智能制造背景下機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

張衛(wèi)芬 李永梅 董祥國(guó) 嚴(yán)紅霞

摘 要：在當(dāng)前智能制造背景下，學(xué)生在多學(xué)科交叉的專業(yè)知識(shí)、產(chǎn)品研發(fā)、解決復(fù)雜工程問(wèn)題等方面的能力需要提高，對(duì)機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的需求。針對(duì)目前機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題，文章提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思路，即建立“多層次、系統(tǒng)化”的實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，更新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)校企協(xié)同育人，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)，強(qiáng)化集中實(shí)踐環(huán)節(jié)。文章根據(jù)智能制造需求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，并進(jìn)行了實(shí)例分析。文章針對(duì)機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探索，為新時(shí)期培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：智能制造;機(jī)械專業(yè);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0? ? 引言

隨著新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代的到來(lái)，智能制造成為制造業(yè)發(fā)展的重中之重，在此背景下，傳統(tǒng)的培養(yǎng)方案、課程體系、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式等要與智能制造相關(guān)領(lǐng)域的新知識(shí)的快速發(fā)展相協(xié)調(diào)，教育模式要能適應(yīng)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。學(xué)校除了要培養(yǎng)學(xué)生具有寬厚的自然科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程科學(xué)基礎(chǔ)之外，還需提高學(xué)生在多學(xué)科交叉的專業(yè)知識(shí)、產(chǎn)品研發(fā)、解決復(fù)雜工程問(wèn)題等方面的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育中人才培養(yǎng)的重要組成部分，更是培養(yǎng)人才實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的重要方式與方法。如何適應(yīng)智能制造的需求，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)的變革，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力是亟待解決的問(wèn)題[1]。

1? ? 機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)存在的主要問(wèn)題

工科專業(yè)的特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在教學(xué)中占有舉足輕重的地位。開(kāi)設(shè)足夠的教學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的重要手段[2]。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下問(wèn)題。

（1）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。許多實(shí)驗(yàn)流于形式，大部分實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，驗(yàn)證理論課程知識(shí)，而創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)所占的比例較少，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新較慢，授課內(nèi)容比較陳舊，對(duì)工程應(yīng)用的拓展較少，具有工程背景的實(shí)驗(yàn)較少，無(wú)法滿足智能制造下行業(yè)的需求，也無(wú)法提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（2）校企融合不夠。高校和企業(yè)之間相互交叉融合程度較低，高校需要企業(yè)提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，企業(yè)需要高質(zhì)量的人才，但目前這一現(xiàn)狀較難協(xié)調(diào)。

（3）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少。目前實(shí)驗(yàn)所占學(xué)時(shí)較少，如東南大學(xué)成賢學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)課程，總學(xué)時(shí)64，但實(shí)驗(yàn)只有6學(xué)時(shí)，僅能滿足基本教學(xué)需求。這就導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手機(jī)會(huì)較小，學(xué)生無(wú)法從實(shí)驗(yàn)中獲得實(shí)際工程能力培養(yǎng)的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

目前來(lái)看，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法滿足針智能制造對(duì)人才培養(yǎng)的需要，為培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)，基于學(xué)院機(jī)械專業(yè)人才的培養(yǎng)現(xiàn)狀，進(jìn)行如下探索。

2? ? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思路

在智能制造背景下，對(duì)機(jī)械與信息相結(jié)合的人才需求增長(zhǎng)迅速，學(xué)校提出了機(jī)械專業(yè)信息化改造，創(chuàng)辦了數(shù)字化制造學(xué)院，并從 2015 級(jí)開(kāi)始從培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案、課程體系、師資保障、實(shí)驗(yàn)課程等方面進(jìn)行逐年修訂，形成了具有鮮明特色的辦學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)課程與行業(yè)單位對(duì)接，根據(jù)行業(yè)的發(fā)展需求制定了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，按照新工科的人才培養(yǎng)要求，探索機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生能盡早接觸學(xué)科前沿內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提升機(jī)械專業(yè)學(xué)生的人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。

