面向智能制造的复合型人才培养实践教学体系构建

许德章

[摘 要]在智能制造技术迅速推广和广泛应用的背景下，机械制造业装备水平不断提升，生产模式不断更新和演化，这对从业人员的知识结构和专业能力提出了全新的要求。从智能制造技术的特征入手，深入剖析离散型智能制造领域专业人才能力的构成;以自动化专机或机器人工作站、生产线设计为线索，统筹考虑课程设计、实验、实习和实训等实践教学环节的安排;基于模块组织教学内容，融合“机器人”“大数据”“人工智能”和“互联网”等内容，构建复合型人才培养的实践教学体系。

[关键词]机械类;复合型;人才培养;实践教学;教学体系

[中图分类号] G642.0;G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）10-0161-04

近现代机械制造业经历了“机械制造时代”“电气化和自动化时代”和“电子信息时代”，以及目前尚未完成的“智能制造时代”。在传统的机械制造业中，“工艺”和“设备”形成了企业的核心技术。机械类专业人才培养通常也是基于制造工艺和制造装备两条主线，规划学生的专业知识结构和专业能力框架。在自动化生产线成为机械制造业主要生产手段的情形下，企业渴望具备“机电融合复合型特征的人才”。然而，我国高校受到院系条块分割设置的限制，机电融合复合型人才培养情况并不理想。企业往往设置机械工程师、电气工程师、软件工程师等职位，组成项目团队完成自动化生产线或专机的研发和调试工作。机电复合型人才的缺失不仅限制了人力资源效率的充分发挥，而且严重制约了产业的技术升级和“两化”融合的推进，复合型人才已经成为机械制造业的稀缺资源。

新一轮科技革命和产业变革将同人类社会发展形成历史性交汇[1]，在新科技革命、新产业革命、新经济的背景下，针对当下工程技术人才支撑制造业转型升级能力不强，传统工程人才相对过剩，制造业人才结构过剩和短缺并存，企业“用工荒”与毕业生“就业难”共存的局面，我国工程教育改革面临重大战略选择。2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后在复旦大学、天津大学和北京召开了关于高等工程教育和新工科建设的研讨会，形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[2]。此后，教育部又发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》[3]，旨在培养多元化、创新型卓越工程人才，为未来提供智力和人才支撑。

在信息化和智能化向机械制造业渗透不断加深的形势下，我国传统机械制造业的转型升级正处在关键时期[4-5]，机械类专业学生实践能力和创新精神的培养，已成为新时代机械类专业人才培养的共识[6]。结合智能制造技术发展趋势，在构建机械类实践教学体系时，需要突出“机器人”“大数据”“人工智能”和“互联网+”等要素;学生深度参与的新模式，体现自构知识体系和能力结构[2];具备多学科融合、复合型特征，独立解决复杂工程问题能力的培养。

当前高校开展的大多数实验课程都是以课本的原理为出发点，以印证理论知识的可行性与准确性为主要目的开展实验课程教学[7-8]，实验教学的理念和内容无法满足多学科融合、复合型特征的人才培养需要[9]。理论讲授和实践教学是工程教学的主要手段，实践教学通常包含课程设计、实验、实习和实训。若仅从实验教学的角度探讨复合型人才培养还远远不够，本文希望将课程设计、实验、实习和实训看作一个整体，探讨实践教学体系构建的问题。

一、智能制造技术特征

首先从智能制造技术特征的角度，系统地研究从业人员的能力构成[10]，再讨论复合型人才培养的实践教学体系。按制造业的行业特点，智能制造通常划分为“离散型智能制造”“流程型智能制造”“网络协同制造”“大规模个性化定制”和“远程运维服务”5种模式。其中，多数机械制造业可以归结为“离散型智能制造”模式。以“离散型智能制造”模式为例，基于“基本技术要素”和“附加技术要素”两个维度，评价“离散型智能制造”的技术特征，见表1。依据生产规模和技术复杂性，“基本技术要素”逐一评价“智能单元或机器人工作站”“智能生产线”“智能车间”和“智能工厂”4个层级的技术特征;基于“产品（工艺）管理”“可视化管理”和“信息安全”3个维度，“附加技术要素”逐一评价其技术特征。其中，“基本技术要素”界定了离散型智能制造必备的技术特征，“附加技术要素”属于引领性技术特征。“离散型智能制造”的技术特征大致勾画了机械制造业从业人员的岗位任務，以及应该具备的专业能力。

