智能制造工程新工科专业制造技术类课程体系构建及课程思政建设*

蔡高参 王丙旭 李红军

（浙江理工大学机械工程学院 浙江杭州 310018）

所谓智能制造，是一种集自动化、智能化和信息化于一体的制造模式，是信息技术，特别是互联网技术与制造业的深度融合、创新集成。基于此，智能制造是实现中国从“制造大国”向“制造强国”迈进的关键，而智能制造工程专业人才是推进智能制造发展的支撑和能源动力。作为新工科专业的代表之一，智能制造工程专业涉及数字化设计及制造、先进制造、信息系统控制、增材制造等领域知识，而增材制造（3D打印）技术属于智能制造领域内非常具有代表性的先进制造技术手段之一。其中，增材制造（3D打印）技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层扫描并打印的方式来构造物体的技术，已成为新工科的热点专业之一。由此可见，智能制造工程专业开设增材制造（3D打印）技术相关课程已成为当下工科类高校的发展趋势，也是时代发展的必然。而大力发展增材制造（3D打印）技术也是我国今后一段时期推进“中国制造2025”的主攻方向之一。因此，在此背景下，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的智能制造领域相关科学技术人才，离不开增材制造（3D打印）技术相关人才的培养；而构建新工科背景下先进制造技术类课程体系对于推进智能制造领域人才培养具有十分重要的现实及战略意义，也是建设制造强国和创新型国家的重要前提和基础。

因此，需要对智能制造工程专业制造技术类课程体系进一步完善，构建以增材制造（3D打印）技术为主线的先进制造技术类理论课程体系，并辅以具备虚实结合功能的实验/实践教学环节、必要的独立实践环节，以提升该新工科专业的核心竞争力，并培养适应新工科环境下智能制造领域内的新型复合人才。

一、智能制造工程专业制造技术类课程体系现状

1.智能制造工程专业现有的制造技术类课程体系

截至2022年，我国已有 264 所高校设立了智能制造工程这一新工科专业。然而，因开设该专业的时间相对较短，与该专业相匹配的制造技术类专业课程体系还不够完善，且其制造技术类的课程体系大多参照传统机械工程、机械设计制造及其自动化专业而设置，大多以“铸造技术”“锻压技术”“焊接技术”“粉末冶金”技术等为主要讲述内容的《成形制造技术基础》课程为专业基础课程，再加上《金属切削原理与机床》（或《金属切削原理与刀具》）《机械制造工艺学》等课程，以及以“数控加工技术、激光加工技术”等先进制造技术为主要授课内容的《现代加工制造技术》课程为主体而构成的制造类理论课程体系，并配以一定课时的课内实验/实践教学环节。因以传统制造技术基础为主要授课内容，且其对应的专业实验室功能较为单一，其缺乏综合性、创新性的课内实验/实践教学环节及功能十分单一，导致学生上课时的主动参与度明显不够，进而造成学生听课不认真、基础知识点掌握不牢靠，从而不利于新工科环境下智能制造领域专业技术人才的培养。

2.智能制造工程专业现有的制造技术类课程体系的不足

因基本以传统机械工程专业、机械设计制造及其自动化专业制造类课程体系为基础，当前，高校智能制造工程专业现有的制造技术类课程体系还不够完善，其对新工科背景下智能制造领域人才的培养未能满足社会发展的需求。而在设置了智能制造工程专业的高校中，虽有少数高校已开设了《增材制造技术》《3D打印技术基础》等智能制造类相关课程，但其整体理论课程体系并不完善，且其对应的实验/实践类课程体系建设方面存在一些共性问题：一是现有课程教授理论知识而无法做到理论与实践相结合；二是创新教育落实比较困难；三是因传统制造技术基础类课程占用课时较多，而导致智能制造实践性环节学生参与度不够；四是实践教学过程中智能制造领域的工程背景弱化明显，从而阻碍了智能制造工程专业增材制造领域相关技术人才的培养。

为解决这些共性问题，迫切需要构建新的制造技术类课程群，并辅助以新的实验/实践教学环节以构成新的制造技术类课程体系，突出制造技术的智能化、时代化及信息数字化，以更好地促进智能制造领域复合型技术人才的培养。

二、智能制造工程专业先进制造技术类综合课程体系的构建

为了更好地培养新工科背景下智能制造领域的专业人才，需在考虑现有的相关理论、实践/实验课程及专业综合实验室条件下，合理地构建先进制造类专业课程体系。若想改善智能制造工程专业现有的制造类课程体系传统成形制造技术基础授课学时偏多、理论与实践不能有效结合、智能制造工程背景弱化明显、学生主动参与度不够的现状，构建智能制造工程专业新的先进制造技术类课程体系需从以下几个方面综合考虑。

