面向工業(yè)4.0需求的機(jī)械制造類本科教育課程體系探討

◆韓奉林 嚴(yán)宏志

面向工業(yè)4.0需求的機(jī)械制造類本科教育課程體系探討

◆韓奉林 嚴(yán)宏志

從工業(yè)4.0的技術(shù)內(nèi)涵著手，提出工業(yè)4.0時(shí)代機(jī)械制造行業(yè)從業(yè)人員的知識(shí)和能力特殊要求。分析當(dāng)前高校機(jī)械制造專業(yè)課程體系，并針對(duì)性地提出WJ4Z（W，網(wǎng)絡(luò)；J，集成；4Z包括制造、自動(dòng)、智能、治理或管理）課程體系結(jié)構(gòu)，可為我國(guó)高校機(jī)械制造專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的修訂提供參考。

工業(yè)4.0；機(jī)械制造；課程體系

1 前言

在經(jīng)歷過全球金融危機(jī)之后，各發(fā)達(dá)國(guó)家意識(shí)到制造業(yè)乃是立國(guó)之本，紛紛制訂發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃，如德國(guó)的“工業(yè)4.0戰(zhàn)略”、美國(guó)的“先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略”、英國(guó)的“英國(guó)工業(yè)2050戰(zhàn)略”、日本的“機(jī)器人新戰(zhàn)略”、韓國(guó)的“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”等。其中影響最大的當(dāng)屬德國(guó)的“工業(yè)4.0戰(zhàn)略”。我國(guó)也結(jié)合國(guó)情建立了中國(guó)版的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略計(jì)劃——“中國(guó)制造2025計(jì)劃”[1]。

做強(qiáng)制造業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵在人才。為配合國(guó)家層面的發(fā)展戰(zhàn)略，迎接制造全球化競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)符合工業(yè)4.0需求的機(jī)械制造行業(yè)人才是擺在高等院校面前的急迫任務(wù)。

我國(guó)機(jī)械制造專業(yè)課程體系起源于蘇聯(lián)，隨著信息技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)的不斷滲透，課程體系也在不斷變化。目前已基本符合自動(dòng)化制造（工業(yè)3.0）的需求，但對(duì)于工業(yè)4.0的前瞻性仍然不夠，許多工業(yè)4.0的核心內(nèi)容在課程設(shè)置中未充分體現(xiàn)。

本文將從工業(yè)4.0的技術(shù)內(nèi)涵及對(duì)人才知識(shí)和能力的需求著手，梳理國(guó)內(nèi)知名高校的機(jī)械制造類課程體系，分析目前培養(yǎng)計(jì)劃的不足，并探討面向工業(yè)4.0的機(jī)械制造本科教育課程體系的構(gòu)建。

2 工業(yè)4.0的技術(shù)內(nèi)涵及對(duì)人才的需求

工業(yè)4.0是基于德國(guó)高度發(fā)達(dá)的業(yè)軟硬件系統(tǒng)及高素質(zhì)的勞動(dòng)者的基礎(chǔ)上，將制造“由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式”，并通過信息世界與物理世界的高度融合，以及三項(xiàng)集成（縱向集成、端對(duì)端集成、橫向集成），實(shí)現(xiàn)一種智能化的、社會(huì)化的生產(chǎn)模式[2]。

工業(yè)4.0首先要求底層的制造單元高度自動(dòng)化，并具備一定的智能；其次尤其強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全面滲透，特別是建立物理信息系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems），實(shí)現(xiàn)制造過程的實(shí)時(shí)感知、高效協(xié)作，從而達(dá)到制造資源的高效調(diào)配；同時(shí)制造企業(yè)的邊緣將更加的模糊，具備很高柔性的小型企業(yè)將構(gòu)成制造業(yè)的主體，它們通過“互聯(lián)網(wǎng)+”的方式相互協(xié)作，滿足多變靈活的市場(chǎng)需求。

工業(yè)4.0實(shí)施的前提是具備高素質(zhì)的勞動(dòng)者。工業(yè)4.0時(shí)代的機(jī)械制造從業(yè)者除了需要具備傳統(tǒng)的機(jī)械制造專業(yè)知識(shí)外，還需具備如下知識(shí)和能力。

先進(jìn)的管理方法和技術(shù)手段工業(yè)4.0的技術(shù)支持和目前國(guó)內(nèi)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)將造就更多的小微企業(yè)。一方面，小微企業(yè)中技術(shù)與管理人員往往兼于一身，要求人人懂管理；另一方面，企業(yè)間廣泛的橫向集成，也對(duì)企業(yè)的管理提出更高的挑戰(zhàn)。因此，工業(yè)4.0時(shí)代，從業(yè)者管理知識(shí)廣度和深度都顯得更為重要。

