面向新工科的工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)基地課程體系與平臺(tái)構(gòu)建

劉 洋, 謝勝利, 杜玉曉, 蔡述庭, 王永華

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

為了主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等一系列國家戰(zhàn)略,2017年2月以來,教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè),先后在復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)和北京召開了關(guān)于高等工程教育和新工科建設(shè)的研討會(huì),形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”[1]。此后,教育部又發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》和《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》,對新工科建設(shè)進(jìn)行全面部署和安排,要求進(jìn)一步深化工程教育改革,培養(yǎng)德學(xué)兼修、德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)工程人才,探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國。

針對新工科建設(shè)重大研究課題,很多專家學(xué)者從不同角度開展了研究與探索[2-9]。本文借鑒諸多專家學(xué)者的經(jīng)驗(yàn),基于我校工業(yè)4.0智能制造實(shí)驗(yàn)基地,面向新工科的自動(dòng)化專業(yè)建設(shè),開展綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系與平臺(tái)構(gòu)建的探索,為自動(dòng)化、電子信息相關(guān)專業(yè)的新工科建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供新方案。

1 實(shí)驗(yàn)基地平臺(tái)構(gòu)建

2013年4月,德國提出實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略,2015年5月,中國政府發(fā)布了《中國制造2025》, 提出實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)新型制造業(yè)人才[10-11]。近2年來,許多高校為了適應(yīng)新的工業(yè)革命帶來的變化,著手建立工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)室或智能制造實(shí)訓(xùn)基地[12-13]。

作為廣東省高水平大學(xué)重點(diǎn)建設(shè)高校之一,廣東工業(yè)大學(xué)肩負(fù)著為廣東現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)人才的重任,與廣東崛起共成長,為廣東發(fā)展作貢獻(xiàn)。自動(dòng)化學(xué)院以“雙一流”建設(shè)和廣東省高水平大學(xué)建設(shè)為契機(jī),以實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0版”為抓手,以自動(dòng)化專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證為切入點(diǎn),在新工科建設(shè)的背景下,大力推進(jìn)工程教育改革,不斷深化人才培養(yǎng)模式改革,進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)科建設(shè),搭建專業(yè)平臺(tái),強(qiáng)化人才培養(yǎng)。由院長領(lǐng)銜,帶領(lǐng)1名長江學(xué)者、2名國家杰青和3名國家千人,秉承“培養(yǎng)德智體全面發(fā)展,具有寬厚、復(fù)合、創(chuàng)新特征的工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才”的宗旨,依托現(xiàn)有的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國家級(jí)工程實(shí)踐教育中心和廣東省復(fù)雜過程信息物理融合系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,籌措資金2 000余萬元,引進(jìn)先進(jìn)的汽車智能制造生產(chǎn)線,與西門子(中國)有限公司開展合作,組建了廣東工業(yè)大學(xué)—西門子工業(yè)4.0智能制造實(shí)驗(yàn)基地。

汽車制造行業(yè)對自動(dòng)化技術(shù)要求高,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,集機(jī)械、電氣、液壓、氣壓、工藝、過程控制、產(chǎn)品管理、物流、倉儲(chǔ)等多方面于一體,大量應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人,生產(chǎn)流程復(fù)雜,成品款式多、規(guī)模大、可定制化生產(chǎn)。因此,汽車制造是最為典型的智能制造行業(yè),需要大量自動(dòng)化專業(yè)人才。

基地全真模仿實(shí)際汽車智能制造工藝流程,由沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間、物料倉儲(chǔ)上料單元、裝配加工檢測單元、成品倉儲(chǔ)入庫運(yùn)輸單元等組成?；氐娜S布局如圖1所示。該汽車智能制造系統(tǒng)包括6臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、2臺(tái)西門子PLC、4臺(tái)變頻器、總控臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)傳輸帶、RFID、工業(yè)交換機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、FMS管理軟件、3D打印機(jī)等。平臺(tái)采用西門子智能工廠架構(gòu),分為現(xiàn)場層、控制層、操作層、管理層、企業(yè)層。它利用先進(jìn)的控制策略和服務(wù)軟件,將硬件進(jìn)行集成,構(gòu)建了先進(jìn)的柔性制造系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了人、產(chǎn)品、設(shè)備之間的智能通信與協(xié)同工作。

