智能制造背景下的自动化特色专业课程体系重构

杨延丽，刘殊男

1.长春汽车工业高等专科学校，吉林长春，130013；2.长春科技学院，吉林长春，130600

0 引言

专业建设离不开课程体系的改革，而课程体系改革需要依托当前和未来的产业发展趋势，在智能制造大背景下，自动化专业课程改革离不开智能制造背景下的技术路线和人才需求。通过分析当前智能制造发展现状和人才培养问题，结合当下对人才的需求，本文通过专业课程交叉融合、新课程开发、虚拟实验室建设等方式给出了课程体系重构的思路，从根本上解决了毕业生与企业专业技术人才需求的鸿沟，使得毕业生能够快速地胜任企业工作，为未来的专业发展做好知识、技术储备。

1 智能制造发展现状及趋势

目前国内许多高校都在着力建设智能制造与服务特色专业学科，如重庆工商大学机械工程学院依托重庆市的三特行动计划，提出了专业群建设的思路，以错位发展、优势互补、学科融合、资源共享、培养科学创新团队为举措，构建面向智能制造与服务特色学科专业群、与“新工科”人才培养目标相适应的人才培养体系[1]。最近国内已经将人工智能、智能制造工程、智能科学与技术等一批专业列为新兴专业。这些专业依托于信息技术与自动控制的发展，是传统专业与现代需求相结合的产物。由中国电子技术标准化研究院编制的《2020年智能制造发展指数报告》中指出，在“十三五”期间，制造业企业在不断向数字化、网络化、智能化方向发展，企业的相关基础设施建设、信息技术应用不断向前推进。国家也相继出台了多项标准，如《智能制造能力成熟度模型》《智能制造能力成熟度评估方法》等，为制造业高质量发展、提升智能制造能力提供了参考和依据[2-3]。随着智能制造技术的发展，要想建设自动化特色专业，必然要紧跟时代发展的步伐，使自动化的专业课程体系体现出新技术、新理论、新方法。在培养应用型人才及产业合作上，英国于2011年提出了“以学生为中心的教育体系”，并指出就业能力是大学申请者关注的首要因素，通过合理的课程设置及实施机制、产学合作与互动机制、专门制定就业能力培养计划等来实现应用型人才的培养[4-5]。文献[5]分析了工业自动化中应用的智能制造技术，这对我们在智能制造背景下培育优秀的工程应用型人才提供了好的思路。总之，建立基于行业标准的课程开发机制，进行大学课程创新，加强学科交叉融合，创新产学合作与互动机制是建设面向智能制造的自动化特色专业的必由之路。

2 当前自动化课程体系存在的问题

2.1 专业课程内容陈旧，与企业需求不匹配

当前智能制造领域发展十分迅速，文献[6]给出了智能制造技术清单，整理出2035年的智能制造技术预见和路线图，提出了包括面向产品设计和工艺的知识库、离散智能工厂、智能建模与仿真技术、数字孪生技术、智能工业网络等在内的27条智能制造技术清单，显然智能化生产、网络化协同、规模化定制、服务化延伸及数字化管理等多种新业态、新模式加速涌现，各种新技术组合成为主流应用模式，实现优势互补。这些既是当前企业发展的关键技术，也是企业对人才的需求，而当前自动化专业人才培养方案的培养目标定位不合理、规划期较短、综合能力要求不全面，课程体系成果导向不够、课程内容陈旧[7-8]，学生实践能力培养不足，理论与实践脱节，与当前企业所需的毕业生知识储备、专业技术能力不匹配，急需对课程体系进行重构，形成以智能制造为特色的课程体系，服务于智能制造大局。

2.2 学科融合欠缺，特色不明显

当前的自动化课程体系存在学科融合欠缺、专业课程注重各种专业基础知识培养等问题，因此无明显特色，不易树立品牌形象，导致学生就业缺乏竞争力。鉴于此，应充分发挥智能制造学院各专业的优势，深化学科之间的交叉融合，并融入新技术、新工艺、新方法，形成优势学科专业，拓宽学生视野，以培养学生职业能力为核心，建设新的课程模块，实现提高毕业生岗位胜任能力的目标，同时也能为学生毕业后五年的职业发展打下良好的专业基础。