1.构建传统制造技术基础+先进制造技术+增材制造技术为主线的制造技术理论课程群

为适应新工科、智能制造工程专业增材制造技术领域技术人才培养的需求，新的制造技术类课程体系建设方案如下：结合现有的传统制造技术基础课程，新增先进制造技术以及增材制造（3D打印）技术课程，构建集传统制造技术基础理论、先进制造技术、增材制造（3D打印）技术于一体的制造技术类理论课程体系，培养学生既能基于传统减材制造、等材制造技术为基础，又能综合运用现代加工制造技术及增材制造（3D打印）技术，并基于云计算、大数据、物联网、数字化制造等前沿信息化技术解决智能制造领域的复杂工程问题。

所构建的智能制造工程专业制造技术类理论课程群应包含以下课程：

（1）传统制造技术基础：以“铸造”“锻压”“焊接”等经典成形制造技术为基础的《机械制造技术基础》课程，精简、缩短相应课时为12学时；融合“金属切削原理”及“机械制造工艺学的”《加工制造技术基础》课程，缩短相应课时为16学时；辅以相应的课内实验/实践教学环节4学时。

（2）先进制造技术：以数控技术及编程、激光加工技术、电子束加工、超声波、高能束加工等技术为主的《现代加工制造技术》课程，精简相应课时为16学时；并配以数字孪生系统为主的独立实验/实践教学环节，实现虚实结合功能。

（3）增材制造（3D打印）技术：以增材制造（3D打印）技术工艺为主要授课内容，重点讲述立体光刻技术/光固化成形（SLA）、选择性激光烧结技术（SLS）、叠层实体成形（LOM）、熔融沉积成形（FDM）、三维印刷成形（3DP）等理论技术原理，精简授课学时为16学时，并配以16学时的课内实验/实践教学环节，训练学生三维建模、数字化模拟仿真及桌面型3D打印设备打印典型零件过程，增强学生对增材制造（3D）打印技术的理解。

（4）智能制造概论：主要讲述内容有：①以高度概括的形式讲述智能制造的基本概念、智能制造内涵、主要特征、技术优势、应用及发展趋势；以物联网、信息物理系统、工业大数据、传感器技术、人工智能技术、网络安全系统等为主的智能制造关键技术；②以产品全生命周期管理系统（PLM）、制造执行系统（MES）、信息物理系统（CPS）、企业资源计划（ERP）等为主要架构的智能制造系统；③智能制造工艺，以制造工艺为主线，讲述智能设计技术、智能制造装备、智能生产线及智慧工厂；④工业机器人系统，包含机械系统、控制系统、传感系统、轨迹规划与编程等内容；⑤数字化制造技术，主要包括产品数据的数字化处理、逆向工程技术、虚拟制造技术等。理论授课20学时，并配以12学时的课内实验/实践教学环节。

2.构建集三维建模、数值模拟仿真、数字孪生综合实验为一体的制造技术类虚实结合实验/实践课程群

根据所构建的智能制造工程专业制造技术类理论课程群，并加入具备虚实结合功能的实验/实践教学环节及独立实践课程，使学生具备传统制造技术基础+数字化三维建模+智能模拟仿真+数字孪生等虚实结合能力，用于培养智能制造领域先进制造类综合技术人才。

在现有的具备虚实结合功能的综合实训平台上（图1）进行理论及实验/实践教学，使学生全程参与，并在综合实践时，能够实现产品三维模型的建立，利用SolidWorks等三维建模软件对产品进行三维模型的设计；通过ANSYS Workbench Additive仿真软件，对产品的加工过程进行热应力耦合计算，评估打印质量，优化支撑结构；利用数字孪生技术，对现有模型进行多物理量、多尺度、全方位的扫描识别，在虚拟中完成映射，从而实现产品加工过程的虚拟仿真。整个设计、建模、模拟加工过程借助计算机的自动计算及虚拟仿真来实现，具备精确化、可靠化、智能化特征，达到学生掌握数控机床编程与模拟仿真相结合、数字化工厂数字孪生仿真实训之目的。

图1 智能制造生产线综合实训平台

所谓虚实结合，虚是实的前提和基础，指虚拟仿真，学生可在现有的综合实训平台上进行模拟仿真，在线模拟所设计产品在加工过程中的形态变化，提升学生对智能工厂及智能制造的整体概念；实是实践，根据虚拟仿真的过程，学生可进行实际操作，选定具体零件在综合实践平台上进行加工，体验模拟的真实性、准确性及可靠性。同时，构建这种互为联系的虚实结合理念，对培养新工科背景下智能制造领域的复合型人才具有很好的促进作用。

此外，根据智能制造工程专业的培养方案，结合新工科的特征，培养智能制造领域复合型人才，需淘汰一些不符合新工科要求的传统实验/实践教学环节及独立实践课程，并增加一些自主性、综合性、智能性、研究探索性较强的综合实验/实践课程、独立实践课程，以完善新的专业实践课程体系，培养学生具有机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等学科知识交叉融合、应用复合型高级工程技术人才。

