应用型地方高校机电一体化系统设计课程群产教协同的课堂教学模式改革

胡红生, 曹 坚, 周斌斌

(1. 嘉兴学院 a. 机电工程学院; b. 图书馆， 浙江 嘉兴 314001; 2. 嘉兴技师学院， 浙江 嘉兴 314001)

0 引 言

随着互联网技术、信息技术与微制造技术的飞速发展，人们的生活品质、制造业的制造技术、经济发展体系都产生了极大的变化。近年来，环杭州湾城市群主动抢抓互联网经济、智能制造加速发展的历史机遇，加快推进以信息化和工业化深度融合为主攻方向的智能制造，积极推进“浙江制造”的数字化、网络化、智能化发展，智能制造产业孕育兴起并初具规模。

地方高校肩负着为区域经济发展培养人才的重要任务。在区域产业转型升级的形势下，如何结合地方高校人才培养的特点，培养出既符合地方经济发展，又具有创新精神和工程能力的高素质工程技术人才，这是当前地方高校在工程技术人才培养模式改革中亟需探索的一个课题[1-2]。我校长期坚持“地方性、应用型、创新型”人才培养办学定位，机电类专业依托区域汽车零部件产业、农林装备产业及智能装备产业企业和平台资源，利用制造企业“机器换人”的契机，以机械设计制造及其自动化专业为龙头积极探索机电类专业人才培养模式改革，以智能装备设计制造为主要方向的专业群及其特色正在逐步形成，机电专业“智能制造”入选浙江省特色专业建设，与国家引导的新兴产业发展方向正在逐步实现对接。工业4.0、中国制造2025对智能制造产业人才提出了综合性、实践性和创新性三大要求，为积极服务区域产业发展，培养地方社会亟需的智能制造产业工程师，项目组总结分析了传统的机电一体化系统设计课程群教学体系存在的不足，重构与智能制造产业工程师相适应的知识、能力和素质培养目标，与行业企业开展合作构建面向工业4.0具有地方产业特色的智能制造产教融合基地，为人才培养提供平台，积极探索与实践产教协同模式下的课堂教学改革，全面提高产业工程师人才培养质量。

1 智能制造产业工程师人才培养现状分析

当下，随着新一轮科技革命和产业革命的兴起，全球制造业领域正在发生颠覆性的变革。在此背景下，2015年我国智能制造产业产值在1万亿元左右，2020年有望超过3万亿元，年复合增长率约20%。根据“中国制造2025”的规划，2020、2025和2030年工业机器人销量的目标，分别是15万台、26万台和40万台，增长前景诱人。预计未来10年中国机器人市场将达6 000亿元。《智能制造发展规划(2016-2020年)》提出2025年前，推进智能制造实施“两步走”战略：第一步，到2020年，智能制造发展基础和支撑能力明显增强，传统制造业重点领域基本实现数字化制造，有条件、有基础的重点产业智能转型取得明显进展；第二步，到2025年，智能制造支撑体系基本建立，重点产业初步实现智能转型；同时提出十大重点任务之一即明确打造智能制造人才队伍。

智能制造让传统的机械制造发生深刻变革，以往机械制造的发展趋势是细分化，其对人才的需求仍然限于机械行业内部。但智能制造则不限于技术本身，更多是应用的变化，这需要更多拥有跨学科背景的人才，既要懂得机械，又要熟悉电子、通信、互联网等领域。这种复合型人才的储备厚度也在一定程度上决定着区域智能制造行业的发展速度[3]。调查显示，目前一方面是智能制造产业工程师人才需求飙升，一方面是人才供应奇缺，而在人才市场中还有许多低技术人才和大学毕业生未能就业；更为重要的是，智能制造产业工程师人才的大量缺口，已经开始制约相关技术领域的进展，成为产业发展的掣肘[4]。显然，当代智能制造产业工程师人才培养的教学方式与社会需求间仍保持有相当一段距离。长三角区域的地方高校主要通过机电一体化系统设计课程群主干课程的教学实现机电类复合型人才培养目标，但长期以来，该课程群原有的主干课程教学大纲、课程体系、教学内容、教学方法已难以适应区域社会亟需的智能制造产业工程师人才培养的需要，主要表现为：

