面向智能制造的復(fù)合型人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

　　摘要：在智能制造技術(shù)迅速推廣和廣泛應(yīng)用的背景下，機(jī)械制造業(yè)裝備水平不斷提升，生產(chǎn)模式不斷更新和演化，這對從業(yè)人員的知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)能力提出了全新的要求。從智能制造技術(shù)的特征入手，深入剖析離散型智能制造領(lǐng)域?qū)I(yè)人才能力的構(gòu)成;以自動化專機(jī)或機(jī)器人工作站、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)為線索，統(tǒng)籌考慮課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安排;基于模塊組織教學(xué)內(nèi)容，融合“機(jī)器人”“大數(shù)據(jù)”“人工智能”和“互聯(lián)網(wǎng)”等內(nèi)容，構(gòu)建復(fù)合型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系。

　　本文源自大學(xué)教育,2020(10):161-164.基金:安徽省新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于組織模式創(chuàng)新的機(jī)器人學(xué)院研究與實(shí)踐(2017xgkxm23)”;安徽省級“六卓越?一拔尖”卓越人才培養(yǎng)創(chuàng)新項(xiàng)目“機(jī)器人工程卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”;安徽工程大學(xué)產(chǎn)業(yè)學(xué)院“機(jī)器人工程”等項(xiàng)目《大學(xué)教育》貫徹黨和國家的教育方針政策，反映高校學(xué)科建設(shè)和教學(xué)研究、改革成果，促進(jìn)高等教育人才素質(zhì)提升，為我國高等教育和課程改革服務(wù)。

　　近現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)經(jīng)歷了“機(jī)械制造時(shí)代”“電氣化和自動化時(shí)代”和“電子信息時(shí)代”，以及目前尚未完成的“智能制造時(shí)代”。在傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)中，“工藝”和“設(shè)備”形成了企業(yè)的核心技術(shù)。機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)通常也是基于制造工藝和制造裝備兩條主線，規(guī)劃學(xué)生的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)能力框架。在自動化生產(chǎn)線成為機(jī)械制造業(yè)主要生產(chǎn)手段的情形下，企業(yè)渴望具備“機(jī)電融合復(fù)合型特征的人才”。然而，我國高校受到院系條塊分割設(shè)置的限制，機(jī)電融合復(fù)合型人才培養(yǎng)情況并不理想。企業(yè)往往設(shè)置機(jī)械工程師、電氣工程師、軟件工程師等職位，組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成自動化生產(chǎn)線或?qū)C(jī)的研發(fā)和調(diào)試工作。機(jī)電復(fù)合型人才的缺失不僅限制了人力資源效率的充分發(fā)揮，而且嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和“兩化”融合的推進(jìn)，復(fù)合型人才已經(jīng)成為機(jī)械制造業(yè)的稀缺資源。

　　圖1機(jī)械制造業(yè)競爭優(yōu)勢形成過程

　　新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革將同人類社會發(fā)展形成歷史性交匯[1]，在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)的背景下，針對當(dāng)下工程技術(shù)人才支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級能力不強(qiáng)，傳統(tǒng)工程人才相對過剩，制造業(yè)人才結(jié)構(gòu)過剩和短缺并存，企業(yè)“用工荒”與畢業(yè)生“就業(yè)難”共存的局面，我國工程教育改革面臨重大戰(zhàn)略選擇。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后在復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)和北京召開了關(guān)于高等工程教育和新工科建設(shè)的研討會，形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”[2]。此后，教育部又發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》和《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》[3]，旨在培養(yǎng)多元化、創(chuàng)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(jī)械制造業(yè)滲透不斷加深的形勢下，我國傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級正處在關(guān)鍵時(shí)期[4,5]，機(jī)械類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，已成為新時(shí)代機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)的共識[6]。結(jié)合智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢，在構(gòu)建機(jī)械類實(shí)踐教學(xué)體系時(shí)，需要突出“機(jī)器人”“大數(shù)據(jù)”“人工智能”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等要素;學(xué)生深度參與的新模式，體現(xiàn)自構(gòu)知識體系和能力結(jié)構(gòu)[2];具備多學(xué)科融合、復(fù)合型特征，獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

　　當(dāng)前高校開展的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)課程都是以課本的原理為出發(fā)點(diǎn)，以印證理論知識的可行性與準(zhǔn)確性為主要目的開展實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)[7,8]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念和內(nèi)容無法滿足多學(xué)科融合、復(fù)合型特征的人才培養(yǎng)需要[9]。理論講授和實(shí)踐教學(xué)是工程教學(xué)的主要手段，實(shí)踐教學(xué)通常包含課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)。若僅從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度探討復(fù)合型人才培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，本文希望將課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)看作一個(gè)整體，探討實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建的問題。