二、机械类人才专业能力构成

仔细研究“离散型智能制造”模式的技术特征，不难发现隐含其中的两条主线，一是自动生产设备或机器人工作站间的柔性连接，二是自动生产设备或机器人工作站间的数据交换[11]。柔性连接需要借助工业机器人、移动机器人和物料输送装置;数据交换需要借助工业互联网[12]。因此，机器人和互联网成为智能制造系统的标配[13]。建立在两条主线上的灵魂则是数据分析、流程优化、仿真模拟和可视化，即人工智能技术的运用。2019年1月，人社部拟发布15项新职业。本文摘取“工业机器人系统操作员”“工业机器人系统运维员”“人工智能工程技术人员”3项新职业，其“定义”和“主要工作任务”列入表2，为规划“智能制造时代”机械类专业实践教学提供了有益参考。

三、复合型人才培养途径规划

我国机械制造业发展极不均衡，既涌现出沈阳新松机器人自动化股份有限公司[14]、徐州徐工液压件有限公司、上海人本集团有限公司、南京高精传动设备制造集团有限公司、三一重工股份有限公司等一批优秀企业，在智能制造领域取得了长足的进步，又存在相当数量的企业还没有走完“电子信息时代”，甚至“电气化和自动化时代”的制造模式。因此，在规划机械类专业实践教学体系时，既要充分考虑大量中小企业的现实需求，又要有前瞻性和引领性[15]。有鉴于此，从“表达能力”“操作技能”和“方案构思与设计”3个维度，描述了机械类专业学生毕业时应该初步具备的专业能力。表3描述的专业能力，不仅包含了机电融合的特征，而且明确指向解决复杂工程问题，涵盖了自然科学和工程科学理论的运用。

图2以“自动化设备或机器人工作站”和“智能生产线”为线索，描绘了机械类专业实践教学体系的轮廓。依据学生工程能力培养规律，在完成“自动化设备”设计任务前，需要逐一完成“机械传动”“机械结构”认知和设计，以及“机械制造工艺”和“机电设备控制”实验和设计等教学任务。在完成“智能生产线”设计前，逐一完成“数控机床”和“工业机器人”操作实训，以及“工业机器人拆装”等分科目训练，在“智能生产线”设计过程中，融入“MES系统”“工艺流程规划”“生产环境感知”等体现智能制造方面的内容。

充分调动学生“动脑”和“动手”是确保教学目标达成的基本手段。涉及“动脑”的教学环节包括理论讲授、作业、设计、实验和实习;涉及“动脑”的教学环节包括作业、设计、实验和实习。除理论讲授外，“动脑”和“动手”基本重叠。因此，需要从学生知识和能力构成的整体角度，合理规划设计、实验、实习和实训等实践性教学环节。

基于专业实践与专业理论课程相剥离的原则，按知识或能力模块划分，设置为综合实验、讨论课、课程设计、实习和实训等形式，实践教学科目以周为单位编入教学计划进程表，单独设置学分。

图3清晰地刻画了安徽工程大学（以下简称“我校”）机械类专业实践教学计划进程。其中，“组合夹具”“机器人拆装”和“智能制造系统”设置成讨论课，采用实验室现场教学的方式，讲解、操作或设计、讨论和主题发言交替安排，学生口头表达能力与操作技能、设计等思维能力培养相融合。实验室改造成集讨论式教学、实验、实训和设计等功能于一体的实践性教学场所，实验室场地得到了充分利用。

为了展示主要实践教学组织和实施情况，本文摘取了几张实践教学场景的照片。图4是课程设计的场景，图5是PLC和电路实验的场景，图6是机器人工作站装调实验的场景，图7是工业机器人拆装和测绘的场景。

我校机械类专业包括机械设计制造及自动化、车辆工程、过程装备与控制工程、机械工程、机械电子工程和机器人工程等专业，均依据复合型人才培养的思路，规划实践教学环节。在图3的基础上，各专业根据自身特点适当修改，但大部分实验资源能够得到多个专业共用。如车辆工程专业用“发动机拆装”替代图3中的“机器人拆装”;过程装备与控制工程专业由“过程控制综合实验”替代“机器人工作站装调”等。

四、结语

在新工科建设项目的资助下，针对机械类人才培养，我校在实践教学体系重构方面开展了积极探索。本文以复合型人才培养为主线，以实验资源最大化利用为原则，按模块组织教学内容，按科目编排实施方案，形成了我校独具特色的实践教学体系。教学实践表明，本文所述的实践教学体系克服了以往碎片化、综合性差、学生参与度不够、训练不充分等不足，到了学生的广泛欢迎和同行的充分认可。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：陈 明]