新工科背景下智能运维与健康管理课程教学探索

摘  要：智能运维与健康管理是高等学校智能制造工程这个新工科专业的一门专业必修课，该课程具有涉及技术先进、多学科交叉、综合性强等特点。文章首先分析传统机械类专业的生产运维相关课程目前存在的问题，然后结合智能制造工程专业的新需求，提出智能运维与健康管理课程教学的改进措施为时事式案例教学、创新型项目、探讨式学习与考核方式综合化，旨在满足新工科专业的课程建设需求，为制造行业提供智能化应用型人才。

关键词：新工科专业;智能运维与健康管理;智能制造工程;教学方法;教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）21-0109-04

Abstract： Intelligent Maintenance and Health Management is one of the compulsory courses for the students majored in intelligent manufacturing engineering which is an emerging engineering major. The course is characterized by technological advancement， multidisciplinary crossing and strong comprehensiveness. Firstly， the existing issues in the traditional courses related to production operation and management in mechanical engineering majors are analyzed. Then， combined with the requirements of intelligent manufacturing engineering major， several reform measures are proposed for the teaching method of intelligent maintenance and health management course， i.e.， teaching with hot topics， innovative project， exploratory learning and comprehensive assessment methods. The strategies can be useful for meeting the requirements of course construction for the new major， and cultivating smart applied talents for manufacturing industry.

Keywords： emerging engineering major; Intelligent Maintenance and Health Management; Intelligent Manufacturing Engineering; teaching method; educational reform

当今国际市场竞争日益加剧，技术变革不断加快，制造企业之间的竞争从产品制造过程的竞争延伸到产品的研发、设计、制造、运维与回收全生命周期的全面竞争，对本科人才的培养要求越来越高。基于国家战略发展新需求，积极应对新一轮信息技术革命与产业革命，《中国制造2025》将智能制造工程列为五大工程之一，教育部提出了积极推进新工科专业建设。新工科专业重视不同工程学科之间、工程学科与非工科门类的交叉与融合（如图1上部所示），强调传统学科与新兴技术的协同创新，即在具备传统工科专业基本要求的基础上，还需具备数字化、信息化、智能化、绿色化等多种能力[1-2]。智能制造工程专业是于2018年开设的新工科专业，江苏大学2019年招收第一批智能制造工程专业本科生，智能制造是一个系统工程，其目的是融合新一代信息技术到制造业中，涉及机械工程、控制科学与工程、管理学等多个学科，融合了各相关学科的最新发展技术，是典型的多学科交叉专业[3-4]。

智能运维与健康管理是江苏大学智能制造工程专业的专业必修课。它是在传统的机械故障诊断技术、制造系统建模与仿真等课程的基础上发展而来的一门新课程。本课程的目的是使学生掌握智能制造系统内的制造设备、生产资源以及整体制造系统等方面运行与维护过程的优化决策与健康管理的智能决策新模式，引导学生构思兼顾社会、安全、环境等因素的智能制造系统优化管控方案，培养学生建立具有工程情怀的严谨观、安全观与可持续发展观，以及系统思维、项目管理、跨学科的决策分析能力。本课程对于增加智能制造工程专业学生知识的深入理解与综合运用，加深对智能制造系统的运行决策理论与模式的认知程度，进而培养高素质、交叉复合型、工程应用型人才具有重要作用。由于其是一门新开设课程，相关传统课程中使用的教学方法或手段难以满足其教学目的，需要结合本课程的教学内容需求，对教学方法与教学手段进行创新，以及人才培养模式与教学内容进行改革探索。

一、智能运维与健康管理课程的特点

目前，我校的智能运维与健康管理课程是智能制造工程专业的必修课，以及机械类、自动化类相关专业的选修课。本课程共32学时，内容涉及智能制造系统运维过程中智能化建模、生产与物流任务自适应控制、制造资源自组织优化配置、制造系统建模与关键性能实时分析、异常事件诊断与管理及制造系统优化决策等方面，如图1左下角所示，具有以下三个主要特点。

（一）涉及技术先进

智能制造系统的体系架构可以分为感知层、传输层、分析层与应用层四个主要层级[5-6]。本课程需要学习的内容遍布在四个层级的多个方面：感知层指应用先进的传感器技术、定位技术、嵌入式技术等，以实现制造系统实时状态的精准全面感知，是本课程学习内容的数据来源与实时控制前提;传输层指应用Zigbee、蓝牙、无线、有线等，实现数据的可靠传输，是实现从现场数据到上层智能运维决策的重要手段;分析层指应用边缘计算、云计算、大数据分析等先进的信息处理与聚合方法，实现数据的增值运算，是本课程的重点与难点;应用层指综合分析制造数据、加工工艺、管理知识等方面，采用先进的预测性分析、人工智能等手段实现制造过程的最优化可靠运行，是本课程学习的主要目的。