　　一、智能制造技術(shù)特征

　　首先從智能制造技術(shù)特征的角度，系統(tǒng)地研究從業(yè)人員的能力構(gòu)成[10]，再討論復(fù)合型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系。按制造業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)，智能制造通常劃分為“離散型智能制造”“流程型智能制造”“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造”“大規(guī)模個(gè)性化定制”和“遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)”5種模式。其中，多數(shù)機(jī)械制造業(yè)可以歸結(jié)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(shù)要素”和“附加技術(shù)要素”兩個(gè)維度，評價(jià)“離散型智能制造”的技術(shù)特征，見表1。依據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)復(fù)雜性，“基本技術(shù)要素”逐一評價(jià)“智能單元或機(jī)器人工作站”“智能生產(chǎn)線”“智能車間”和“智能工廠”4個(gè)層級的技術(shù)特征;基于“產(chǎn)品(工藝)管理”“可視化管理”和“信息安全”3個(gè)維度，“附加技術(shù)要素”逐一評價(jià)其技術(shù)特征。其中，“基本技術(shù)要素”界定了離散型智能制造必備的技術(shù)特征，“附加技術(shù)要素”屬于引領(lǐng)性技術(shù)特征。“離散型智能制造”的技術(shù)特征大致勾畫了機(jī)械制造業(yè)從業(yè)人員的崗位任務(wù)，以及應(yīng)該具備的專業(yè)能力。

　　表1“離散型智能制造”模式技術(shù)特征描述

　　二、機(jī)械類人才專業(yè)能力構(gòu)成

　　仔細(xì)研究“離散型智能制造”模式的技術(shù)特征，不難發(fā)現(xiàn)隱含其中的兩條主線，一是自動生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器人工作站間的柔性連接，二是自動生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器人工作站間的數(shù)據(jù)交換[11]。柔性連接需要借助工業(yè)機(jī)器人、移動機(jī)器人和物料輸送裝置;數(shù)據(jù)交換需要借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[12]。因此，機(jī)器人和互聯(lián)網(wǎng)成為智能制造系統(tǒng)的標(biāo)配[13]。建立在兩條主線上的靈魂則是數(shù)據(jù)分析、流程優(yōu)化、仿真模擬和可視化，即人工智能技術(shù)的運(yùn)用。2019年1月，人社部擬發(fā)布15項(xiàng)新職業(yè)。本文摘取“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員”“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員”“人工智能工程技術(shù)人員”3項(xiàng)新職業(yè)，其“定義”和“主要工作任務(wù)”列入表2，為規(guī)劃“智能制造時(shí)代”機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供了有益參考。

　　表22019年人社部擬發(fā)布的部分新職業(yè)

　　三、復(fù)合型人才培養(yǎng)途徑規(guī)劃

　　我國機(jī)械制造業(yè)發(fā)展極不均衡，既涌現(xiàn)出沈陽新松機(jī)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(tuán)有限公司、南京高精傳動設(shè)備制造集團(tuán)有限公司、三一重工股份有限公司等一批優(yōu)秀企業(yè)，在智能制造領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，又存在相當(dāng)數(shù)量的企業(yè)還沒有走完“電子信息時(shí)代”，甚至“電氣化和自動化時(shí)代”的制造模式。因此，在規(guī)劃機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系時(shí)，既要充分考慮大量中小企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，又要有前瞻性和引領(lǐng)性[15]。有鑒于此，從“表達(dá)能力”“操作技能”和“方案構(gòu)思與設(shè)計(jì)”3個(gè)維度，描述了機(jī)械類專業(yè)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)該初步具備的專業(yè)能力。表3描述的專業(yè)能力，不僅包含了機(jī)電融合的特征，而且明確指向解決復(fù)雜工程問題，涵蓋了自然科學(xué)和工程科學(xué)理論的運(yùn)用。