先進(jìn)的管理理念總是要通過信息管理和分析平臺(tái)落地實(shí)現(xiàn)，因此，ERP、大數(shù)據(jù)等信息管理和處理手段是提升企業(yè)管理水平的有力工具。

系統(tǒng)集成能力 工業(yè)4.0通過萬(wàn)物互聯(lián)、信息相通，使得處于制造活動(dòng)中的設(shè)備、物料、人員構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的強(qiáng)耦合系統(tǒng)。處于制造系統(tǒng)中的各種技術(shù)、設(shè)備、物料資源、人員配置等要素需要通過有機(jī)的集成，才能使得總體制造系統(tǒng)發(fā)揮最大效能。

3 現(xiàn)有機(jī)械制造類本科生課程體系分析

通過對(duì)清華大學(xué)（2014—2015版，代號(hào)Q）[3]、上海交通大學(xué)（2015級(jí)，代號(hào)S）[4]、浙江大學(xué)（2014級(jí)，代號(hào)ZJ）[5]、華中科技大學(xué)（2014版，代號(hào)H）[6]及中南大學(xué)（2012版，代號(hào)ZN）[7]機(jī)械制造方向本科生培養(yǎng)計(jì)劃的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有課程體系可劃分為如下板塊。

1）傳統(tǒng)機(jī)械制造類課程：包括機(jī)械制造工藝學(xué)或機(jī)械制造基礎(chǔ)、互換性與技術(shù)測(cè)量、制造裝備設(shè)計(jì)、材料加工原理等機(jī)械制造專業(yè)的基本知識(shí)，基本所有院校都有開設(shè)。

2）先進(jìn)制造技術(shù)類課程：代表性課程包括激光加工概論（Q）、精密與特種加工（Q、ZN、H）、先進(jìn)制造技術(shù)（H、ZH）、微納制造導(dǎo)論（Q）等。

3）制造自動(dòng)化類課程：代表性課程包括數(shù)控技術(shù)（H、ZN）、自動(dòng)化制造系統(tǒng)（ZJ）、計(jì)算機(jī)輔助制造或數(shù)控編程（H、ZN）、機(jī)器人學(xué)（Q、S），以講解數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化控制、機(jī)器人原理與應(yīng)用為主。

例2：在Rt△ABC中，AB=5，AC=3，AC延長(zhǎng)線上有一點(diǎn)D，AD=8，點(diǎn)P以1單位/s的速度從D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)，點(diǎn)Q以2單位/s的速度從A點(diǎn)向射線AB的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其中一個(gè)動(dòng)點(diǎn)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，另外一個(gè)隨之停止運(yùn)動(dòng)。試探究：幾秒時(shí)，△APQ為直角三角形。

4）管理及信息化類課程：代表性課程包括生產(chǎn)計(jì)劃與控制（S）、質(zhì)量管理與控制（ZJ）、制造自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)（S）、制造過程信息管理系統(tǒng)（Q）等。

5）特殊行業(yè)制造類課程：講解特定專業(yè)的制造工藝和裝備，如現(xiàn)代汽車制造（S）、柔性電子制造技術(shù)基礎(chǔ)（H）等。

通過上述的梳理，對(duì)比工業(yè)4.0的人才需求，發(fā)現(xiàn)仍存在如下問題：

1）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)幾乎是空白，雖然有的院校在其他課程中略有提及，但作為工業(yè)4.0制造系統(tǒng)中的神經(jīng)系統(tǒng)，顯然對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重視程度不夠；

2）管理方法與技術(shù)手段仍是短板，雖然有院校開設(shè)了相關(guān)專業(yè)，但存在前后續(xù)課程承接不當(dāng)，課時(shí)不足的問題；

3）強(qiáng)調(diào)局部單體技術(shù)，在系統(tǒng)集成方面不足。

4 面向工業(yè)4.0需求的機(jī)械制造WJ4Z本科教學(xué)課程體系構(gòu)建

從工業(yè)4.0的技術(shù)內(nèi)涵及人才的要求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有課程體系，提出WJ4Z課程體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在該課程體系中，制造（Z）課程、自動(dòng)控制（Z）課程、智能感知及控制（Z）課程、管理（治理，Z）課程構(gòu)成4Z單元技術(shù)課程模塊，4Z通過網(wǎng)絡(luò)（W）技術(shù)，采用系統(tǒng)論的方法有效集成（J）。制造（Z）課程是基礎(chǔ)，包括傳統(tǒng)冷、熱加工工藝與裝備，以及新興的制造原理和方法；自動(dòng)控制（Z）課程包括計(jì)算機(jī)控制、數(shù)控原理等；智能感知及控制（Z）課程包括機(jī)器視覺、人工智能、大數(shù)據(jù)處理等；管理（治理，Z）課程包括制造企業(yè)管理方法及信息化輔助手段；網(wǎng)絡(luò)（W）技術(shù)課程包括工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)思維等內(nèi)容；集成（J）是貫穿于各模塊教學(xué)中的總體系統(tǒng)方法論。

