数控应用新工程师培养的思考

朱弘峰， 崔 立

（上海第二工业大学工学部数字化制造工程中心，上海 201209）

0 引 言

随着教育部《国家职业教育改革实施方案》［1］正式出台和“卓越工程师教育培养计划”［2］的发布和实施，人社部《职业技能提升行动方案（2019—2021年）》［3］及工业4.0概念、中国机械工程技术路线战略［4］的提出，要求数控教学和实践环节培养方法和技术平台必须更先进、更完备，以保证学生所学知识和技能具有实用性、先进性和时代适应性。

所谓工业4.0是德国在新一轮科技革命和产业变革下针对制造业发展提出的一个新的战略举措。其核心特征是互联。所谓互联是指产品全生命周期内的管理数据、设计数据、生产数据、设备运行过程数据、状态数据、服务数据等全方位的实时数据互联。可以响应全球范围内的个性化订单，实现远程接单、全球调度、就近生产、迅速交货的新型产销模式。关键就是全面数字化。

生产制造数字化技术主要涉及数据采集、监控、机器人、数字孪生、切削过程实时分析、机床状态管理6方面技术。其中，数控数字孪生技术推进了零件制造并行工程模式，即零件从设计到生产的虚拟准备和设备虚拟调试分头进行，齐头并进的工程模式。由于没有地域和流程顺序的限制，可能带来新型全球工厂模式。其他技术也都具有革命性进步，如机器人执行数控加工程序、实时切削过程优化、远程诊断、云数控等。可见，智能精密制造，数控技术应用是关键，同时也具有不可限量的发展空间。

教育部、人力资源社会保障部、工业和信息化部联合印发的《制造业人才发展规划指南》指出，高档数控应用相关人才缺口在四百万以上。对于这方面的人才，除了必须掌握新知识、新技能之外，还须熟悉行业概况，了解自身基本能力和职业胜任方向，具备以自身基本能力构建专业能力的能力，以适应快速变革的技术发展状况。因此必须改变传统数控应用课程的培养模式，重新分析职业标准和工程教育认证的达成标准，研发应用前景好的实际工程、创新性好、能力构建性强的培养情境和考核方式。这也是工程教育认证的新内容。

1 行业技术发展动向

1.1 数字孪生（虚拟）技术

目前行业技术的发展主要是数字化转型，并且随着数字化转型的不断深入，人工智能开始接管原来由人控制的生产进程，它们按照人的预设推进整个生产工程的状态事件过程迁移。预设的依据是虚拟仿真。这要求数字环境下的虚拟过程和物理环境下的实际生产过程一致融合。数字孪生技术（即虚拟加工和虚拟调试）正在逐渐实现这样的融合。同时，它所带来的并行工程模式终将取代以项目推进的串行工程模式。这就是一种对整个生产力和效率的优化升级。重点就是虚拟仿真必须如实表现现实生产。就是要将生产中所有的过程和对象全部如实地数字化［5］。

1.2 （实体）设备技术

中国机械工程学会在《设备管理与维修路线图》一书中明确指出设备管理、监测检验、故障诊断、设备润滑、维护修理、更新改造，这6项制约我国智能精密制造发展并且必须实现突破的数字化集成技术的发展路线。同时还按时间序列提出不同时间节点的发展重点、技术发展路径、实现时间等要素，提出了技术创新过程的不同阶段和任务目标［6］。目前，设备使用与维修已有走向市场化、社会化、专业化、绿色化的发展趋向。若以上6项技术能够数字化融通，设备乃至其功能模块作为共享生产资料，可能面向社会不同的生产需求灵活组合，循环利用。生产企业将大幅减负，他们不需要再保有设备，也不需要拥有设备装调维修的技术实力，设备的应用咨询、租赁、维保、回收、翻新重组、技术培训等业务全部交给专业的协同服务企业。当产品生命周期终结，由于设备可以在社会范围重组再利用，企业协同联盟不会再面临重大设备成本损失。这就是数字化融通应用将要带来的一部分社会效益。随着人工智能等级的不断升高，中国智造的未来还会带来更多超越想象的发展。

1.3 人才培养的新任务

目前，机械行业职业能力评价考试站的首要任务就是紧密结合行业技术发展的最新动向，在人社部已有的相关职业标准和培训方法的基础上继续研发，谋求新的发展。努力培养懂设备，懂管理，懂经济社会，具有优良综合能力和职业素养的新型技术人才或管理人才［6-7］。

