面向智能制造的復合型人才培養實踐教學體系構建

　　摘要：在智能制造技術迅速推廣和廣泛應用的背景下，機械制造業裝備水平不斷提升，生產模式不斷更新和演化，這對從業人員的知識結構和專業能力提出了全新的要求。從智能制造技術的特征入手，深入剖析離散型智能制造領域專業人才能力的構成;以自動化專機或機器人工作站、生產線設計為線索，統籌考慮課程設計、實驗、實習和實訓等實踐教學環節的安排;基于模塊組織教學內容，融合“機器人”“大數據”“人工智能”和“互聯網”等內容，構建復合型人才培養的實踐教學體系。

　　本文源自大學教育,2020(10):161-164.基金:安徽省新工科研究與實踐項目“基于組織模式創新的機器人學院研究與實踐(2017xgkxm23)”;安徽省級“六卓越?一拔尖”卓越人才培養創新項目“機器人工程卓越工程師教育培養計劃”;安徽工程大學產業學院“機器人工程”等項目《大學教育》貫徹黨和國家的教育方針政策，反映高校學科建設和教學研究、改革成果，促進高等教育人才素質提升，為我國高等教育和課程改革服務。

　　近現代機械制造業經歷了“機械制造時代”“電氣化和自動化時代”和“電子信息時代”，以及目前尚未完成的“智能制造時代”。在傳統的機械制造業中，“工藝”和“設備”形成了企業的核心技術。機械類專業人才培養通常也是基于制造工藝和制造裝備兩條主線，規劃學生的專業知識結構和專業能力框架。在自動化生產線成為機械制造業主要生產手段的情形下，企業渴望具備“機電融合復合型特征的人才”。然而，我國高校受到院系條塊分割設置的限制，機電融合復合型人才培養情況并不理想。企業往往設置機械工程師、電氣工程師、軟件工程師等職位，組成項目團隊完成自動化生產線或專機的研發和調試工作。機電復合型人才的缺失不僅限制了人力資源效率的充分發揮，而且嚴重制約了產業的技術升級和“兩化”融合的推進，復合型人才已經成為機械制造業的稀缺資源。

　　圖1機械制造業競爭優勢形成過程

　　新一輪科技革命和產業變革將同人類社會發展形成歷史性交匯[1]，在新科技革命、新產業革命、新經濟的背景下，針對當下工程技術人才支撐制造業轉型升級能力不強，傳統工程人才相對過剩，制造業人才結構過剩和短缺并存，企業“用工荒”與畢業生“就業難”共存的局面，我國工程教育改革面臨重大戰略選擇。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后在復旦大學、天津大學和北京召開了關于高等工程教育和新工科建設的研討會，形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[2]。此后，教育部又發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[3]，旨在培養多元化、創新型卓越工程人才，為未來提供智力和人才支撐。

　　在信息化和智能化向機械制造業滲透不斷加深的形勢下，我國傳統機械制造業的轉型升級正處在關鍵時期[4,5]，機械類專業學生實踐能力和創新精神的培養，已成為新時代機械類專業人才培養的共識[6]。結合智能制造技術發展趨勢，在構建機械類實踐教學體系時，需要突出“機器人”“大數據”“人工智能”和“互聯網+”等要素;學生深度參與的新模式，體現自構知識體系和能力結構[2];具備多學科融合、復合型特征，獨立解決復雜工程問題能力的培養。

　　當前高校開展的大多數實驗課程都是以課本的原理為出發點，以印證理論知識的可行性與準確性為主要目的開展實驗課程教學[7,8]，實驗教學的理念和內容無法滿足多學科融合、復合型特征的人才培養需要[9]。理論講授和實踐教學是工程教學的主要手段，實踐教學通常包含課程設計、實驗、實習和實訓。若僅從實驗教學的角度探討復合型人才培養還遠遠不夠，本文希望將課程設計、實驗、實習和實訓看作一個整體，探討實踐教學體系構建的問題。

　　一、智能制造技術特征

　　首先從智能制造技術特征的角度，系統地研究從業人員的能力構成[10]，再討論復合型人才培養的實踐教學體系。按制造業的行業特點，智能制造通常劃分為“離散型智能制造”“流程型智能制造”“網絡協同制造”“大規模個性化定制”和“遠程運維服務”5種模式。其中，多數機械制造業可以歸結為“離散型智能制造”模式。以“離散型智能制造”模式為例，基于“基本技術要素”和“附加技術要素”兩個維度，評價“離散型智能制造”的技術特征，見表1。依據生產規模和技術復雜性，“基本技術要素”逐一評價“智能單元或機器人工作站”“智能生產線”“智能車間”和“智能工廠”4個層級的技術特征;基于“產品(工藝)管理”“可視化管理”和“信息安全”3個維度，“附加技術要素”逐一評價其技術特征。其中，“基本技術要素”界定了離散型智能制造必備的技術特征，“附加技術要素”屬于引領性技術特征。“離散型智能制造”的技術特征大致勾畫了機械制造業從業人員的崗位任務，以及應該具備的專業能力。

