面向工业4.0需求的机械制造类本科教育课程体系探讨

◆韩奉林 严宏志

面向工业4.0需求的机械制造类本科教育课程体系探讨

◆韩奉林 严宏志

从工业4.0的技术内涵着手，提出工业4.0时代机械制造行业从业人员的知识和能力特殊要求。分析当前高校机械制造专业课程体系，并针对性地提出WJ4Z（W，网络；J，集成；4Z包括制造、自动、智能、治理或管理）课程体系结构，可为我国高校机械制造专业培养计划的修订提供参考。

工业4.0；机械制造；课程体系

1 前言

在经历过全球金融危机之后，各发达国家意识到制造业乃是立国之本，纷纷制订发展先进制造业的国家战略计划，如德国的“工业4.0战略”、美国的“先进制造发展战略”、英国的“英国工业2050战略”、日本的“机器人新战略”、韩国的“制造业创新3.0战略”等。其中影响最大的当属德国的“工业4.0战略”。我国也结合国情建立了中国版的“工业4.0”战略计划——“中国制造2025计划”[1]。

做强制造业的基础和关键在人才。为配合国家层面的发展战略，迎接制造全球化竞争的挑战，培养符合工业4.0需求的机械制造行业人才是摆在高等院校面前的急迫任务。

我国机械制造专业课程体系起源于苏联，随着信息技术在机械制造行业的不断渗透，课程体系也在不断变化。目前已基本符合自动化制造（工业3.0）的需求，但对于工业4.0的前瞻性仍然不够，许多工业4.0的核心内容在课程设置中未充分体现。

本文将从工业4.0的技术内涵及对人才知识和能力的需求着手，梳理国内知名高校的机械制造类课程体系，分析目前培养计划的不足，并探讨面向工业4.0的机械制造本科教育课程体系的构建。

2 工业4.0的技术内涵及对人才的需求

工业4.0是基于德国高度发达的业软硬件系统及高素质的劳动者的基础上，将制造“由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式”，并通过信息世界与物理世界的高度融合，以及三项集成（纵向集成、端对端集成、横向集成），实现一种智能化的、社会化的生产模式[2]。

工业4.0首先要求底层的制造单元高度自动化，并具备一定的智能；其次尤其强调网络技术的全面渗透，特别是建立物理信息系统（CPS，Cyber-Physical Systems），实现制造过程的实时感知、高效协作，从而达到制造资源的高效调配；同时制造企业的边缘将更加的模糊，具备很高柔性的小型企业将构成制造业的主体，它们通过“互联网+”的方式相互协作，满足多变灵活的市场需求。

工业4.0实施的前提是具备高素质的劳动者。工业4.0时代的机械制造从业者除了需要具备传统的机械制造专业知识外，还需具备如下知识和能力。

先进的管理方法和技术手段工业4.0的技术支持和目前国内“大众创业、万众创新”的经济发展趋势将造就更多的小微企业。一方面，小微企业中技术与管理人员往往兼于一身，要求人人懂管理；另一方面，企业间广泛的横向集成，也对企业的管理提出更高的挑战。因此，工业4.0时代，从业者管理知识广度和深度都显得更为重要。

先进的管理理念总是要通过信息管理和分析平台落地实现，因此，ERP、大数据等信息管理和处理手段是提升企业管理水平的有力工具。

系统集成能力 工业4.0通过万物互联、信息相通，使得处于制造活动中的设备、物料、人员构成一个复杂的强耦合系统。处于制造系统中的各种技术、设备、物料资源、人员配置等要素需要通过有机的集成，才能使得总体制造系统发挥最大效能。

3 现有机械制造类本科生课程体系分析

通过对清华大学（2014—2015版，代号Q）[3]、上海交通大学（2015级，代号S）[4]、浙江大学（2014级，代号ZJ）[5]、华中科技大学（2014版，代号H）[6]及中南大学（2012版，代号ZN）[7]机械制造方向本科生培养计划的调研，发现现有课程体系可划分为如下板块。

1）传统机械制造类课程：包括机械制造工艺学或机械制造基础、互换性与技术测量、制造装备设计、材料加工原理等机械制造专业的基本知识，基本所有院校都有开设。

2）先进制造技术类课程：代表性课程包括激光加工概论（Q）、精密与特种加工（Q、ZN、H）、先进制造技术（H、ZH）、微纳制造导论（Q）等。

3）制造自动化类课程：代表性课程包括数控技术（H、ZN）、自动化制造系统（ZJ）、计算机辅助制造或数控编程（H、ZN）、机器人学（Q、S），以讲解数控技术、自动化控制、机器人原理与应用为主。

例2：在Rt△ABC中，AB=5，AC=3，AC延长线上有一点D，AD=8，点P以1单位/s的速度从D点运动到A点，点Q以2单位/s的速度从A点向射线AB的方向运动，当其中一个动点停止运动时，另外一个随之停止运动。试探究：几秒时，△APQ为直角三角形。