WJ4Z課程體系與現(xiàn)有體系的主要區(qū)別在于：

1）把原來(lái)處于邊緣地帶的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)放在與制造類、自動(dòng)化類等課程同等重要的位置，突出其在制造中的重要性；

2）加強(qiáng)智能感知與控制技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，推動(dòng)以自動(dòng)化為代表的工業(yè)3.0人才培養(yǎng)向以智能化為代表的工業(yè)4.0人才培養(yǎng)發(fā)展；

3）進(jìn)一步明確管理方法與信息技術(shù)在機(jī)械制造類學(xué)生的知識(shí)體系中的重要地位，為培養(yǎng)復(fù)合型人才奠定基礎(chǔ)；

4）強(qiáng)調(diào)集成，突出總體觀。

圖1 機(jī)械制造WJ4Z本科教學(xué)課程體系

5 實(shí)施WJ4Z課程體系的注意事項(xiàng)

1）由于總的學(xué)時(shí)數(shù)有限，需要做到有增有減，內(nèi)容編排上保留基本和核心內(nèi)容，一些特別專業(yè)化的內(nèi)容可適當(dāng)削減或改為自學(xué)；

2）體系內(nèi)的管理、智能感知、網(wǎng)絡(luò)等教學(xué)模塊應(yīng)與相關(guān)專業(yè)的內(nèi)容、教學(xué)方法不同，應(yīng)突出機(jī)械制造的行業(yè)背景，不宜全面攤開，以免造成內(nèi)容太多，重點(diǎn)不收斂；

3）由于新增的網(wǎng)絡(luò)、智能感知等內(nèi)容要與計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)有所不同，因此要加強(qiáng)特色教材編寫工作，同時(shí)也要加強(qiáng)教師的自身知識(shí)體系的完善。

6 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家發(fā)展，人才先行。培養(yǎng)滿足工業(yè)4.0發(fā)展需求的機(jī)械制造行業(yè)人才是“中國(guó)制造2025”順利推進(jìn)的重要保障。由于課程體系從計(jì)劃到實(shí)施具有一定的滯后性，因此，本文前瞻性地從工業(yè)4.0的技術(shù)內(nèi)涵出發(fā)，總結(jié)了工業(yè)4.0時(shí)代機(jī)械制造行業(yè)的人員需求，針對(duì)性地提出WJ4Z課程體系，以期為我國(guó)高校機(jī)械制造類專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃修訂提供一定的參考。

[1]延建林,孔德婧.解析“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與“工業(yè)4.0”及其對(duì)中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的啟示[J].中國(guó)工程科學(xué),2015(7): 141-144.

[2]朱鐸先,胡虎.工業(yè)4.0:錯(cuò)過互聯(lián)網(wǎng)革命的大國(guó)反思[N].人民郵電,2015-06-29(5).

[3]清華大學(xué).2013—2014學(xué)年度本科課程介紹[EB/OL]. [2014-10-30].http://www.tsinghua.edu.cn/publish/newthu/ newthu_cnt/education/pdf/201410.pdf.

[4]上海交通大學(xué).機(jī)械動(dòng)力類:機(jī)械工程2015級(jí)培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)類課程[EB/OL].[2015-9-18].http://electsys.sjtu.edu.cn.

[5]浙江大學(xué).2014級(jí)機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)方案[EB/OL]. [2014-10-21].http://ugrs.zju.edu.cn/attachments/2014-10/01-1413858337-1010980.pdf.

[6]華中科技大學(xué).華中科技大學(xué)本科專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃:機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院[EB/OL].[2014-10-30].http://jwc.hust. edu.cn/show/article/articleShow?id=2463&type=fwzq_pyjh_0 %20.

[7]中南大學(xué).2012版中南大學(xué)本科專業(yè)培養(yǎng)方案（中冊(cè)）2[EB/OL].[2013-1-9].http://bksy.csu.edu.cn/info/1026/1773. htm.

A Discussion on Construction of Courses System for Mechanical Manufacturing Major Oriented to Requirements of Industry 4.0

HAN Fenglin,YAN Hongzhi

The technical connotation of industry 4.0 was discussed and the knowledge and ability requirements of the practitioners in mechanism manufacture industry in the industry 4.0 time were proposed. The current course system of the mechanical manufacturing engineering of domestic universities were analyzed. A WJ4Z course system was put forward. It is expectant to provide reference for the revise of the training plans of mechanical manufacturing engineering.

industry 4.0;mechanical manufacturing;course system

G642.3

B

1671-489X(2016)02-0084-03

作者：韓奉林，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化；嚴(yán)宏志，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、副院長(zhǎng)，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化（410083）。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.084