2 数控数字化技术培训

2.1 具体内容

(1)零件设计数字化。包括零件CAD、CAM设计；零件的物理性能、化学性能、机械性能等数字化建模仿真；零件生产工艺全数字化管理。

(2)生产调试数字化。包括生产过程和环节数字化抽象、虚拟调试、生产计划准备和优化、方案瑕疵和设计错误的更正等。

(3)生产过程数字化。包括设备运行过程和状态数据跨系统实时监控，生产过程全透明化运营等。

2.2 实践环节

包括数据采集、现场总线、工业以太网、机床DCS监控、机器人数控化应用、虚拟加工、虚拟调试、切削过程实时分析、机床状态管理等。对于工程教育本科，基础实验实践仍是教学重点和根本。

2.3 培训过程及存在的问题

培训过程中存在的问题已经在工程教育认证过程中显现出来。工程教育认证是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，可看成从毕业要求设定到达成的过程质量监控［8］。毕业要求矩阵实际反映培养计划指导构建的职业能力空间，它由许多基本能力（可以看成能力的基向量）构成，是高维空间。人们的思维空间也可以是高维的。但生活的现实空间是三维的。施教过程实际就是教师将高维能力空间的教学对象投影到三维现实空间中，以相对低维的实体或信息形式呈现给学生。学习过程就是学生根据教学对象的低维呈现，结合自己已有的能力重构高维意识模型的过程，实现认识过程的第一次飞跃。应用或考核过程就是学生根据自己能力再次将高维意识模型呈现到三维空间的过程，实现认识过程的第二次飞跃。不同的老师和学生，他们的能力空间都是不同的。造成不同人对相同事物认识的差异，反复训练后形成个性化习惯。科学的训练产生正确的习惯，训练不当后患无穷。因此工科教学必须持续改进，目的就在于用实践引导不同学生产生正确的认识，然后理实结合，深化认识，构建能力。这是德国应用科技大学（Fachhochschule，FH）模式的经典教法。传统课程的实践环节只有一个，目的是为了理实对照，但没有反复认识，增强和发挥学生自身基本能力的螺旋上升过程。传统考试也只检查认识对象在考试空间内的统一投射，对卷面反映与教学对象的一致程度进行比较，评分，却从不评价学生的能力构建。总之，从培养目标设定到施教到考试到达成评估，四点不在同一个模型上，这就是传统实践教学的最大问题和持续改革要点所在。

2.4 教学改革相关思考

2.4.1 教学改革的重点

工程和技术是整体和局部的概念。技术构建了工程，能力构建了技术。尝试分析工程中所用到的基本能力发现：工程问题大多数是技术问题；技术问题最科学的解决方法是矛盾隔离法［9］；不同的人对相同的技术矛盾有不同的看法，因此他们会采用不同的手段逐步解决问题。又因为，人的手段是由若干基本能力构建出来的。所以工程问题解决路径的选择就是人的能力构建，也是能力构建达成考核的依据。追溯能力构建的考核能解决教、考不统一的问题。当前工科教学改革的重点就是引导贴近技术问题解法组合的能力构建创新。目前国内已有一定经验［10］。

2.4.2 教、考实施的主体

新工程师培训必须进行基础学科知识、基本工程知识、原厂技术等教学；展开技术矛盾分析、解决方案探索、考虑社会商业环境的工程系统构思、实施运维等能力培训。面对全国数百万计的全日制本科学生和机械行业员工的新数控应用职业能力培训及考评任务，目前唯有工科全日制本科才有能力、有条件、有体量承担培训实施任务。也只有行业职业能力评价考试机构才有资格联合高校有计划、有组织地实施系统化的职业能力认证考试。高校和行业之间需要一个完善统一的考、教体系。

2.4.3 课程体系纲要

作为国际工程教育改革的最新成果，CDIO模式（即工程构思、设计、实施、运行conceive，design，implement，operation），可满足巨大的培训体量和突破传统项目模式的培训要求，是新工科课程体系设立的理想依据。工程教育认证的毕业要求可同时作为本科办学和行业职业能力评价考试的组织开展指导依据。实际上，CDIO的能力纲要和工程认证的毕业要求几乎是完全统一的，CDIO的能力纲要可以看成是对工程认证毕业要求的展开解释，即具体培训内容的纲要。而工程认证毕业要求则可以看成是学生学业考试纲要和学校办学评估纲要。表1、2所示CDIO和工程认证最核心部分的对照比较。表中的能力纲要和毕业要求指标就是社会和企业对新工程人才的能力要求。

2.4.4 超越和突破

随着机械行业全面数字化升级的推进，数字孪生技术、机器学习技术等新技术正在悄然突破以项目为单位的工程模式。注意到工程模式的突破源于解决方案组合方式的变革。数字化工程人才的培养也应该抓住能力构建方式的培训。只有紧扣行业技术应用需求的变化，对基本能力的训练进行优化和增强，同时兼顾解决方案的整体构建。教学方法才会取得超越和突破。

3 新工程师培养方案

3.1 能力构建方案简介

作为工程师的职业能力，工程能力包括技术能力和管理能力。职业能力的构建是从基本能力开始的。为了适应全面数字化快速变革，需要重新分析数字化机电工程师的基本能力及培养方式。