3 课程体系重构

课程体系重构主要包括通识教育与学科基础课程整合、与其他专业课程交叉融合、传统方向专业课程的优化、仿真实践创新平台整合与综合项目开发、创新实践项目等。在扎实专业基础课程、强化数理基础的同时，增加数字化制造、数字化工艺过程仿真等课程的开发，引导学生初步掌握数字孪生在工控领域的应用，掌握先进的设计方法，通过学科间的交叉融合，使得学生所学知识能够与智能制造需求相对接，并为五年内的专业发展提供较好的基础保障。课程体系重构框架如图1所示。

图1 课程体系重构框架

3.1 通识教育与学科基础课程整合

通识教育与学科基础课程整合：将专业英语与大学英语整合成一门课程，丰富专业英语素材，引导学生养成良好的查阅文献、阅读文献的能力；灵活设置该课程的学习区段，学生可在大学前两个学年对其进行学习；其他通识课程不变。

3.2 学科交叉融合

根据中国制造业的需求，应将企业需要的最新技术、工艺、手段、设计方法引入课堂[6]，着力培养学生进行系统设计、分析和调试的能力。智能制造离不开自动化技术与其他学科、专业的交叉融合，根据学校自身的发展情况，应将自动化与计算机、网络、电信及机电等专业进行交叉融合，定制选修模块课程，学生可根据自身发展需求选择各模块课程，而这些专业课以考查课的形式进行考核。这样既可以扩展学生的视野，也可以有效利用教师资源，增进不同学科之间的交流及合作。学科交叉模块设置如下。

（1）运动控制模块：主要将自动化技术与计算机技术相融合，将控制理论与实践相结合，学生重点掌握数据结构、智能控制算法，并进行伺服控制系统及变频器组成的控制系统软硬件设计。该课程可以与传统的电气控制与PLC、PLC高级编程等课程相结合，形成接续关系，培养学生的运动控制系统分析设计能力。

（2）机器人模块：机器人模块需要学生掌握工业机器人及小型机械臂的应用基础、安装调试、操作基础、离线编程技术、虚拟仿真等。上述内容均应以实践为主，可以采取理实一体的方式，通过项目化教学实现教学目标。

（3）工业网络模块：学生能够掌握工业以太网的技术背景、网络配置、环网冗余网络、无线通信、实时通信、防火墙通信、环间冗余网络、虚拟网络VLAN、组播实验等，初步了解工厂网络工程设计方案，具备网络结构设计、工业信息安全策略设计、设备选型、系统实施及测试的能力。

（4）数字孪生模块：以实现数字孪生为重点，实现自动化专业与机电专业交叉融合，让学生系统掌握西门子工业软件的应用，并以生产数字化为主题，引导学生掌握NX-MCD、TIA Portal、Tecnomatix Process Design及Tecnomatix Process simulate等软件的使用，实现建模、仿真、虚拟调试、掌握AR/VR技术，使得学生具备数字化设计的基础。数字孪生技术既可以锻炼学生的产品数字设计能力，也可以减少实验设备匮乏对开展实验教学造成的限制，使得学生能够从设计、仿真、加工、产品装调等生产全过程去了解数字智造的内涵，从而提高学生的应用能力。

3.3 传统方向专业课程优化

电机控制技术、自动控制原理、信号与系统等课程与Matlab仿真技术相结合，降低了公式推导要求，使得学生侧重于应用科学的计算软件去分析、验证、设计控制系统，提高学生的应用能力。PLC课程摒弃原S7-200落后的软硬件知识，采用基于s7-1500、S7-1200及TIA的软硬件来设置课程，系统地帮助学生掌握最新的PLC软硬件知识，并与NX、factory等软件联合使用，实现虚拟调试。经过在竞赛的社团中引入这些先进的软硬件试点，发现学生的兴趣大大增加了，学生不仅能够完成教师布置的任务，更能够通过各种网络、论坛资源对软件的应用案例进行深入挖掘，极大地提高了学生的积极性，因此这种经验可以通过课程改革、教材改革将成果惠及所有学生，总体上提高学生的学习氛围及专业技能。