3.构建师生共建的虚实结合综合运行平台二次开发教学新模式

根据智能制造工程专业现有的综合实践运行平台（图1），结合新工科的培养需求，对该综合实验平台进行二次开发。开发过程中，要求做到师生共同参与，教师从企业需求实际出发，为学生提出软件编程设想；学生从自身爱好及特长着手，进行实训平台的二次编程开发。所构建的智能制造专业增材制造技术虚实结合运行平台二次开发教学模式主要实训项目包括以下内容：三维建模的实训、模型参数调整的实训、产品尺寸的优化实训、锻造、锻压、冲压、拉伸的模拟仿真实训、产品创新式设计实训、产品前处理模拟实训、打印参数设计实训、打印路径设计实训、支撑设计实训，模拟中产品的拓扑优化实训、模拟产品结构线性静力实训、模拟产品力学静态载荷实训、模拟产品优化目标实训、模拟产品拓扑优化不同约束条件下的产品质量、体积实训、模拟产品片体模型处理实训、模拟点阵结构的分析实训、模拟内置点阵结构实训、产品可靠性分析实训、模拟产品预热实训、模拟产品热处理实训、模拟打印的激光功率、扫描速度、扫描间距、基板温度对产品质量的影响实训、研究增材制造过程的微观机理实训、观察熔池特性、孔隙预测、温度历史、微观结构预测的变化实训、对产品后处理实训，进行实验验证实训，以达到学生为中心、学生高度参与的目的。经过师生共同参与下的二次开发，该智能制造综合实训运行平台作业流程如图2所示。

图2 综合实训平台作业流程图

4.构建校企深度结合模式下的制造技术类实践课程体系

在强化智能制造工程专业制造技术类课程综合实践过程中，为改善智能制造工程专业现有实践课程体系的不足，所构建的虚实结合综合实践课程体系应充分结合企业元素、企业需求及企业特征，采取校企联合授课模式，借助智能制造领域相关企业代表，如杭州喜马拉雅信息科技有限公司的增材制造（3D打印）相关技术优势、专用3D打印仪器设备资源及工程实践背景，邀请企业工程师全程参与构建智能制造工程专业制造技术类实践课程体系，以弥补现有的实践课程中智能制造领域工程背景弱化的不足。在这种校企深度结合模式下授课时，校内教师主讲理论基础知识，企业工程师现场/在线讲解增材制造（3D打印）技术相关实践课程，结合具体零部件的3D打印过程，实现对学生的综合能力培养与提升，并增强学生对增材制造（3D打印）技术的掌握与应用，达到强化智能制造综合实践课程体系中的工程背景之目的，真正做到了产学合作，同时也促进了产学合作协同育人目标的达成。

5.开展新工科背景下制造技术类课程体系课程思政建设

根据课程思政的内涵及特点，课程思政在本质上是一种教育，目的是为了实现立德树人。另外，课程思政也是一种教育教学理念、一种思维方式。从某种角度而言，所有的课堂都要有育人的功能，新工科背景下的课堂更应如此。基于此，所构建的制造技术类课程体系不能只讲专业技术理论及实验/实践课程的学习，应同时开展课程思政建设。其中，传统制造技术基础课，应培养学生在学习传统基础知识过程中具备追求卓越的创新精神；先进制造技术课，应培养学生具备精益求精的品质精神；增材制造技术及智能制造概论课，应培养学生具有大国工匠的民族自豪感，具有干一行爱一行的爱岗敬业的职业精神。

此外，根据新的课程体系授课，要注重教学方法的不断探索、实践和创新。在企业工程师授课过程中，高校教师要结合企业实际及时地发掘课程思政元素，以讨论的形式传递给学生；在授课时，要结合企业的具体案例、现场实际案例讲解抽象的知识点，并用哲学的观点阐述其基本理论。

课程思政建设，同样需要创新教学方法，并及时添加最新素材。在授课过程中，应以“实例+互动+结合科研+课后反馈”相结合的方法实施课程思政建设，并在现有的教学素材基础上，及时添加最新素材，如人工智能、数字孪生等在课程章节知识点中的应用，既可吸引学生注意力，又做到了与时俱进。实例用于引出具体的思政元素，互动环节进一步解释思政元素的实际意义，将知识点与相关科研实践相结合可佐证创新精神、创新理念的现实意义，结合课后学生的反馈意见，可对课程的教学进行总结与反思，便于后续对课程思政建设进行必要的改进与创新。

综上所述，新工科背景下，构建智能制造工程专业制造技术类课程体系，培养面向国际、面向未来的智能制造领域高端人才，不仅要完善现有的理论及实践/实验课程群，而且还要对虚实结合功能的综合实践运行平台进行二次开发，并构建校企深度结合的实践类课程授课模式，同时对该课程体系进行课程思政建设，促使学生综合掌握智能制造各方面的知识，全面地提升学生的工程背景，并帮助学生树立正确的社会主义核心价值观，从而培养出适应新工科环境的智能制造领域新型复合人才。