圖1 工業(yè)4.0智能制造實(shí)驗(yàn)基地三維布局圖

根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)新工科建設(shè)的要求和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要,將工業(yè)4.0智能制造基地分為數(shù)字化工廠實(shí)驗(yàn)室、基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室和綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室,分別開展不同內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué),如圖2所示。其中,西門子集成自動(dòng)化中心作為基礎(chǔ)應(yīng)用體系之一,功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富,它為培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)綜合型、創(chuàng)新型人才提供了良好的平臺(tái)。

圖2 工業(yè)4.0智能制造實(shí)驗(yàn)基地組成

2 實(shí)驗(yàn)基地教學(xué)新模式

深入貫徹工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心的教育理念、成果導(dǎo)向的教育取向、持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量文化”,必須革新實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)模式[14]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是理論驗(yàn)證和簡單設(shè)計(jì),讓學(xué)生加深對基本原理的理解并掌握基本專業(yè)技能[15],強(qiáng)調(diào)以課本知識(shí)為中心,局限性大,缺乏綜合性和系統(tǒng)性。因此,按照新工科建設(shè)和智能制造對人才素質(zhì)和能力的要求,結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)實(shí)際,提出了一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,見表1。

新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式采用導(dǎo)師制,以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)開展綜合實(shí)驗(yàn),探索個(gè)性化人才培養(yǎng)模式。導(dǎo)師鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)興趣和職業(yè)規(guī)劃,自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容,給學(xué)生個(gè)性化發(fā)展提供更加廣闊的空間,突出實(shí)踐能力、專業(yè)能力和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng),依據(jù)學(xué)習(xí)過程和結(jié)果進(jìn)行綜合成績評(píng)定[12]。這樣,教學(xué)就從教課本知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)習(xí)方法,培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的能力,從單功能、單個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟K化、系統(tǒng)化的綜合性設(shè)計(jì)與應(yīng)用,注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的可持續(xù)發(fā)展。依托工業(yè)4.0汽車智能制造實(shí)驗(yàn)基地,培養(yǎng)學(xué)生互聯(lián)網(wǎng)思維和大數(shù)據(jù)意識(shí),樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育“新理念”[5],從培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才的角度出發(fā),啟迪學(xué)生注重用戶參與、關(guān)注用戶體驗(yàn)、追求完美的工匠精神,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造的巨大轉(zhuǎn)變。

表1 兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對比

為了保證實(shí)驗(yàn)基地具有一流的教學(xué)師資力量,學(xué)院不斷加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)。由長江學(xué)者、國家杰青、國家千人、珠江學(xué)者、教授和中青年教師共同協(xié)作,通過“海外專家傳幫帶,國內(nèi)骨干學(xué)趕超,行業(yè)龍頭助轉(zhuǎn)化”的方式,實(shí)施人才“引進(jìn)、共享、培養(yǎng)”的策略,每年選派至少2名骨干教師到國內(nèi)外知名高校訪學(xué),啟動(dòng)青年教師素質(zhì)提升工程,讓青年教師到知名高校助課、助研、學(xué)歷提升或者進(jìn)企業(yè)鍛煉,來提高教學(xué)和科研能力。同時(shí),每年至少聘任2名知名企業(yè)技術(shù)骨干擔(dān)任基地兼職教師。另外,實(shí)驗(yàn)基地設(shè)置了門禁和電腦刷卡開機(jī)系統(tǒng),利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理軟件,對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)基地采用開放式管理,24 h安防視頻監(jiān)控,既保證實(shí)驗(yàn)室安全,又提高實(shí)驗(yàn)室資源利用率[15]。

3 實(shí)驗(yàn)基地課程新體系

面向新工科的自動(dòng)化專業(yè)建設(shè),必須充分利用現(xiàn)有師資和教學(xué)設(shè)備,依托工業(yè)4.0智能制造基地,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)新理念,以現(xiàn)代工業(yè)實(shí)際應(yīng)用必需的知識(shí)和技能為中心,以解決實(shí)際工程應(yīng)用問題為導(dǎo)向,以培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程能力為目標(biāo),全面革新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程體系,培養(yǎng)具有一定科學(xué)素養(yǎng)和較強(qiáng)工程技能的專業(yè)性綜合性人才。