(1) 课堂教学内容知识体系老化、更新缓慢，课堂教学过程工程缺失。传统制造业转型升级和两化融合时代背景下，机电一体化系统设计课程群课程教学体系已远远不能适应应用型创新人才培养的目标。部分课程如液压与气动、传感器与检测技术等课程所讲授的液压与气动元件、测量方法和测量仪器在数字化生产线、智能化工厂已很少采用，而目前现代化生产线上所使用执行元件、全自动化智能化测量仪器和方法在课程内容中又没有体现，导致学生到工作岗位以后难以运用所学知识。很多专业课程中所讲授的教学内容在当下的企业中也基本不采用，而现在正在使用的一些加工制造设备、工艺方法在课程内容中没有体现，培养的学生知识结构体系没有与时俱进，及时更新，亟需进行课堂教学内容的全面调整和改革；机电一体化系统设计课程实践环节教学内容基本上10～20年没有根本上变化，部分原因是专业教师存在一定的惰性和教师工程能力有所欠缺。例如，在机械装备课程设计中，多年来的设计内容都是“减速器设计”，而现在的制造业以及未来的智能工厂和智能化制造生产线上所采用的机器人、3D打印机、自动化生产线等体现未来制造业发展趋势的工程设计案例没有及时更新到实践教学环节中去。课堂教学脱离企业生产实际，课堂教学内容不以自动化生产线的设计、制造、调试、检测等真实任务作为教学载体，无法实现“教、学、做”的一体化，学生的专业技能和综合素质也得不到有效提高。学生“面对困难、解决困难”能力和态度在课堂教学中受制于课程知识体系约束，不能顺应时代发展，严重影响了课堂教学质量和人才培养素质、知识和能力。

(2) 产教融合、校企协同育人下课堂教学改革滞后。地方高校人才培养，亟需发挥行业、企业、科研机构、社会组织等多元主体人才培养的主体作用，共同制定人才培养标准和开发技术标准，共同培养人才，共同引领行业发展。智能制造、“互联网+制造”其本质是实现工业生产全生命周期的智能化，它的背后不是机器、设备或是网络，而是校企共建产教深度融合实训平台，共同开发技术设备，共同用于生产和教学，确保教学内容与技术更新同步，保证教学设备与生产性设备同步更新。长期以来，地方高校机电类人才培养受制于传统的教育体制，重视理论教学和知识传授，行业、企业、社会组织未参与人才培养。课堂教学模式单一，理论推导多，导致知识灌输、学生被动认识；缺乏富有工程实践经验的师资队伍，学生创新能力培养不够。机电一体化系统设计课程群知识能力的综合性、系统性和应用性特点，仅仅通过课堂教学是远远无法达到教学目标。如机器人平台是开展工程教育的一个良好载体，有利于学生获得宽阔的基础、专业视野和工程实践能力[5]。课程群工业机器人课程教学需要授课师资精通机器人关键理论、技术及应用，因此强化产教融合，推行“车间课堂”应用工程师教育模式，让学生在学校就得到了现场工程师的完整训练，实现学生与工程师之间“零距离”的工程实践衔接。

(3) 课堂教学与地方传统行业企业实际结合少，积聚地方特色创新创业不明显。随着未来制造业的不断转型升级，地方社会对智能制造人才的需求将越来越迫切。目前地方高校智能制造人才培养体系主要侧重于机械设计、加工、测量和制造方面的知识体系构建，学生普遍对机器人、计算机控制、互联网+制造等知识领域的掌握程度较薄弱，培养的人才知识面普遍较窄，难以适应未来工业4.0对制造业人才的要求。智能制造人才更加注重知识体系的综合性、交叉性，所涉及到的教学内容仅依靠课堂讲授远不能满足需求。因此，需要充分利用数字化生产线、智能化工厂的实际生产场景，将生产过程实时传输到课堂，在课堂教学中，让学生能对实际的生产过程进行初步认知，并能通过互联网，实现企业的技术人员对课堂学生进行实时生产的远程授课，也可以通过其他方式先将企业生产过程记录下来，再在课堂中对生产过程进行具体分析。这种以问题为导向、以工程案例为导向的课堂教学改革，通过课堂教学内容的创新，将不断提高学生的积极性和主观能动性。同时需要充分利用差异化竞争优势，立于与地方支柱产业和新兴产业，加强与特色行业企业的紧密联系，邀请相关行业企业总经理、总工结合企业发展历程实际，在课堂教学中释义创新、创业的本质。