　　表3機(jī)械類專業(yè)專業(yè)能力構(gòu)成

　　圖2以“自動化設(shè)備或機(jī)器人工作站”和“智能生產(chǎn)線”為線索，描繪了機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的輪廓。依據(jù)學(xué)生工程能力培養(yǎng)規(guī)律，在完成“自動化設(shè)備”設(shè)計(jì)任務(wù)前，需要逐一完成“機(jī)械傳動”“機(jī)械結(jié)構(gòu)”認(rèn)知和設(shè)計(jì)，以及“機(jī)械制造工藝”和“機(jī)電設(shè)備控制”實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)等教學(xué)任務(wù)。在完成“智能生產(chǎn)線”設(shè)計(jì)前，逐一完成“數(shù)控機(jī)床”和“工業(yè)機(jī)器人”操作實(shí)訓(xùn)，以及“工業(yè)機(jī)器人拆裝”等分科目訓(xùn)練，在“智能生產(chǎn)線”設(shè)計(jì)過程中，融入“MES系統(tǒng)”“工藝流程規(guī)劃”“生產(chǎn)環(huán)境感知”等體現(xiàn)智能制造方面的內(nèi)容。

　　圖2機(jī)械類專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)途徑規(guī)劃

　　充分調(diào)動學(xué)生“動腦”和“動手”是確保教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的基本手段。涉及“動腦”的教學(xué)環(huán)節(jié)包括理論講授、作業(yè)、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí);涉及“動腦”的教學(xué)環(huán)節(jié)包括作業(yè)、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)。除理論講授外，“動腦”和“動手”基本重疊。因此，需要從學(xué)生知識和能力構(gòu)成的整體角度，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

　　基于專業(yè)實(shí)踐與專業(yè)理論課程相剝離的原則，按知識或能力模塊劃分，設(shè)置為綜合實(shí)驗(yàn)、討論課、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)等形式，實(shí)踐教學(xué)科目以周為單位編入教學(xué)計(jì)劃進(jìn)程表，單獨(dú)設(shè)置學(xué)分。

　　圖3主要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)規(guī)劃

　　圖3清晰地刻畫了安徽工程大學(xué)(以下簡稱“我校”)機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃進(jìn)程。其中，“組合夾具”“機(jī)器人拆裝”和“智能制造系統(tǒng)”設(shè)置成討論課，采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場教學(xué)的方式，講解、操作或設(shè)計(jì)、討論和主題發(fā)言交替安排，學(xué)生口頭表達(dá)能力與操作技能、設(shè)計(jì)等思維能力培養(yǎng)相融合。實(shí)驗(yàn)室改造成集討論式教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)和設(shè)計(jì)等功能于一體的實(shí)踐性教學(xué)場所，實(shí)驗(yàn)室場地得到了充分利用。

　　為了展示主要實(shí)踐教學(xué)組織和實(shí)施情況，本文摘取了幾張實(shí)踐教學(xué)場景的照片。圖4是課程設(shè)計(jì)的場景，圖5是PLC和電路實(shí)驗(yàn)的場景，圖6是機(jī)器人工作站裝調(diào)實(shí)驗(yàn)的場景，圖7是工業(yè)機(jī)器人拆裝和測繪的場景。

　　圖4課程設(shè)計(jì)

　　圖5PLC實(shí)驗(yàn)

　　圖6作業(yè)單元裝調(diào)

　　圖7工業(yè)機(jī)器人拆裝

　　我校機(jī)械類專業(yè)包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化、車輛工程、過程裝備與控制工程、機(jī)械工程、機(jī)械電子工程和機(jī)器人工程等專業(yè)，均依據(jù)復(fù)合型人才培養(yǎng)的思路，規(guī)劃實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在圖3的基礎(chǔ)上，各專業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)適當(dāng)修改，但大部分實(shí)驗(yàn)資源能夠得到多個(gè)專業(yè)共用。如車輛工程專業(yè)用“發(fā)動機(jī)拆裝”替代圖3中的“機(jī)器人拆裝”;過程裝備與控制工程專業(yè)由“過程控制綜合實(shí)驗(yàn)”替代“機(jī)器人工作站裝調(diào)”等。

　　四、結(jié)語

　　在新工科建設(shè)項(xiàng)目的資助下，針對機(jī)械類人才培養(yǎng)，我校在實(shí)踐教學(xué)體系重構(gòu)方面開展了積極探索。本文以復(fù)合型人才培養(yǎng)為主線，以實(shí)驗(yàn)資源最大化利用為原則，按模塊組織教學(xué)內(nèi)容，按科目編排實(shí)施方案，形成了我校獨(dú)具特色的實(shí)踐教學(xué)體系。教學(xué)實(shí)踐表明，本文所述的實(shí)踐教學(xué)體系克服了以往碎片化、綜合性差、學(xué)生參與度不夠、訓(xùn)練不充分等不足，到了學(xué)生的廣泛歡迎和同行的充分認(rèn)可。

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