的信息化对接，积极利用信息技术打造中心网络教学服务平台，建立丰富的工程教育数字化教学资源，创新个性化的网络学习空间，集成网络教学、资源推送、学籍管理、学习生涯纪录等功能，创新工程教育教学模式、学习模式、考核模式和全国工程教育教学资源的共建共享机制，通过线上与线下的辅助结合，拓展工程教育教学面，为工程教育平台提供更智能化的服务，充分发挥信息化面向未来高素质工程人才的支撑引领作用[13]。

3.3 创新创业管理平台

创新创业管理平台用是智能化工程训练中心提供智能化服务的另一重要体现，通过数字化创新服务平台的建设，实现通过数字化和互联网对学生的创新创业教育、创新创业训练和创客培养的数字化管理。学生通过网络平台组建创新团队，提交创新创业训练项目计划申请，创新创业教学平台通过网络对学生提交的项目申请进行审核、评估与确认，对确认可行的项目通过网络平台为学生配备创客导师、所需材料、工具、设备、场地，以及以MOOC在线学习的方式为学生创客提供相关的技能提升课程，辅助学生进行创新创业项目的实施。并提供在线交流平台辅助学生创客群体进行在线交流和经验、优秀成果分享[14]。

4 现代化工程训练教学体系建设

以智能制造技术时代工程训练中心的总体定位和教学理念为指导，建设模块化的、综合性的工程训练理论、实践课程，补充和修订工程训练实践教学体系和教学大纲。现代化工程教育教学体系的完善必须以智能化的工业互联网系统建设为基础，以硬件教学条件支撑课程的建设和教学活动的开展。集工程教育和创新创业教育于一体，以智能化管理与服务为宗旨，构建起现代化工程训练教学体系如图4所示，并通过工程教育背景下的创新创业实践探索不断丰富和完善现代化工程训练教学体系[15]。

图4 现代化工程训练教学体系

5 结 语

工程训练中心对智能化建设进行了研究与探索，智能化工程训练中心建设包括以工程教育实践教学平台为基础的工业互联网、数字化智能管理平台和智能化服务平台三部分。工业互联网系统的建设是实现云制造、智能制造的基础，数字化、智能化管理平台的建设为云制造、智能化制造提供保障和支撑，融合了工业互联网系统和数字化智能管理的智能化工程训练中心为高等工程教育和创新创业教育提供智能化的服务平台，即现代化工程教育平台和创新创业教育平台，并通过创新创业教育的实践探索不断补充和完善现代化工程教育教学体系。智能化工程训练中心的建设将大力推动我校工程教育和创新创业教育的发展，进一步营造工程背景下的创新、创业氛围，使工程教育、创新创业教育在校园中获得更广泛的受益面。