地方高校肩负着为区域经济建设服务的重要任务。环杭州湾区域的宁波、杭州为“中国制造2025”国家级试点示范城市，嘉兴、湖州等区域为省级试点示范城市。随着互联网基础的不断发展和大众创业、万众创新的新格局，环杭州湾区域制造业发展面临巨大压力，对地方高校传统制造业人才的培养提出了更高的要求。我校长期坚持以“地方性、应用型、创新型”人才培养为办学定位，近年来积极引进地方龙头企业加入到产教融合中，以人才共育、资源共享、共同实施实践教学环节等途径，实现智能制造应用型人才“双主体”模式培养。产教融合中始终坚持以地方产业实际需求为导向，不断强化专业建设与地方产业、行业发展的契合度和依存度，课堂教学时刻与产业接轨。面对区域产业结构调整和优势特色产业发展实际，面对地方产业亟需的“机器换人”技术应用人才的现状，学校积极探索智能制造人才培养模式改革，逐步形成以机械设计制造及其自动化专业为龙头，以智能装备设计制造为主要方向的浙江省特色优势专业群。机电一体化系统设计课程群课程组经过5年探索实践，提出了应用型地方高校机电一体化系统设计课程群产教协同的课堂教学模式改革，力求构建起与智能制造人才知识、能力和素质培养目标相适应的课程群课堂教学体系，构建起与学生基本能力、工程能力和创新能力相适应的多层次、多模块产教基地，全面提高人才培养质量。

2 机电一体化系统设计课程群课堂教学模式改革

随着互联网技术、信息技术以及微制造技术的飞速发展，人们的生活形式、制造业的生产模式以及经济体的发展模式都发生了巨大的变化。最近几年，3D打印技术、智能化生产、人机互动等创新技术得到了极大的进步及其融合发展，尤其是现代科技与互联网相互融合，对工业形成了重大的影响，使人们的生活和生产方式得到了彻底的改变，并使整个工业生产体系提升到一个全新的水平[6]。随着技术的不断进步，传统的课堂教学模式已经不能满足技术技能型人才的培养要求，改革课堂教学内容、方法，加强培养学生的实践能力是实现地方高校应用型创新人才办学特色的根本途径。因此，产教融合，联合制定智能制造人才培养标准，联合开发课程，共同组织实施教学过程，培养满足企业需要的应用型现场工程师。但长期以来，地方高校机电类专业机电一体化系统设计课程群课堂教学中存在内容陈旧、实用性不强、教学方法单一等问题，课程群综合性、系统性和应用性特点未能真实反映，人才培养框架及双师双能教师应具备的能力和态度不能匹配应用型智能制造人才培养标准，课堂教学不重视发展学生“面对困难、解决真实问题”的能力和态度。

机电一体化系统设计课程群课堂教学是以“应用”为其本质，课堂教学目标必须面向工程实际，教学内容应来源于生产，以对学生应用理论知识分析、解决实际工程问题的能力进行培养。近年来，机电一体化系统设计课程群课程组针对主干课程系统性与工程性强的特点，进行教学模式和教学内容的改革与实践，通过课堂教学与专业实验相结合、课堂教学与生产实习相结合以及创建丰富多彩工程案例，弥补传统课堂教学的不足。机电一体化系统设计课程群课堂教学模式改革主要归纳为三方面：

(1) 以工程化能力为本位的智能制造应用型创新人才培养课堂教学体系重构。随着未来制造业的不断转型升级，对应用型创新人才的需求将越来越迫切。机电一体化系统设计课程群主干课程教学质量的高低，直接影响了智能制造工程师培养中知识体系的完整性和能力的适应性。智能制造人才更加注重理论知识的工程化、系统性、交叉性和综合性，涉及到的教学内容仅依靠传统的课堂讲授远不能满足需求。一方面，课程组针对教材内容比较陈旧，与实际生产脱节，不适应智能制造教育的新要求这一突出问题，通过与嘉兴机械工业联合会、嘉兴市机器换人产业联盟以及天通控股股份有限公司、嘉兴加西贝拉压缩机有限公司等区域龙头企业合作，分别对区域内数字化生产线、智能化工厂主要生产设备、生产工艺进行总结提炼，将新型的计算机视觉装置、典型的驱动元件、检测与自动化仪表应用实例作为教学案例，嵌入到主干课程课堂教学内容；同时编写教材，将主要理论知识与典型应用有机结合，并采用彩色插图予以说明，课程群各门课程前后呼应，有效融合；另一方面，综合实践环节、实训环节，以工程案例为导向，不断提高学生的积极性和主观能动性。将3～4名学生按不同项目，以小组的形式分配到非标准自动化设备产业企业，以企业主导产品为对象，完成从产品的方案确定、三维建模、工程分析、工艺设计到最后的装配调试系统训练。

