机电专业的数控实习的教学过程相对传统，比较依赖传统工具和思维。教师还是以教为主，对学生学的情况不够全面了解，存在着信息的不透明和滞后性。学生还是传统的被动灌输的学习方式，缺乏有效的人机互动和师生互动^[1-4]。建立一个以学生实训过程的数据为基础的智慧工厂实训平台，结合实际的教学业务，充分利用现有的CAXA的设备联网系统模块，与先进的物联网、信息化工具和手段相结合，实现从环境、资源到教学的全部数字化，在传统的教学基础上构建一个数字空间，以实现教师、学生、设备之间的互动^[5-7]。

1 建立智慧工厂平台

智慧工厂平台系统以数据采集为基础，立足于教学过程管理，构建跟日常教学业务相关的课堂教学新模式^[8-10]。

智慧工厂平台系统管理的主要业务分为以下三大类：

1) 教师的日常教学业务

教师通过系统辅助课堂教学管理，提高日常教学的管理效率，同时通过该项目提高教学质量。此外，机电系教师教学主要是在车间现场，大多数的教学成果反馈来源于现场机床的数据。因此，在构建跟日常教学业务相关的课堂教学模式下，配合校方的实际教学业务及管理需求，要做到设备数据可采、设备状态可视、实际教学情况可视^[11-12]。

2) 学生日常上课业务

该业务主要面向学生在车间现场的日常管理，有效的提升师生互动和人机互动，以及学生的学习效率。使学生能够在未来走上工作岗位后，尽早地熟悉生产制造型企业的业务场景，而且提供学生环境适应能力养成的机会^[13]。

3) 校方领导综合管理业务

主要面向校方领导的日常管理工作，对通过教学过程产生的数据进行统计分析，进而判断不同班级、不同时间段、不同教师、不同学生的教和学的质量。对有效抓好教学质量提供数据依据。通过数据确立职业教育思想、教学理念的变革、教学系统的重构、教学模式的变化、校内外基地功能的拓展、教学团队的结构优化、多元评价体系额完善、学生专业能力和职业能力的协同发展，进一步丰富教育的内涵，有效地让数据赋予教务工作管理新的内涵^[14-16]。

2 智慧工厂平台架构与设计 2.1 平台概念

提出一种室内智慧工厂平台，一个多层次的室内定位服务平台。位置锚节点安装在每个单位空间中，工作空间包含多个单位空间。位置锚节点起到移动节点的位置参考的作用，并提供各种移动节点、资源设备和CAXA的设备通信。

2.2 平台结构

图 1显示了所提出的智慧工厂平台的结构。例如，在智慧工厂平台里有一个实时的报警服务。工厂资产的所有信息，如有关学生、机器、制造工具和环境的信息，都被收集到位置锚节点。另外，如果学生尝试移动成本较低的材料，或者在制造过程中发生事故，则可以根据报警级别通知任课教师，辅导员或者年级主任。所提出的平台由下列设备组成：

1) 智能标签：可附加到移动对象的设备，允许移动对象和周边设备之间的实时通信，并收集对象的内部数据。

2) 智能手环或挂牌：可穿戴式设备，可以验证学生或教职员工的身份，发送工作指示和设备配置，具有适当的设置值。

3) 智能盒：可连接到制造设备(例如压机、铣床或CNC机床)的设备，并与移动设备进行通信以获得设备的状态并实时将其设置为正确值。

4) 基于位置的锚点：用于移动设备(例如可穿戴设备、智能手机和材料)的实时室内定位的锚节点，并用于支持移动设备之间的异步消息。

5) 智能门锁：自动识别材料是否供应并管理材料列表的设备。

2.3 设备与设备间的协议

以前的研究中涉及基于LF唤醒的自身设备到设备通信的邻居识别协议(proximity-based neighbor identification protocol, PNIP)。PNIP的实现如下：每个设备都有一个基于硬件的唤醒模块，资源设备(例如门锁、制造机器)具有LF唤醒发射器模块，并且移动设备具有LF唤醒接收器模块。通过在所提出的平台中使用PNIP协议，可穿戴设备在没有用户干预的情况下识别并与相邻设备进行通信。

3 实施与评估

通过测量智能标签进/出的识别时间和从移动节点向基于位置的锚点发送消息所需的时间来评估所提出的平台的性能。图 2根据移动节点的数量显示智能标签进/出识别时间的累积图。随着移动节点数量的增加，总识别时间逐渐增加。平均识别时间见表一。

图 3显示出了从移动节点到基于位置的锚点的消息传递的传输时间的结果。随着移动节点的数量增加，总时间线性增加，因为基于位置的锚点逐个处理移动节点的消息收发。如图中所示的蓝线，每条消息大约需要500 ms进行传输。该实验显示了当多个移动设备在单元空间中同时发送消息时基于位置的锚点的可靠性。

4 平台运行效果

智慧工厂平台使学生和教职员工能够创建各种应用程序。下面是达成的车间运行效果。

1) 智慧工厂管理系统：教师安排好课程计划，在课程计划中安排好对应的教师、学生、班级、设备；教师在安排好的课程计划中与机加工件类型相关联；所有穿着智能手环或挂牌的学生都会自动获得认证，以进入有限的空间或使用危险的机器。智能手环或挂牌包含制造工具的正确设备设置，使得该工具在用户认证后自动设置。在实践过程中系统自动识别仓库或工作区内的产品或材料的进出库，实时检查仓库中的产品数量。工厂的环境数据由智能标签和智能盒自动登录到系统中。

2) 以学生安全为中心的报警服务：学生开始加工的时候机床开始实时采集数据，加工过程实时采集过来的数据跟标准的工艺参数比对，如果发现工艺异常则系统报警；学生在实训操作的过程中实时采集过来的机床的报警信号亦可作为预警提醒；学生在实训操作过程中发现自己对工件的工艺、质量等有疑问的地方亦可通过现场的终端寻求帮助。

3) 教学成果测评服务：学生在做完某道工序时通过现场的平板终端把工件的加工参数录入系统；学生在最终做完工件的时候先自检、自评，并将自检的参数录入系统。待自检、自评的数据提交后会提醒教师进行复检、终评，并将最终参数录入系统中；系统会生成各种统计分析的报表，给管理决策提供数据依据。

根据上述效果即可以形成教学准备、教学过程数据采集、教学数据分析三者的闭环管理，实现以数据为依据的课堂教学新模式。通过智慧工厂平台有效提高学生上课的效率，有效实现师生互动和人机互动；教师可有效地提高教学质量；校方领导对数据进行不同维度的统计分析了，可了解教师的教学质量和学生的学习质量；实现车间可视化、透明化、可控化、实时化、协同化管理。

5 结语

传统的教学中教师是课堂的中心，教师牵着学生走，学生围着老师转，学生习惯于被动的学习，学习的主动性也渐渐丧失。虽然该智慧工厂平台的许多部分需要人为干预，但也已经拥有了很高程度的自动化水平。

为了解决这个问题，提出了基于高职实训的智慧工厂平台，其基于工厂设备之间的自协作协议，具有零配置和自动操作技术。移动节点使用自设备到设备通信与相邻设备通信，并且基于位置的锚点将从每个移动节点收集的信息发送到相关的目的地移动节点。同时提出了教学和工厂之间的现实协作服务，如实时警报，基于学生的自动机器配置和成熟的教学管理制度。未来，计划通过将基于云概念的智慧工厂平台可以达到沉浸式教学，既可减轻学生的课业负担，又能提高教学质量。