智能制造背景下机械类专业试验教学改革的研究

2022-12-08孙坤鹏李吉成杨丽红罗月芳

农业技术与装备 2022年10期

孙坤鹏，李吉成，杨丽红，罗月芳

（1.云南工商学院智能科学与工程学院，云南昆明 650201；2.云南昆船机械制造有限公司，云南昆明 650201）

1 我国智能制造背景概述

智能制造是基于新一代信息技术和先进制造技术的深度融合，贯穿于设计、生产、管理和服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自适应和自学习等特征，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式[1，2]。《“十四五”智能制造发展规划》明确指出到2025年，70%规模以上制造业企业基本实现数字化和网络化；智能制造装备、工业软件技术水平和市场竞争力显著提升；建设一批智能制造创新载体和公共服务平台[3]。

智能制造包括产品设计、生产制造、生产管理、运营管理和工业互联网等多个关键场景[4]，从高等教育的角度来看，智能制造相关产业主要涉及机械工程、电子科学技术、信息与通信工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、仪器仪表科学与技术和生产管理等多个学科[5]。随着我国智能制造业发展的不断深入，智能制造相关产业对人才质量的需求也随之不断提升，对高等教育提出了新的要求，特别是与智能制造相关的新工科专业。机械类专业高校毕业生是支撑智能制造相关产业高质量发展的重要人才队伍之一，但目前我国部分高校机械类专业教学方式与方法很难为智能制造相关产业培养所需的人才，特别是在试验教学方面，对智能制造人才培养的支撑较为薄弱[6]。

2 智能制造背景下机械类专业试验教学存在的问题

2.1 人才培养目标与智能制造相关产业的需求存在一定差距

智能制造是一个多学科融合的领域，其对复合型人才的需求较大，如技术融合型人才、跨学科融合人才等[7]。智能制造不仅对人才的技术性技能有较高的要求，而且对人才的非技术要求也有了一定的要求。目前部分高校机械类专业的人才培养目标较为单一，未能将智能制造相关产业所需的人才较好地融合到人才培养目标中，与人才培养目标对应的教学内容和教学方法也存在一定的问题[8]。

2.2 缺乏智能制造背景下综合性试验教学环节

机械类专业传统的试验教学环节主要有以下几个方面：第一，课程本身配套的课程试验，如机械制图课程试验、力学课程试验、机械设计课程试验、液压与气压传动课程试验、电工电子课程试验和电机控制课程试验等；第二，实践课程，如金工实习、专业实习等[9]。在传统实践模式下，学生能对某个课程进行较为深入的学习和理解，但是由于缺乏多课程、多学科的综合性实践，很难形成有效的专业知识体系；其次，学生的自主学习能力、沟通协作能力以及自主创新能力没有得到较为充分的引导和训练；再次，由于机械类专业需要掌握的课程内容较多，难度较大，人才培养方案中很难有足够的课时开设交叉学科的课程，缺少交叉学科内容的传统试验很难引导学生学习交叉学科的相关知识。

2.3 试验教学设施亟待更新

试验教学是机械类专业人才培养不可或缺的要素之一[10]。绝大部分高校都已经建立了与课程相匹配的实践试验设施，有些学科发展较好的学校还建设了一定规模的创新中心，但是由于建设时间较长，多数设备只能满足基本的教学要求，无法满足智能制造相关的试验和训练的要求[11]。同时，由于机械类专业试验教学设备价值较高，专业建设经费相对紧张，导致设备更新较为缓慢[12]。

3 基于智能制造全过程的试验教学改革

3.1 智能制造全过程简述

智能制造全过程环包括设计流程、制造流程、管理流程、运营流程和工业互联网等5个部分。设计流程可分为设计仿真、工艺设计和生产工程3个环节，制造流程可分为设备执行、生产控制、生产操作和生产管理等4个环节[13]；管理流程可分为产品订单管理、生产计划管理、供应商及其产品管理、生产管理、品质管理、交付销售和客户支持等环节；运营流程是指产品出厂以后的生命周期流程管理；工业互联网则是将设计流程、制造流程、管理流程和运营流程有机的融合在一起，实现各个流程的互融互通、协调工作和高效生产，智能制造过程见图1。