(2) “课堂教学与生产实践相结合”的课改模式，逐步实现产、学、做一体化。为逐步集聚学校机电类专业的自身传统、行业特色和地域特征，加速形成独特的相对优势和影响力，课程群课堂教学改革应瞄准企业生产实践，积极探究教、学、做的一体化。课程群利用产教融合基地耐思电气、亚特电器等创新型企业软、硬件资源，将企业新产品研发实践并行转化为产教融合项目，学生“边学边干”，实现以学生为主，老师为辅的教学形式，使得实验实践教学与工程实践已不再简单作为知识学习平行线，学生对所学知识的理解和应用从理论层次上升到实践层次。如课堂教学知识点不单使学生熟知典型机电一体化元器件以及设备的基本原理，形成机电一体化技术的思维理念，而且还能根据实际情况对机电一体化元器件型号进行合理选用，将部分元器件组合机电一体化系统，实现特定的功能。课程群在10多年教学过程中，先后挖掘了混合式电动自行车、高精密蓝宝石研磨机、波轮式洗衣机系统设计、汽车生产线自动化输送线、主被动康复训练机等一批典型的企业创新项目。这些项目均为工程案例，且强调了机械和电气的有机结合，学生从开始方案设计、零部件设计计算和仿真、控制编程和实物制作等方面都亲自参与、亲自动手，整个过程使学生从不知到有知，从有知到熟练，从项目中锻炼了学生的设计能力，也提高了学生创新创业能力[2]，挖掘了学生的潜能。

(3) 车间变教室、生产装备变实验实训装置、工程师变主讲教师的课堂教学资源外延式拓展。机电一体化系统设计产品触及生产中各个方面，其内蕴和重点只有在机电产品的设计实践中才能真正领会。近年来，环杭州湾区域众多高新技术企业积聚了一批高技术人才，企业的车间和实验室更新了一批高端装备，通过承担企业自动化生产线项目，结合课程需要开展课堂教学，才能有效克服课程群“双师双能型”教师比例偏低，实践教学环节组织形式较为松散、指导能力不足问题。课程群利用区域内嘉兴礼海电气科技和泰恩弹簧等企业的数字化车间、智能化工厂生产现场，借助于AR、VR及网络技术，将企业数字化生产车间变教室，让课堂教学环境与生产车间相融合，同时部分讲授内容直接放置于生产现场“面对面”教学，如电液伺服系统的设计，直接在某公司液压破碎锤生产现场开展理论和实验教学；为克服实验设备更新慢和投入不足问题，利用产学共建的方式共建各类先进生产装备100多套，不仅服务于教学，同时服务于企业生产，实现了双赢。

图1为校企合作共建的放置于企业车间生产现场的各类典型智能装备，包括高精度多功能六关节机器人、电子线圈自动化生产系统、集成电路外观质量智能化检测设备等。同时，借力于企业的智力资源，聘请一批企业工程师站讲台，传授典型智能装备、智能产品所用到的知识和技术内容。图2为机器换人专家组工程师为学生讲授软磁行业某型号智能装备设计开发的流程，学生在车间接受现场工程师课堂训练。

3 机电一体化系统设计课程群课堂教学改革效果

地方高校机电一体化系统设计课程的课堂教学改革应树立能力与素质为重，知识、能力、素质协调发展的教学理念，实施以产教结合的模式对课堂教学进行一体化改革，培养企业亟需服务于生产一线的应用型、创新型、综合型人才。机电一体化系统设计课程群经过10多年课堂教学实践，开展了项目化为载体的产教融合教学模式改革，主动对接区域优势特色行业企业、社会组织，多方共同梳理课程群的特色方向，制定智能制造工程师人才培养知识、能力标准，共同制定课堂教学方案，共同建设智能制造与机器人应用教学团队，共同实施教学计划，真正实现产教融合。

图1 校企合作共建教学型生产设备

课程组开展的项目化、产教融合课堂教学改革，得到了区域行业企业优势硬件资源和一线产业工程师的智力资源大力支持，通过持续摸索、精心组织、小范围试点和教改班推广，取得了3个方面的突破：

(1) 课程群5门主干课程制订了标准的项目化案例库。为使得案例库同步于技术的发展，制订了项目化案例收集来源、案例库规划、案例库的成果形式与课堂教学效果评价等多个方面规范文件。遴选了一批地方企业生产的智能装备产品，包括关节机器人、直角坐标式机器人、桁架式机器人、焊接工业机器人、智能冲压机器人、立式加工中心、电机定子柔性自动化生产线、全自动光学检测机、双面研磨抛光机等，按照标准二次加工处理为项目化案例；校企共建了一批生产型实验实训智能装备，放置于企业车间，不仅服务于生产，同时服务于教学；传感器与测试技术、液压与气动两门课程先后入选省精品课程和第一批省精品在线开放课程，课程组1位主讲教师入选省教学名师、2位主讲教师入选校教学名师，同时充分发挥区域龙头企业实践经验丰富的高水平工程专家和管理人员参与课程群实践教学，开展学生工程能力的评价。

