“智能制造实训教学系统”创新实训课程教学探索

席佳乐，霍亚光，孙 鑫

（长安大学现代工程训练中心 陕西 西安 710018）

近年来，全球正在经历一场以智能制造技术为核心，通过数字化制造、柔性制造、绿色制造等先进技术改造传统的制造产业，推动产业结构的优化和升级。新技术给经济社会发展带来的更深层次的意义在于思想观念和思维方式的转变，学生需要具备使用新技术的能力和新型的认知方式，深刻理解工程中的创新思想，定制化设计理念以及可持续的技术路线，以适应未来的职业发展。2021 年，由我国工信部、教育部等八个部门联合发布的《“十四五”智能制造发展规划》提出[1]，要继续以智能制造为主线，推动产业优化，提高效率效益。

为了响应国家号召，培养紧跟时代发展的创新型人才，结合长安大学提出的“开放发展年”行动计划，长安大学在现代工程训练中心的全力支持下，拟开设一门全新的基于“智能制造实训教学系统”的创新实训课程。该系统集成了多项先进技术，包括工业机器人、PLC通信技术、数控加工技术以及RFID 检测技术等，为实践教学提供了强大的支持。通过这门实训课程，学生将能够直观地学习到智能制造的相关知识技术，并领略到学科交叉的独特魅力。

1 教学策略及模式

图1 （p104）为智能制造实训教学系统，总共可以分为三个模块单元，即智能加工单元，智能检测单元以及总控信息管理单元，由于其模块众多，其中所涉及的知识点多且复杂，整体产线实训的难度较大，所以本课程计划将其化整为零，再联零为整，将复杂的整体智能制造产线分模块、分形式进行教学设计[2]。

图1 智能制造实训教学系统

如图2（p104）所示，主体的教学模式采用课堂讲授、模拟仿真以及现场实训三种模式。三种模式虚实结合，层层递进，旨在培养学生的综合创新能力、动手能力以及团队协作能力。

图2 教学模式

1.1 课堂基础

课堂讲授部分作为整体实训的起始部分，同时也是整体实训的基础，主要目的是夯实前期的基础知识，掌握基本指令的使用场景，该部分主要涵盖PLC 通信、ABB 工业机器人的相关编程基础、数控机床建模及加工指令编程基础、AGV 小车轨迹规划、三坐标基础测量方法。

1.2 模拟仿真

模拟仿真部分主要是为了在安全的操作环境下，让学生能够将前期所学东西做一个串联，直观地学习到如何通过相应的指令操控硬件设备[3-4]，该部分主要涉及三个相应的模拟仿真软件，数控机床模拟软件Hypermill、ABB 工业机器人模拟仿真软件RobotStudio、PLC 通信模拟软件博途、机电一体化虚拟调试软件NX MCD。

1.3 现场实训

在模拟仿真阶段操作熟悉并确认程序无误之后，进行现场实训部分，现场实训部分首先对单个部分进行现场操作实训，包括数控加工中心、ABB 工业机器人、AGV 小车及三坐标测量，最后在指导老师的指导下，进行联机操作，完成整体产线的实训。

2 教学课程设计

教学课程设计采用联零为整的思路，如表1 所示，分为局部和综合两个板块，局部板块主要基于智能制造实训系统的三个模块开展层层递进的课程设计，每一个模块的课程都是依据从基础到仿真模拟，再到现场实训这样的教学模式进行设计[5]。总控信息单元模块共设置3 部分实训内容，通过该部分实训课程，能够让学生熟悉PLC 的编程与组态，相当于是构建好整体实训产线的“大脑”；智能加工单元分为六部分实训内容，该部分的实训能够让学生熟悉数控基础、ABB工业机器人、AGV小车的一些基础操作以及控制方式，相当于构建好整体智能产线的“躯干”；智能检测单元分为三个部分，通过该部分的实训，学生能够使用三坐标测量机完成基础工件的测量，并编译好对应程序，这相当于构建好整体智能产线的“感官”。

表1 课程内容设计

通过局部板块的实训，便可以使智能加工系统的“大脑”“躯干”“感官”实现独立的运动，而整体板块是对整体智能产线的实训，也就是实现“大脑”控制“躯干”，“感官”监控行为的作用。

3 教学创新

教学创新主要针对两个点，一个是课堂开展方式，传统的实训教学课堂多是通过教师使用设备向学生介绍和演示的方式进行，这种教学方式所带来的弊端是，学生在听完之后上手操作依然会存在很多的困惑以及危险情况，并且对于实训内容也多是知其然不知其所以然，在整个实训课程结束之后也无法通过实训内容对于自己的专业课程有更进一步的认识和思考。基于以上问题，在教学方式上，计划采用工程项目应用式教学[6]。

对于三个基础模块，分专业设置不同的基础项目。本课程计划面向机械、电控、信息三个大类专业的学生开设。所以对于电控专业学生，有一定的编程基础，所以将教学重点放在对工业机器人、数控机床等的编程指令上，对于数控模型的建立等可以弱化，所以以一个模型简单，但是要求ABB 工业机器人整体运行姿态高效、AGV 小车路线更复杂的工程项目引导实训课程。而对于机械专业学生，设计建模及能力较强，所以可以弱化通信与编程部分，可以设计一个模型复杂、对ABB 工业机器人姿态要求不高、AGV 路线简单的基础项目；对于信息专业，将重点仿真PLC与各个设备之间的通信上，可以设计一个需要整体联动所有设备，通信逻辑更强，更精准的基础项目。

在所有专业完成基础项目之后，所有学生自由组队，鼓励不同专业学生融合组队完成综合项目。综合项目涵盖所有相关的知识内容，需要完成一个PLC 逻辑更优化、模型较复杂，AGV小车路线更精准、ABB工业机器人姿态灵活高效、整体加工误差较小的工程项目。

教学创新的另一点是评测方面，基于“以赛促进”的思路[7]，首先对于不同专业，设置不同的基础评测标准，学生在完成基础项目后，根据学生的完成情况给出一个基础分值。然后这个基础分值作为进入综合项目的前期本金，成员组队进入综合项目之后，所有组员的分值之和作为团队前期本金，可以通过帮助他人获取其他团队手里的分值，也可以在完成项目时使用分值降低项目某一部分的难度。最后在项目结束时，团队每个成员将团队分值根据贡献度分配给组内成员，该部分得分作为自评得分，再由指导老师综合自评及完成项目时的表现给出一个最后得分。

4 结语

对于工科专业，实训教学是本科教学中非常重要的一个板块，传统的实训教学多注重学生动手能力的培养，对于学生综合工程能力的培养仍有欠缺。智能制造实训教学系统的引入，为提升学生的工程实践能力和创造力提供了一个很好的平台，但由于其模块众多，所涉及的知识点多且复杂，所以目前很多实训教学多是以演示了解为主，并未让学生深入学习。基于“智能制造实训教学系统”，本文依据化整为零，再联零为整的思路设计了一种新颖丰富的教学课堂，以“虚实结合”为策略，以“以赛促教”为手段，使学生能够在实训中体会多学科交叉融合的魅力，构建起清晰的基础知识框架，促进精准的工业化认知。