传统课程改革离不开教材的改革，学校可根据实际情况，与企业合作共同开发教材。如在校企合作中，机器视觉是学生实习就业的热门方向，企业提供了实训的设备，并在学生实习前对学生进行专业的机器视觉培训，且为了使学生建立基本的机器视觉思想，还开发了部分机器视觉案例，实现多功能数据采集、人机交互及智能识别系统，培养了学生的软硬件开发工具应用能力。这些案例可通过校企融合进行优化完善，形成系列化教材，使得新工艺、新技术、新方法能够融入其中，与企业需求相对接，更加注重对学生能力的培养，且提高了与企业的需求对接程度。

3.4 仿真实践创新平台整合与综合项目开发

课程的改革离不开平台建设和项目的开发，学校应充分利用现有资源进行整合以形成以仿真实践为主的创新平台，并根据新的课程标准要求开发综合性的实验项目。

如对我校高级智能测控综合实验台、工业数字化网络实训平台、智能家居测控平台、机器视觉采集平台、模块化工程机器人套件、“探索者”机械原理套件、工业机器人实训系统、在线虚拟机器人仿真软件、工业自动化3D虚拟仿真控制系统、机器人控制套件等平台系统进行整合，开发相应的综合实践项目模块，可分为通用模块及个性化定制模块，以此既能满足学生通用知识及技能的培养，也能根据学生的兴趣进行个性化培养。建设仿真平台时，需要建设与新课程体系相匹配的虚拟仿真平台，这类仿真平台可与已有课程配套使用，也可以配置好NX等软件服务于新开设的课程，通过仿真平台实现虚实结合，培养学生的工程设计思维，提高实践技能。

3.5 专业学科竞赛模块开发

专业学科竞赛是培养学生综合素质的一个途径，能够很好地培养学生自主学习能力、创新能力及专业知识的综合应用能力，培养学生百折不挠的精神。根据以往经验，能够参加学科竞赛的学生人数覆盖率并不高，因此，将学科竞赛引入教学中是将大赛的成果推广和惠及所有学生的一个重要途径，也是以赛促学、以赛促教、以赛促改的重要途径，可根据学校实际软硬件建设条件，结合各竞赛特点单独设置相关模块，在大学第三学期开始推行，根据各学科竞赛安排进行特色课程模块化建设。如三菱电机杯全国大学生电气与自动化大赛，涉及伺服电机、变频器、FX-5U系列PLC、编程、画面设计、电气制图、设备装调、虚实同步等多方面的知识，教师可将该项目进行整合，学生可分组对项目进行学习、创新和探索，这样既可以让学生对整个项目实施过程有深刻认识，提高其参与这些竞赛的能力，更能够培养学生的工程设计思维，提高学生实践技能，锻炼学生的意志及团队协作能力，拓宽学生视野，为学生未来的就业及深造打下基础。同样也可将西门子中国智能制造挑战赛引入课堂。西门子智能制造挑战赛分为多个赛项，高校可根据实际情况选择相应的赛项开发相应的模块，如离散运动控制、离散自动化、协作机器人、信息化网络化等赛项，这些赛项转化为教学模块能够有助于更新教学内容，如电气控制与PLC课程，教师可以由原来的S7-200更改为S7-1200及S7-1500，软件也由STEP7更改为更为强大的TIA，通过将竞赛引入课程，有助于提高学校的软硬件建设水平，将大赛成果惠及更多的学生，提高学生的综合实践能力和工程应用能力。

4 结语

立足应用型本科教育，建设具有特色自动化专业需要从课程体系重构上入手，将智能制造与自动化相关专业理论与技术提取出来，结合我校实际及同类高校自动化专业的发展经验，以智能制造及人工智能领域快速发展为契机，从自动化专业课程体系重构与教学方法改革，指导仿真及实践平台建设，最终形成以服务智能制造为特色的自动化专业建设方案。虽然应用型本科教育与职业本科教育不同，但有许多相通之处，课程体系重构思路也可作为电气自动化技术专业职业本科教育的一个参考。