(2) 重构了一批在企业车间实施的课堂教学内容(见图3)。课程组与加西贝拉压缩机有限公司、浙江生辉照明有限公司、浙江晶科能源有限公司、福赛轴承(嘉兴)有限公司等区域龙头企业合作共建了数字化生产线、智能化工厂产教融合基地，对上述企业的压缩机数字化制造车间、基于制造执行系统(MES)的智能协同制造车间、基地配套自动化仓储中心、轴承磨加工自动化生产装配线均进行了开放式、可持续发展的实践教学环境改造，并设计了机电传动控制、柔性制造系统、立体仓库、伺服系统设计、加工中心、机器人和机电系统总体设计共计6个主题教、学、做一体化车间教学内容，主讲教师由企业总工担当(见图4)，机电传动控制、测试技术、机电一体化系统设计等5门课程根据教学内容关联性和上述企业车间的环境，在企业车间开展不少于2～3次课堂教学。

(3) 将产教融合贯穿课堂教学全过程，课程群开发了以“智能装备系统综合实训”为代表的企业课程。为了让学生在学校就能得到与企业工程师同等的训练，减少学生与一线工程师之间的技能差距，以期达到“无缝隙”的工程实践衔接[7]，课程组利用产教融合基地软硬件资源，一方面大胆尝试 “工匠精神”培养；另一方面围绕机电系统装备调试——工业机器人应用——柔性制造系统方面生产设备和作业环境构建了系统的实践教学平台，开展项目化专题教学。产教融合模式下的课堂教学改革，形成了包含顶岗实习、智能产品创新设计、工程师创业经历宣讲、智能生产技术和智能产品设计专题报告等形式多样化的、协同支撑的立体化课堂教学体系，为学生提供了更为宽阔的大工程背景，解决了目前地方高校人才培养与企业人才需求存在不同程度上的脱节矛盾。

图3 龙头企业开放式实践教学车间、仓库

4 结 语

面对中国制造2025时代背景和环杭州湾产业发展的新格局，产教融合的开放式课堂教学改革给传统的机电类人才培养模式和课堂教学提出了很多新问题、新挑战。在保障机电类专业人才培养规定的必要规范和要求的基础上，机电一体化系统设计课程群课堂教学改革面向企业车间、面向智能制造生产过程、面向智能产品设计，实现了车间变教室、生产装置变教学装备、工程师变主讲教师的“三转变”。针对地方优势特色产业发展亟需的智能制造人才培养，强调以工程实践为中心重构课堂教学内容，通过课堂教学与智能产品设计相结合、课堂教学与智能制造生产实践相结合，将典型的工程案例和地方企业的工程项目融入到主干课程课堂教学中去，通过产教融合创建了理论、实验、视频、讨论、设计等丰富多彩、有特色的应用型创新型课堂教学形式，提高了学生应用知识解决工程问题的能力，主动对接区域行业企业转型智能制造产业工程师人才培养需求，培养了500余名智能制造产业工程师，助推了地方产业升级。智能制造工程师人才培养成果及其影响力表明：机电一体化系统设计课程群课堂教学模式的改革，方向正确，成效显著。

参考文献(References)：

[1] 李 卫,张军昌,黄玉祥，等.“机电一体化系统设计”实践环节教学改革[J].实验技术与管理,2016,33(11):216-218.

[2] 俞 庆,何亚峰,刘春节，等.基于研究性学习的“机电一体化系统设计”课程教学改革[J].装备制造技术,2016(8):257-259.

[3] 佚 名. 智能制造需要国际人才合作[J]. 中国产业经济动态, 2016(16):32-34.

[4] 宁 川. 展望2015如何解决新兴技术人才荒[J]. 数字商业时代, 2014(12):85-87.

[5] 王国江. 基于CDIO的机器人实践教学探索与实践[J]. 中国电力教育, 2014(5):180-181.

[6] 陈以一, 李 晔, 陈 明. 新工业革命背景下国际工程教育改革发展动向[J]. 高等工程教育研究, 2014(6):1-5.

[7] 胡红生,王娟.面向卓越工程师培养计划的“机电一体化系统设计”实践教学改革研究与实践—以嘉兴学院为例[J].嘉兴学院学报,2016(5):139-143.