图1 智能制造全过程示意图Fig.1 The schematic diagram of the whole process of intelligent manufacturing

3.2 以智能制造产业需求为导向的人才培养方案修订

分析我国智能制造产业发展现状以及走势，调研企业对智能制造人才的需求，确定人才培养目标。以人才培养目标为导向，结合本校学生的基本情况，制定合理的人才培养方案。应注意以下几个问题：第一，人才培养方案是否能在培养学生技术能力的同时对非技术能力进行有效培养；第二，人才培养方案中的基础课程是否能满足学生持续续发展需求；第三，人才培养方案中的试验教学内容能否在夯实学生专业知识的基础上引导学生自学更多交叉学科的知识；第四，人才培养方案中试验教学内容的综合性能否满足智能制造相关产业的需求；第五，人才培养方案中试验教学内容应该分为基础性试验和综合性试验。

3.3 智能制造背景下试验教学内容的改革

为了更好地发挥试验教学的作用，在人才培养方案中将试验教学分为基础性试验和综合性试验2个部分，见图2。其中，基础性试验主要指的是单个课程专业试验，综合性试验主要指的是跨课程、跨学科的试验。对于基础性试验内容，应适当改革学生按照试验指导书进行试验的传统试验教学方式，应适当编排试验内容，引进先进的教学理念，激发学生对试验课程的兴趣，提高学生自主探索试验的积极性；引导学生认真观察试验现象，科学严谨的撰写试验分析报告，培养良好的学习、工作和科研习惯。对于综合性试验内容，根据智能制造全过程场景设计试验项目，并且根据人才培养目标将智能制造全过程试验内容分为重点试验和普通试验，对于重点试验，学生在完成试验之后，应该对其试验的技能有一个充分的认识，同时对于试验相关知识有一个较好的认识，并能开展相关知识的自主学习；对于普通试验，学生完成试验后，能较为扎实的掌握试验内容，并且对试验相关知识有一个基本的了解。

图2 试验教学内容划分Fig.2 The division of experimental teaching content

3.4 智能制造背景下试验教师队伍的改革

目前，高校试验指导教师多为校内教师，校内教师具有丰富的试验知识和教学经验[13]，但是由于智能制造领域技术发展迅速，校内试验指导教师的知识体系与企业现实需求可能存在一定的差异，在传递智能制造行业新知识方面可能存在一定困难。校企融合型教师队伍是将企业骨干技术人员引入课堂，为学生传授行业或者企业最新的技术动态，引导学生积极探索未来所从事行业的知识与技能。试验教学引入校企融合教师队伍改革，有利于学生接触到行业最新的知识和技能，同时与企业型教师沟通，有利于学生了解未来自己行业的需求，激发学习兴趣，更有利于学生从实战的角度对知识进行学习和掌握。

4 虚实结合的智能制造全过程的试验教学场景构建

部分高校现有实验室虽然不能满足智能制造相关产业的人才培养需求，但是实验室及设施仍具有很大的价值[14]，仍能反应智能制造某个环节的相关内容，因此在现有实验室的基础上进行改造升级，能在有限的经费投入下达到较好的智能制造全过程实验教学场景的构建。但是，由于智能制造涉及了多个学科的试验项目与场景，普通高校很难有能力建成一个所有环节均是由现实设备构成的试验平台，虚拟实验室作为目前常用的一种教学手段，其通过将试验内容编制成计算机运行的仿真系统供学生进行试验，解决了现实试验中的多个问题，也能很好解决智能制造全过程试验教学场景构建过程中的问题。

目前常见的虚拟试验类型有3种：第一，基于PC端的虚拟仿真试验，该类型试验是将试验软件系统置于PC端内，学生通过鼠标和键盘控制试验过程，通过PC端显示器来观察试验结果；第二，基于虚拟现实技术的虚拟仿真试验，该种试验需要PC端和虚拟头盔共同实现，PC端负责运行试验系统，虚拟头盔则负责现实三维全景试验结果的成像并对试验过程进行控制；第三，基于混合现实技术的虚拟仿真试验，混合现实技术能将虚拟的试验景象与现实景象进行融合显示，提高了虚拟试验的沉浸感。