5G时代“互联网+”工程创新实践教学

2022-09-21 16:44:11 来源:写作指导

5G时代“互联网+”工程创新实践教学

摘要:面向5G时代万物互联的技术特性,紧紧围绕“以学生为中心,成果为导向”的工程教育理念,构建“互联网+”的信息化创新实践教学平台,实现教学资源无处不在的远程移动学习、泛在学习和互动学习的实践教学模式,解决学生在时间和实验室空间受限条件下,完成创新实践的个性化需求,实现实践教学在时间和空间上的拓展。

关键词:5G时代;“互联网+”;实践教学

5G作为新一代移动通信技术的引领者,将通讯传播从经典的流量服务模式向全要素生态链模式转变,它具有大带宽、低延时、高可靠性等特点。在5G技术的支持下,传统的通信方式、商业模式与全球技术格局将彻底改变[1-2],构建万物互联的智能世界成为必然,在此背景下,教育信息化水平不断提升,智慧技术引入教育教学全过程,教育模式的创新变革势在必行。大学生是受互联网影响最大的群体之一,被称为是“数字土著”一代[3]1。他们的生活环境、学习方式和思维模式已经发生了翻天覆地的变化,智能手机、平板电脑、手提电脑等已经成为大学生的日常标配。大学生的学习实践活动越来越离不开数字化产品和互联网的介入,禁止智能手机进入课堂的做法已经不适应现代的大学课堂。刘延东曾多次在重要讲话中强调,要积极响应当前“互联网+”新潮流,不断深化推进教育教学改革,把握5G时代“互联网+”工程实践育人工作的开放性、系统性与主体性具有重要意义[4-5]。5G技术对教育的强大助推力日益凸显,面对新时代的大学生,适应现代科技给高等教育带来的机遇和挑战,充分利用现代信息技术、智能产品、科技手段等创新教育教学方法,构建新时代高等工程教育“互联网+”的新模式,不仅能够充分发挥各级各类学校软、硬件教学资源的重要作用,为学生提供形式多样、符合个性化需求的学习内容,同时能够充分体现教师主导、学生主体的教学关系,学习方式更加个性化、适配化[3]9。不断提升教学水平和育人能力,是新时代高等教育亟需解决的重要问题,也是高等教育发展的必然趋势。为适应工业4.0和制造强国的战略发展需求,针对新时代大学生的学习习惯和特点,文章以河北工业大学机械设计制造及其自动化专业“机械装备电气与PLC控制”课程的实验教学为抓手,构建了“互联网+”的云控实践教学平台,实现了线上、线下实践教学资源的远程共享,使得教育资源由校园内延伸至千里之外的学生身边,实现了“线上直播教学+远程云控实验”的创新教学新模式,不仅解决了疫情期间学生无法进行课程实验的教学难题,而且该模式也可以在后疫情时代广泛推广,更好地解决专业实验室空间不足、学生人数众多、不能满足学生个性化需求等实践教学问题,实现了实践教学在时间和空间上的巨大拓展,为学生能够进行远程移动学习、个性化学习、泛在学习和互动学习提供了环境支持和技术支撑,为教师能够进行线上指导、实时掌控和互动交流提供了平台,同时促进了“教”与“学”双方面的形态变革。

一、5G时代“互联网+”的泛在学习模式

泛在学习是一种任何人可以在任何地方、任何时间获取所需信息的学习方式,是一种无处不在的学习。在“以学生为中心,产出为导向”的教育教学理念下,教学过程中的“教”与“学”是并肩同行者,是教学活动的两个重要方面。通过构建“互联网+”的创新实践教学模式,不仅重塑了师生角色、优化了师生关系,也体现了“以本为本”的教育核心内涵。教师在教学设计和教学实施过程中转变了教学观念,不断创新教学设计、教学手段和教学模式;学生在学习过程中转变了学习态度,摒弃被动地接受知识、完成教师布置任务的简单模式,开启了独立思考、创新思维、综合应用所学知识和理论解决复杂工程问题的分析能力,取得了教学相长的双赢效果。“机械装备电气与PLC控制”课程团队教师,充分利用5G技术在互联网中的优势,构建线上、线下相结合的“互联网+”的云控实践教学平台,保障了“教师—实验设备—学生”之间及时有效的互联互通,建立了学生能够随时学习的软、硬件环境。学生可以根据自己的学习规划、职业规划,以及兴趣爱好、作息时间等实现独立编程、自主学习、自我管理、自由规划,极大地丰富了工程技术人才培养过程中实践教学的内容、手段和渠道,通过该平台也实现了学生泛在学习模式的有效落地。“以学生为中心”既是高等教育内涵式发展的出发点,也是高等教育内涵式发展的落脚点[6]。教师和学生是教学活动的两个方面,缺一不可,共同完成了教学活动的产出成果。学生通过各类教学活动学习知识、获得能力、形成素养,不仅是教师的教育理念、教学内容、教学设计、教学实施等的系统化改变,同时也是学生的学习目标、学习态度、学习方法的彻底转变。学生由“要我学”的被动接受,变成“我要学”的主动汲取,由“获取知识”的低阶记忆理解,变成“能力达成”的高阶综合评价,都需要教师在教学环节的各方面建立起多维度、系统化的教学模式和评价体系。实践教学是高等教育工程技术人才培养体系中的重要环节,是工程专业教育的根本内容,是工程能力培养的有效途径,是学生在学习过程中将专业知识和基础理论应用于工程实际的最主要的训练方式,是培养具有工程系统意识、创新能力和实践能力的高级专门技术人才的关键。而实践教学却常常受到学校和专业自身软、硬件条件的制约,在一定程度上不能很好地达成其应有的教学目标要求。因此,基于5G时代的互联网优势,充分利用移动通信技术,依托河北工业大学机械工程学院中心实验室的设备资源,结合机械设计制造及其自动化专业的人才培养目标、毕业要求和“机械装备电气与PLC控制”的课程目标要求,课程组从“教”与“学”双方面构建线上、线下的“互联网+教育”实践教学模式,如图1所示。该模式的运行实践不仅可以充分利用学院实验室的实验教学资源,而且能够培养学生在现代教育技术背景下自主学习、理论联系实践的综合素质,提高独立构思、创新设计、独立实验的学习能力,提升教育教学质量与学生学习效果,同时也为高校实践教学模式创新和实验室建设做出了有益的探索。