（1）建立“多層次、系統(tǒng)化”的實(shí)踐能力培養(yǎng)體系。從通識(shí)教育課實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)、專業(yè)主干課實(shí)驗(yàn)、專業(yè)方向課實(shí)驗(yàn)、集中實(shí)踐環(huán)節(jié)5個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、技能實(shí)訓(xùn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，輔以學(xué)科競(jìng)賽、技能訓(xùn)練、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等開(kāi)放性實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)，搭建基本技能培養(yǎng)層、綜合能力培養(yǎng)層、工程應(yīng)用能力培養(yǎng)層和創(chuàng)新能力訓(xùn)練層的“多層次、系統(tǒng)化”實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，保證學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的層層遞進(jìn)。

（2）校企深度融合的協(xié)同育人體系建設(shè)。與克恩里伯斯（太倉(cāng)）有限公司、南京埃斯頓機(jī)器人工程有限公司、蘇州富強(qiáng)科技有限公司、西門子工業(yè)軟件（上海）有限公司、蘇州奧杰? ?汽車技術(shù)股份有限公司、無(wú)錫華洋滾動(dòng)軸承有限公司等 22 家企業(yè)建立穩(wěn)定的運(yùn)行良好的校外實(shí)習(xí)基地。聘請(qǐng)企業(yè)師資團(tuán)隊(duì)參與指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。此外，培養(yǎng)計(jì)劃的制訂充分聽(tīng)取企業(yè)、兄弟院校的建議，力求人才培養(yǎng)與企業(yè)需求相匹配。

（3）設(shè)置模塊化的實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。通過(guò)及時(shí)追蹤行業(yè)的發(fā)展變化，及時(shí)更新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)不同職業(yè)崗位所需要的知識(shí)能力結(jié)構(gòu)設(shè)置了機(jī)電一體化、汽車工程兩大模塊的實(shí)踐環(huán)節(jié)，緊跟工業(yè)機(jī)器人和新能源汽車發(fā)展趨勢(shì)，調(diào)整實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)拓展能力，取得了良好的成績(jī)。同時(shí)，積極鼓勵(lì)教師開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)改革，及時(shí)更新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，一方面緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，跟蹤新技術(shù)、新工藝的發(fā)展步伐，整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開(kāi)設(shè)貼合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;另一方面，鼓勵(lì)教師將科研引入教學(xué)，把科研成果與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，編寫實(shí)驗(yàn)講義，不斷更新和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

（4）增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)，強(qiáng)化集中實(shí)踐環(huán)節(jié)。重視實(shí)踐教學(xué)，學(xué)時(shí)比例提高，實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)占總學(xué)時(shí)的比例為 39.1%。集中實(shí)踐環(huán)節(jié)多以設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)或課題為主，有獨(dú)立的實(shí)踐教學(xué)大綱、獨(dú)立的教材或?qū)嵱?xùn)指導(dǎo)書且單獨(dú)計(jì)算學(xué)分和成績(jī)，有完善的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)考核體系。集中實(shí)踐環(huán)節(jié)綜合性比較強(qiáng)，運(yùn)用一門課程多個(gè)知識(shí)點(diǎn)或者多門學(xué)科知識(shí)，解決一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，主要考查學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力。

3? ? 智能制造背景下機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)—以“機(jī)電控制綜合實(shí)踐”為例

“機(jī)電控制綜合實(shí)踐”是一門應(yīng)用性、實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，需邊學(xué)理論邊實(shí)踐，教學(xué)過(guò)程中，以理論為輔、實(shí)踐為主，多訓(xùn)練學(xué)生的分析、動(dòng)手能力，授課與實(shí)驗(yàn)交叉進(jìn)行，以邊講解、邊實(shí)踐的模式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，講授與操作結(jié)合，之前的課程實(shí)驗(yàn)主要有控制流程圖繪制、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PLC 程序編制、整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、聯(lián)機(jī)調(diào)試等項(xiàng)目任務(wù)。為提高學(xué)生機(jī)械、信息、機(jī)器人專業(yè)交叉融合的復(fù)合能力、工程能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與分析解決問(wèn)題能力，本實(shí)驗(yàn)擬增加以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.1? 工業(yè)機(jī)器人噴漆實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