4）管理及信息化类课程：代表性课程包括生产计划与控制（S）、质量管理与控制（ZJ）、制造自动化与信息化系统（S）、制造过程信息管理系统（Q）等。

5）特殊行业制造类课程：讲解特定专业的制造工艺和装备，如现代汽车制造（S）、柔性电子制造技术基础（H）等。

通过上述的梳理，对比工业4.0的人才需求，发现仍存在如下问题：

1）网络技术几乎是空白，虽然有的院校在其他课程中略有提及，但作为工业4.0制造系统中的神经系统，显然对计算机网络、物联网技术重视程度不够；

2）管理方法与技术手段仍是短板，虽然有院校开设了相关专业，但存在前后续课程承接不当，课时不足的问题；

3）强调局部单体技术，在系统集成方面不足。

4 面向工业4.0需求的机械制造WJ4Z本科教学课程体系构建

从工业4.0的技术内涵及人才的要求出发，结合现有课程体系，提出WJ4Z课程体系结构，如图1所示。

在该课程体系中，制造（Z）课程、自动控制（Z）课程、智能感知及控制（Z）课程、管理（治理，Z）课程构成4Z单元技术课程模块，4Z通过网络（W）技术，采用系统论的方法有效集成（J）。制造（Z）课程是基础，包括传统冷、热加工工艺与装备，以及新兴的制造原理和方法；自动控制（Z）课程包括计算机控制、数控原理等；智能感知及控制（Z）课程包括机器视觉、人工智能、大数据处理等；管理（治理，Z）课程包括制造企业管理方法及信息化辅助手段；网络（W）技术课程包括工业网络、物联网、互联网思维等内容；集成（J）是贯穿于各模块教学中的总体系统方法论。

WJ4Z课程体系与现有体系的主要区别在于：

1）把原来处于边缘地带的网络技术放在与制造类、自动化类等课程同等重要的位置，突出其在制造中的重要性；

2）加强智能感知与控制技术的教学内容，推动以自动化为代表的工业3.0人才培养向以智能化为代表的工业4.0人才培养发展；

3）进一步明确管理方法与信息技术在机械制造类学生的知识体系中的重要地位，为培养复合型人才奠定基础；

4）强调集成，突出总体观。

图1 机械制造WJ4Z本科教学课程体系

5 实施WJ4Z课程体系的注意事项

1）由于总的学时数有限，需要做到有增有减，内容编排上保留基本和核心内容，一些特别专业化的内容可适当削减或改为自学；

2）体系内的管理、智能感知、网络等教学模块应与相关专业的内容、教学方法不同，应突出机械制造的行业背景，不宜全面摊开，以免造成内容太多，重点不收敛；

3）由于新增的网络、智能感知等内容要与计算机科学专业有所不同，因此要加强特色教材编写工作，同时也要加强教师的自身知识体系的完善。

6 结语

国家发展，人才先行。培养满足工业4.0发展需求的机械制造行业人才是“中国制造2025”顺利推进的重要保障。由于课程体系从计划到实施具有一定的滞后性，因此，本文前瞻性地从工业4.0的技术内涵出发，总结了工业4.0时代机械制造行业的人员需求，针对性地提出WJ4Z课程体系，以期为我国高校机械制造类专业的培养计划修订提供一定的参考。

[1]延建林,孔德婧.解析“工业互联网”与“工业4.0”及其对中国制造业发展的启示[J].中国工程科学,2015(7): 141-144.

[2]朱铎先,胡虎.工业4.0:错过互联网革命的大国反思[N].人民邮电,2015-06-29(5).

[3]清华大学.2013—2014学年度本科课程介绍[EB/OL]. [2014-10-30].http://www.tsinghua.edu.cn/publish/newthu/ newthu_cnt/education/pdf/201410.pdf.

[4]上海交通大学.机械动力类:机械工程2015级培养计划专业类课程[EB/OL].[2015-9-18].http://electsys.sjtu.edu.cn.

[5]浙江大学.2014级机械工程专业培养方案[EB/OL]. [2014-10-21].http://ugrs.zju.edu.cn/attachments/2014-10/01-1413858337-1010980.pdf.

[6]华中科技大学.华中科技大学本科专业人才培养计划:机械科学与工程学院[EB/OL].[2014-10-30].http://jwc.hust. edu.cn/show/article/articleShow?id=2463&type=fwzq_pyjh_0 %20.

[7]中南大学.2012版中南大学本科专业培养方案（中册）2[EB/OL].[2013-1-9].http://bksy.csu.edu.cn/info/1026/1773. htm.

A Discussion on Construction of Courses System for Mechanical Manufacturing Major Oriented to Requirements of Industry 4.0

HAN Fenglin,YAN Hongzhi

The technical connotation of industry 4.0 was discussed and the knowledge and ability requirements of the practitioners in mechanism manufacture industry in the industry 4.0 time were proposed. The current course system of the mechanical manufacturing engineering of domestic universities were analyzed. A WJ4Z course system was put forward. It is expectant to provide reference for the revise of the training plans of mechanical manufacturing engineering.

industry 4.0;mechanical manufacturing;course system

G642.3

B

1671-489X(2016)02-0084-03

作者：韩奉林，中南大学机电工程学院讲师，博士，研究方向为机械制造及其自动化；严宏志，中南大学机电工程学院教授、副院长，博士，研究方向为机械制造及其自动化（410083）。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.084