　　表1“離散型智能制造”模式技術特征描述

　　二、機械類人才專業能力構成

　　仔細研究“離散型智能制造”模式的技術特征，不難發現隱含其中的兩條主線，一是自動生產設備或機器人工作站間的柔性連接，二是自動生產設備或機器人工作站間的數據交換[11]。柔性連接需要借助工業機器人、移動機器人和物料輸送裝置;數據交換需要借助工業互聯網[12]。因此，機器人和互聯網成為智能制造系統的標配[13]。建立在兩條主線上的靈魂則是數據分析、流程優化、仿真模擬和可視化，即人工智能技術的運用。2019年1月，人社部擬發布15項新職業。本文摘取“工業機器人系統操作員”“工業機器人系統運維員”“人工智能工程技術人員”3項新職業，其“定義”和“主要工作任務”列入表2，為規劃“智能制造時代”機械類專業實踐教學提供了有益參考。

　　表22019年人社部擬發布的部分新職業

　　三、復合型人才培養途徑規劃

　　我國機械制造業發展極不均衡，既涌現出沈陽新松機器人自動化股份有限公司[14]、徐州徐工液壓件有限公司、上海人本集團有限公司、南京高精傳動設備制造集團有限公司、三一重工股份有限公司等一批優秀企業，在智能制造領域取得了長足的進步，又存在相當數量的企業還沒有走完“電子信息時代”，甚至“電氣化和自動化時代”的制造模式。因此，在規劃機械類專業實踐教學體系時，既要充分考慮大量中小企業的現實需求，又要有前瞻性和引領性[15]。有鑒于此，從“表達能力”“操作技能”和“方案構思與設計”3個維度，描述了機械類專業學生畢業時應該初步具備的專業能力。表3描述的專業能力，不僅包含了機電融合的特征，而且明確指向解決復雜工程問題，涵蓋了自然科學和工程科學理論的運用。

　　表3機械類專業專業能力構成

　　圖2以“自動化設備或機器人工作站”和“智能生產線”為線索，描繪了機械類專業實踐教學體系的輪廓。依據學生工程能力培養規律，在完成“自動化設備”設計任務前，需要逐一完成“機械傳動”“機械結構”認知和設計，以及“機械制造工藝”和“機電設備控制”實驗和設計等教學任務。在完成“智能生產線”設計前，逐一完成“數控機床”和“工業機器人”操作實訓，以及“工業機器人拆裝”等分科目訓練，在“智能生產線”設計過程中，融入“MES系統”“工藝流程規劃”“生產環境感知”等體現智能制造方面的內容。

　　圖2機械類專業復合型人才培養途徑規劃

　　充分調動學生“動腦”和“動手”是確保教學目標達成的基本手段。涉及“動腦”的教學環節包括理論講授、作業、設計、實驗和實習;涉及“動腦”的教學環節包括作業、設計、實驗和實習。除理論講授外，“動腦”和“動手”基本重疊。因此，需要從學生知識和能力構成的整體角度，合理規劃設計、實驗、實習和實訓等實踐性教學環節。

　　基于專業實踐與專業理論課程相剝離的原則，按知識或能力模塊劃分，設置為綜合實驗、討論課、課程設計、實習和實訓等形式，實踐教學科目以周為單位編入教學計劃進程表，單獨設置學分。

　　圖3主要實踐教學環節規劃

　　圖3清晰地刻畫了安徽工程大學(以下簡稱“我校”)機械類專業實踐教學計劃進程。其中，“組合夾具”“機器人拆裝”和“智能制造系統”設置成討論課，采用實驗室現場教學的方式，講解、操作或設計、討論和主題發言交替安排，學生口頭表達能力與操作技能、設計等思維能力培養相融合。實驗室改造成集討論式教學、實驗、實訓和設計等功能于一體的實踐性教學場所，實驗室場地得到了充分利用。

　　為了展示主要實踐教學組織和實施情況，本文摘取了幾張實踐教學場景的照片。圖4是課程設計的場景，圖5是PLC和電路實驗的場景，圖6是機器人工作站裝調實驗的場景，圖7是工業機器人拆裝和測繪的場景。

　　圖4課程設計

　　圖5PLC實驗

　　圖6作業單元裝調

　　圖7工業機器人拆裝

　　我校機械類專業包括機械設計制造及自動化、車輛工程、過程裝備與控制工程、機械工程、機械電子工程和機器人工程等專業，均依據復合型人才培養的思路，規劃實踐教學環節。在圖3的基礎上，各專業根據自身特點適當修改，但大部分實驗資源能夠得到多個專業共用。如車輛工程專業用“發動機拆裝”替代圖3中的“機器人拆裝”;過程裝備與控制工程專業由“過程控制綜合實驗”替代“機器人工作站裝調”等。

　　四、結語

　　在新工科建設項目的資助下，針對機械類人才培養，我校在實踐教學體系重構方面開展了積極探索。本文以復合型人才培養為主線，以實驗資源最大化利用為原則，按模塊組織教學內容，按科目編排實施方案，形成了我校獨具特色的實踐教學體系。教學實踐表明，本文所述的實踐教學體系克服了以往碎片化、綜合性差、學生參與度不夠、訓練不充分等不足，到了學生的廣泛歡迎和同行的充分認可。

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