二、“互联网+”的云控创新实践教学平台

(一)“互联网+”的云控实践教学平台组成

针对疫情期间“机械装备电气与PLC控制”课程的实验教学需求,课程组教师将“线上直播教学”与“远程云控实验”相结合,解决了特殊时期的实践教学难题,将互联网技术、云平台技术、信息技术、控制技术等多种技术相融合,构建“互联网+”的远程云控实践教学平台,“打破”校园围墙壁垒,将实践教学送到学生“身边”,取得了良好的教学效果,受到了学生及社会各界的广泛好评。远程云控实践教学平台主要包括学校实验室设备、通讯设备、云服务器、互联网、学生端和教师端,其中实验室设备主要有实验室监控摄像头、设备监控摄像头、被控的机电气一体化实验设备,以及其他辅助设备。学生进行远程线上实验的内容,主要包括两个方面:一是完成教师布置的基本实验任务要求,熟练掌握PLC编程原理、方法和实验操作过程;二是独立设计实验内容,并详细描述控制功能和实施方案,经过师生充分讨论并确认方案后,学生独立完成实验任务。针对上述两方面的任务要求,学生均需要在确定了实验任务后,首先完成线下PLC程序设计,然后进行计算机模拟仿真运行,再通过云控平台将程序传输至学校实验室设备的PLC控制器,实现对现场设备的实时控制与调试。学生可以在家中通过网络实时传输的实验室设备工作的现场视频画面,观察实验设备的运行情况,判断设备运行是否达到设计程序的任务要求。学生也可以在线实时修改程序,满足不同学生针对不同工况下的多样化创新设计需求。指导教师可以通过电脑端或手机端在线了解学生的实验过程和结果,实现实时指导、双向互动。“互联网+”云控实践教学平台的构建与实施,为河北工业大学“一流专业”建设背景下提高专业信息化教育教学建设水平,以及高等工程院校实验室创新管理做出了有力的实践示范和引领。同时,通过学生的实践成果及反馈信息,也充分说明该平台的运行很好地践行了工程教育必须重视能力培养的教育教学总目标。

(二)“互联网+”的云控实践教学运行流程

引入“互联网+”视域下利用现代信息技术的网上远程云控实践教学平台,将互联网作为学生与教师、学生与实验设备之间的纽带和桥梁,可以实现实践教学的无处不在。通过互联网构建的“互联网+”云控实践教学平台,其核心包括教师端和学生端两个入口。教师端入口操作流程如图2所示。教师打开云平台软件,输入账号和密码后进入该软件。若有学生新申请了用户则添加该用户;若有已经添加过用户的学生提出实验请求,如设备处于闲置状态,则给该学生授权,学生即可开始远程实验。学生端入口操作流程如图3所示。学生初次使用时,首先安装云平台软件,然后申请账号,并向教师提出添加用户申请,申请被批准后再提出实验申请,被批准后打开云平台与PLC的通讯,安装虚拟端口驱动程序,完成实验前的准备工作。学生若要进行实验,先向教师提出实验申请,获得授权后打开云平台与PLC的通讯,然后打开PLC编程软件,与PLC进行通讯,并打开视频监控,即可开始实验。

(三)“互联网+”的云控实践教学实施

云控实践教学平台主要由机械工程学院中心实验室原有的PLC作为控制器的机电气一体化实验设备、云平台模块、网络摄像机、智能电源插座及集成控制软件等组成。基于云控实践教学平台,学生可以通过互联网远程地与学校实验室的PLC实验设备连接,进行下载和上传自己设计的控制程序;通过实验室的网络摄像机看到所调试设备的实际运行情况,并对程序进行相应的调整,可达到与现场调试相同的实验效果。教师可以通过手机或电脑即时观察学生的调试情况,并随时进行辅导和沟通。学生完成线下编制程序后,通过云平台将程序下载到学校实验室的实验设备上,再通过现场安装的摄像机,将现场设备的运行情况通过云平台实时传送到学生的电脑中。学生既有身临其境的感受,又能通过平台训练提升工程能力,实验全过程可视、可控,真正实现了平台操作与现场实验的实质等效。随着5G技术的逐渐普及,“互联网+教育”蓄势待发,以高等工程教育中机电装备控制、软件开发编程等实践教学活动为抓手,建立“互联网+”创新实践教学平台,拓宽了传统线下教学尤其是实践教学的时间与空间,为充分运用现代科技手段实现普及化、开放式的实践教学活动提供了有益参考。同时,基于互联网技术、信息与控制技术,通过云平台实现智慧实验室环境下的实践教学方法创新,开展泛在的实践教学活动,从疫情期间的无奈之举,到后疫情时代高等教育的工程实践教学模式创新,充分利用学校的实践教学资源,为学生提供良好的实践教学平台和充足的实践机会做出了有益探索。

作者:曲云霞 孙立新 赵海文 单位:河北工业大学