技术能力源自观察能力、分析能力、学习能力、实践能力、创新能力。图1所示是新工程师技能构建方案。引入了既贴近技术问题本质又易于数字化转型观察分析对象，使整个培训更适应未来发展。此图按辐射方向，可看成从各基本能力（培训方法）培养目标的分支展开；按环形方向看，最内两圈是基本能力及相关拓展培训，最外两圈分别是CDIO一级和二级能力纲要。能力培训方法和二级能力纲要可在一定范围内交叉对应（即，可旋转圆盘）。教学设计时，从基本能力（最内圈的一个对象）开始，向外逐次选取一种培训方法，依次与相关一级能力范围内的二级能力目标进行排列组合，分析各种手段培训各项能力的教学意义和施教内容，可梳理出完整的课程体系，并可因人而异选用不同能力构建路径，实现因材施教。因CDIO能力纲要和工程认证毕业要求高度对应，此方案亦适用于工程认证培训。对于职业资格能力评价，培训过程也是一致的。

表1 CDIO能力纲要与工程认证毕业要求对照案例（构思与设计部分）

管理能力源于规划、统整能力、决策能力、执行能力、协调能力、沟通能力、培训能力、统驭能力等。对于管理方面基本能力的拓展培训已有大量行之有效的培训方法，同样可按上述方法找到CDIO能力纲要中的对应目标。这里就不重述了。

3.2 具体培训方法设计简述

机电工程师最关心的技术问题无非就是设计目标、构件结构、动态稳态性能、逻辑过程等。设计目标来自需求分析，分析结果一般能解释为技术矛盾。所谓技术矛盾是指技术系统中两个参数之间存在的相互制约，在提高技术系统的某一参数时，导致了另一个参数的恶化而产生的矛盾。增强有利性能，牺牲其他性能，即为工程解；消除矛盾，使两方面都得到增益，为创造性发明解［9］。空间结构分析解决零件形体构造、传动路线、装配结构、装配关系，装拆逻辑等问题。产品设计成果最终落实为结构，因此结构分析还可引申出装配及加工工艺方法和操作技巧方面的技术要点。从实体结构中体会各方面的技术关联，可看透完整的产品设计脉络。系统模型分析是用数学模型分析控制系统或运动过程动态性能和稳态精度的常用手段。其分析结果是产品性能或装调效果评价的主要依据，也是技术矛盾工程解的量化体现。状态事件分析是一种复杂逻辑控制系统建模方法［11］，现在数控技术应用领域有新的应用，可准确地描述系统的状态、事件、状态迁移条件和迁移过程之间的关系。特别适用于过程逻辑状态分析和异常状态分析［12-13］。

例如，在图1中，转动圆盘，将“技术矛盾分析”和“A1”（认识和系统表述问题）两项对应起来，表示展开矛盾参数在技术系统调整过程中相互影响现象的观察训练，然后系统性地描述出确切的技术矛盾本质及其表现。此后再转动圆盘，将“技术矛盾分析”与“A2”（建立模型）对应，表示从TRIZ技术矛盾矩阵中找出对应的矛盾关系，建立模型，然后可查表找到技术矛盾的解。适合这条路径培养的学生可胜任技术系统调整和研发工作。又如，若将“状态事件分析”与“A1”对应，表示展开控制过程状态随着事件迁移转变的观察，然后准确地描述状态迁移的时机和条件。再将“状态事件分析”与“A2”对应，可建立状态事件控制的逻辑模型……，此路径培养离散自动控制及故障诊断维修能力。用同样的方法，在各项一级纲要范围内交叉组织，列出所有可能展开的教学内容。借助数字化工具展开排查、组合，教学与追溯，可以建立完善的数字化培训教学体系及学员成长基因档案。这不仅可以解决考、教统一问题，而且还能改进职业标准，直接解决校企之间人才供求配对问题。

表2 CDIO能力纲要与工程认证毕业要求对照案例（实施和运行部分）

图1 工程师能力培养构建方案

为顺应实际应用需求，培训方法设计的关键在于底层技术的研发与应用。新技术要具有较宽适应性。例如，要研究状态反馈控制系统稳定性问题时，状态事件分析只改变观察对象，不改变观察方法，仍适用。又如将上述科研投入教学，直接构成全新实验课程，同样适用［14-15］。

4 结 语

在全面数字化转型和快速变革的技术发展环境下，面对大量新型技术人才或管理人才的培养任务，当前工科教学改革的重点就是引导最贴近技术问题解法组合的能力构建创新。高校和行业之间需要一个完善统一的考、教体系。采用最先进的基础技术，展开能力构建培训，完善教学体系，可同时满足工程教育培养目标达成和职业资格能力培训的要求。基础技术的研究、发展和教学应用是关键。