根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)的要求和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo),以工業(yè)4.0智能制造體系架構(gòu)為主線,基于汽車智能制造工藝和設(shè)備,全新開發(fā)了4個(gè)不同層次的“自動(dòng)化綜合課程設(shè)計(jì)”實(shí)踐課程,見圖3。課程包含專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、專業(yè)選修課等理論課程對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,從第1層次到第4層次,從基礎(chǔ)到提高,從建模仿真到實(shí)際系統(tǒng),從硬件軟件分析設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行,從分散性實(shí)驗(yàn)到綜合性設(shè)計(jì),既著重基礎(chǔ)知識(shí),又強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng),既有傳統(tǒng)的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn),又融合機(jī)器人和人工智能技術(shù)實(shí)驗(yàn),突出互聯(lián)網(wǎng)思維和大數(shù)據(jù)意識(shí)的培養(yǎng),幾乎涵蓋了自動(dòng)化專業(yè)所有教學(xué)內(nèi)容和相關(guān)工程技術(shù),構(gòu)成了完整的綜合實(shí)驗(yàn)課程體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課程的同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),理論為實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)又讓學(xué)生加深對理論知識(shí)的理解,兩者相互促進(jìn),相得益彰。通過課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“知識(shí)—能力—素質(zhì)”3個(gè)層次的轉(zhuǎn)化和提升,完成了“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新”3個(gè)層次的培養(yǎng),構(gòu)建了理論實(shí)踐相結(jié)合、卓越工程師教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合的多層次一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系[16]。

圖3 汽車智能制造西門子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)與課程體系

4 實(shí)驗(yàn)基地教學(xué)新內(nèi)容

與自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容完全不同,基于工業(yè)4.0智能制造實(shí)驗(yàn)基地新的課程設(shè)計(jì)包括建模仿真、專業(yè)基礎(chǔ)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)等4個(gè)層次,具體學(xué)時(shí)安排如表2所示。每個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)課程包含多個(gè)實(shí)驗(yàn)小項(xiàng)目。以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力,有利于培養(yǎng)高層次、高素質(zhì)、多樣化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才[17-18]。

表2 綜合課程設(shè)計(jì)的學(xué)時(shí)安排

“自動(dòng)化綜合課程設(shè)計(jì)Ⅰ”通過系統(tǒng)建模與仿真的系列訓(xùn)練,著重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)仿真與建模的能力,并了解智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀與體系框架?！白詣?dòng)化綜合課程設(shè)計(jì)Ⅱ”通過自動(dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)系列訓(xùn)練,著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決簡單工程問題的能力,能熟悉和應(yīng)用西門子全自動(dòng)化系列產(chǎn)品及元器件,并了解機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)。“自動(dòng)化綜合課程設(shè)計(jì)Ⅲ”通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作的模式,完成倉儲(chǔ)、上料、沖壓、焊裝、涂裝、總裝等各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,熟練掌握硬件設(shè)計(jì)和軟件編程?！白詣?dòng)化綜合課程設(shè)計(jì)Ⅳ”通過將智能制造各子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào),完成整個(gè)生產(chǎn)線的建模、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和調(diào)試,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和項(xiàng)目管理的基本能力,并提高學(xué)生對工程、社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識(shí)。

總之,綜合課程設(shè)計(jì)共涉及到21門課程和22個(gè)實(shí)驗(yàn),由淺入深,循序漸進(jìn),各個(gè)模塊既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)、全面統(tǒng)一,構(gòu)成了工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)基地教學(xué)新內(nèi)容,形成了自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程的新體系,開辟了智能制造及新工科人才培養(yǎng)的新途徑。

5 結(jié)語

工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)3年來,綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式和工程教育改革取得了很好的效果。一方面,學(xué)生做實(shí)驗(yàn)更積極、更主動(dòng)、能獨(dú)立思考并解決問題,在一批國內(nèi)外大學(xué)生創(chuàng)新競賽中均取得佳績。學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)積極性被激發(fā),創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升,為就業(yè)和創(chuàng)業(yè)打下了良好基礎(chǔ)。另一方面,我校組建工業(yè)4.0汽車智能制造實(shí)驗(yàn)基地,開展自動(dòng)化專業(yè)工程教育改革和創(chuàng)新,在全國工程教育專業(yè)認(rèn)證和教育部本科教學(xué)工作審核評(píng)估過程中得到專家的一致好評(píng)。在教育部公布的全國第四輪學(xué)科評(píng)估中,控制科學(xué)與工程學(xué)科被評(píng)為A-,自動(dòng)化專業(yè)2018年全國排名第16名。利用工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)基地開展新工科建設(shè),為自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)提供了有效的新途徑。