（二）多学科交叉

智能运维与健康管理课程涉及机械工程、信息技术、控制技术、管理学等多学科的知识。例如，机械系统是智能制造系统运行、动态维护以及健康管理的应用载体，涉及机械制造工艺、结构设计等方面知识;信息技术是实现制造系统智能感知与控制的重要方式，涉及数据感知、实时传输、交叉融合等方面的技术;智能系统的自适应控制是智能运维与健康管理的学习目的，其中控制逻辑与方式既是实现手段又是实现目的;复杂制造系统的自适应运维与健康管理是一个复杂的系统工程，需要应用运筹学、管理学等方面的学科知识进行优化决策。

（三）综合性强

智能运维与健康管理课程的学习安排在本科生的第七学期，前期学生已经掌握了智能制造工程专业的基本素养知识，包含机械制图、机械原理、智能装备控制、智能制造系统规划与软件集成、工业互联网与物联网、人工智能等。本课程是在对前期所学知识进行综合与巩固的基础上，进行一个系统性的梳理与应用，以对智能制造系统层面的决策与控制有更加清晰的认知，有利于以后解决工程实际问题。

二、现有相关课程教学现状

当前，机械类专业开设的与智能运维与健康管理相关课程主要面向传统的生产系统运维方面，如制造系统运维与健康管理、制造系统建模与仿真、机械故障诊断技术等，主要内容是制造系统的离线、事后的生产过程建模与故障分析预警，以为下一阶段的生产决策提供参考依据[7-8]。目前，对于相关传统课程的教学还存在以下几个方面的问题，致使难以满足本课程的教学要求，如图1右下角所示。

（一）课程互动性偏少

传统的生产系统运维相关课程教学过程中，主要采用教师讲台上讲授理论知识，学生下面听讲的方式，虽然会采用多媒体等辅助工具，教学过程中使用一些实例视频，但由于各个课程的理论性较强，一般都包含较多的公式与机理，牵连的知识面也较广。为学习完课程内容，需要采用传统的满堂灌模式，而这种模式很难调动起学生的积极性，影响教学效果。例如，在制造系统建模与仿真课程教学过程中，常针对特定生产系统（如汽车生产线）采用Petri网、工作流分析等模型进行虚拟建模方法的介绍，但由于学生未实际地进行建模分析与动手操作，仅能在理论上进行学习，致使学生不能很好地掌握教学内容。

（二）课程讲解实例陈旧

现有课程的具体实例讲解过程，常采用非常成熟的生产实例进行分析，但随着时代的发展变迁，一些实例已经跟不上实际生产过程的管控。例如，在机械故障诊断技术课程中，常使用的生产故障案例是刀具的磨损，而现在的刀具从制作材料、加工工艺、定期维护方式等方面进行了显著的提升，刀具磨损在实际加工过程中已经较少出现，而在当前企业广泛应用的智能制造系统的实际生产过程中，常出现由于数据采集不准确或决策制定不合理导致的系统层面故障，对这方面的教学还相对较少。

（三）知识综合能力薄弱

智能运维与健康管理课程涉及的学科范围广，知识覆盖面全，传统的生产过程运维课程主要注重理论知识的讲解，忽略了各个课程之间的关联学习。同时，由于各门课程各自为政，不会使用统一的生产车间实例，导致学生无法形成一个整体的制造系统运维与健康管理的系统概念，无法形成一个具体的生产过程管理的清晰链条，进而导致学生在以后的工作过程中，无法具有较好的系统概念，难以具备智能制造的系统工程能力。

（四）课程考核时间与方式单一

传统的生产运维相关课程的考核方式一般是期末考试或者大作业的形式，缺乏平时学习过程的评价，致使学生仅在临近考试的时候进行突击学习，平时不会积极参与到课程学习过程中，影响课程学习的效果。

以上是智能运维与健康管理这门课程在教学过程中需要克服的难点问题，也是教学改革中需要解决的问题。

三、智能运维与健康管理课程改革措施

如图1中部所示，针对以上存在的问题，结合智能运维与健康管理课程的特点，提出以下四种改革措施。

（一）时事式案例教学

当今社会信息获取方式多种多样，学生基本上手机不离手，学生们对时事热点问题的关心程度远超从前。本课程涉及制造系统的多个方面，可以结合时事热点问题，选择合适的案例进行学习讨论，提升学生课程学习的积极性。例如，当前芯片的制造与生产是制约我国经济发展的卡脖子问题，学生必然会在平时对芯片的现状有一定的了解，可以结合芯片制造的核心装备光刻机进行讨论学习，对光刻机运维过程中潜在的生产故障种类、特点进行学习分析，使学生在掌握本门课程知识的基础上，提升民族自信心与爱国情怀，满足立德树人的培养要求。

（二）创新型项目

本门课程的培养目标之一是使学生对制造系统的智能运维模式有深入的了解，为此可以在教授基本理论知识的基础上，给予学生创新型项目课题，并设定最终项目验收环节，使学生在后续专业知识学习过程中带着任务去听讲，提升学生课程学习的积极性。例如，可以设定生产大数据驱动的智能制造系统全生命周期管理新模式[9]、实时信息驱动的制造系统资源调度新模式、工业物联网使能的智能车间故障实时管控方法等课题，以使学生在课程学习时更有积极性。