工業(yè)機(jī)器人噴漆實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目布局如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模擬工業(yè)機(jī)器人對(duì)零件進(jìn)行噴漆的過(guò)程。上料的形式采用雙工位交替上料，實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)生產(chǎn)功能，一個(gè)工位噴涂過(guò)程中，另一工位同時(shí)換料，提高噴涂效率。機(jī)臺(tái)左右兩工位單獨(dú)設(shè)置操作按鈕（啟動(dòng)、急停按鈕），機(jī)臺(tái)設(shè)有三色燈，用于在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警提示。機(jī)臺(tái)罩殼可視化，方便人員隨時(shí)監(jiān)控噴涂狀態(tài)。進(jìn)料窗口做成自動(dòng)開(kāi)閉形式，防止油漆濺出。通過(guò)此項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生可掌握工業(yè)機(jī)器人的工作坐標(biāo)的建立、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡編程等內(nèi)容。此外，此平臺(tái)可對(duì)學(xué)生進(jìn)行一些創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)，如送料平臺(tái)通過(guò)改進(jìn)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工件可實(shí)現(xiàn) 360°旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)邊噴涂邊旋轉(zhuǎn)功能，符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

3.2? 工業(yè)機(jī)器人碼垛實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

工業(yè)機(jī)器人碼垛實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目布局如圖 2 所示。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是按照江蘇省機(jī)器人大賽進(jìn)行設(shè)置的，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模擬工業(yè)機(jī)器人對(duì)零件進(jìn)行碼垛的過(guò)程。機(jī)器人將指定物料區(qū)貨物取出，在碼垛區(qū)域完成指定形式的碼垛，在完成基本碼垛形式后，方可進(jìn)一步完成部分的碼垛形式，同時(shí)，機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行不同顏色物料的識(shí)別，然后進(jìn)行碼垛。通過(guò)此項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生除了可掌握工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行碼垛工作的原理、過(guò)程之外，還可了解視覺(jué)識(shí)別在現(xiàn)今生產(chǎn)線中的應(yīng)用。

3.3? 工業(yè)機(jī)器人組裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

工業(yè)機(jī)器人組裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目布局如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的是完成殼體和電阻的裝配，替換人工，實(shí)現(xiàn)電阻組裝、點(diǎn)膠，模擬了實(shí)際生產(chǎn)功能。在此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生可了解組裝的生產(chǎn)過(guò)程，每一個(gè)功能模塊的作用，如載具輸送線，其運(yùn)載方式通過(guò)線體和兩端撥桿氣缸實(shí)現(xiàn)循環(huán)送料，相比直接用托盤載具供料的方式，可以減少運(yùn)載載具的數(shù)量;點(diǎn)膠機(jī)采用三軸伺服點(diǎn)膠結(jié)構(gòu)，定位精準(zhǔn)，采取雙膠槍的點(diǎn)膠方式，提高點(diǎn)膠效率;電阻抓手采用一次抓取多個(gè)進(jìn)行壓裝的方式壓裝電阻。通過(guò)此項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生可掌握一條成品生產(chǎn)的過(guò)程，也可按照產(chǎn)品需求進(jìn)行改進(jìn)，如上下料裝置等可作為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，打開(kāi)學(xué)生的思維，按照生產(chǎn)需求完成相關(guān)設(shè)計(jì)。

通過(guò)上述項(xiàng)目的補(bǔ)充，加強(qiáng)了“機(jī)電控制綜合實(shí)踐”的完整性，將 PLC 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、伺服控制技術(shù)等進(jìn)行融合，有利于后續(xù)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，有利于對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)的訓(xùn)練，在構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的實(shí)驗(yàn)體系中做了有益的嘗試，增加了學(xué)生對(duì)工程實(shí)際的認(rèn)知，鍛煉了學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

在智能制造背景下，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力是機(jī)械專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中的重要一環(huán)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求也更為嚴(yán)格，構(gòu)建系統(tǒng)化的、融合多課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系能夠使學(xué)生在動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題能力等方面得到綜合訓(xùn)練。因此，加強(qiáng)校企合作，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，能夠大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，為智能制造背景下機(jī)械專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供條件。在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，學(xué)校更要把握好時(shí)代發(fā)展需求，更新機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械專業(yè)應(yīng)用型人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索，適應(yīng)智能制造發(fā)展需求。

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（編輯 王永超）