基于新工科建設(shè)的“智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)”課程建設(shè)與教改探索
——以上海建橋?qū)W院為例

董嘉偉 張迪 劉立華

上海建橋?qū)W院 上海市 201306

1 引言

《智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)》是一門以數(shù)字孿生與仿真技術(shù)為主的課程，要在生產(chǎn)線上進(jìn)行數(shù)字孿生，首先要進(jìn)行設(shè)備同步，就是以真實(shí)的生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，搭建一套虛擬生產(chǎn)線，通過(guò)對(duì)真實(shí)生產(chǎn)線上每一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行3D 建模，并將建好的3D 模型放置到場(chǎng)景內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)生產(chǎn)線和虛擬生產(chǎn)線一一對(duì)應(yīng)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，真實(shí)的生產(chǎn)線是通過(guò)PLC 驅(qū)動(dòng)，讓設(shè)備實(shí)現(xiàn)一些既定動(dòng)作，我們通過(guò)采集PLC 的數(shù)據(jù)，來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境下相應(yīng)的設(shè)備模型進(jìn)行同樣的既定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)真實(shí)設(shè)備與虛擬設(shè)備實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，有了這些，我們就可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控人員只需要坐在控制室內(nèi)，看著虛擬的生產(chǎn)線，就可以了解真實(shí)車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)，不需要到車間進(jìn)行巡視檢查，而且通過(guò)虛擬生產(chǎn)線的3D 可視化效果，能清晰了解到真實(shí)設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)狀況。

為應(yīng)對(duì)新一輪的產(chǎn)業(yè)變革，教育部先后多次組織新工科建設(shè)研討會(huì)，形成新工科建設(shè)的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，提出了新工科建設(shè)整體發(fā)展思路。根據(jù)“教育部辦公廳關(guān)于公布首批‘新工科’研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知”要求，新工科建設(shè)相關(guān)高校應(yīng)把握好新工科建設(shè)的內(nèi)涵，統(tǒng)籌考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，創(chuàng)新教育模式。我國(guó)智能制造工程技術(shù)人才儲(chǔ)備不足，缺乏系統(tǒng)規(guī)范的人才培養(yǎng)體系和有效的人才培養(yǎng)模式，多為相近專業(yè)兼顧培養(yǎng)，其培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)資源、師資隊(duì)伍等均未形成專業(yè)化和系統(tǒng)化，不能滿足智能制造產(chǎn)業(yè)的需求。

上海建橋?qū)W院地處上海市臨港新片區(qū)，其作為科創(chuàng)中心主體承載區(qū)，強(qiáng)勢(shì)發(fā)力智能制造，聚集智能高端產(chǎn)業(yè)，建設(shè)國(guó)際智能制造中心，以專業(yè)園區(qū)為載體，重大項(xiàng)目為抓手，功能平臺(tái)為支撐，積極推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)發(fā)布了“上海市智能制造行動(dòng)計(jì)劃（2019-2021年）”，進(jìn)一步推廣應(yīng)用智能制造新模式，把高端制造打造成城市的新名片。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”新時(shí)代，高等教育正處于從外延發(fā)展到內(nèi)涵發(fā)展轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，教學(xué)資源庫(kù)是“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”的重要實(shí)現(xiàn)形式，必須要緊緊抓住內(nèi)涵發(fā)展的主線，適應(yīng)教育形態(tài)的革命，在人才培養(yǎng)的內(nèi)涵發(fā)展上下功夫，不斷提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，建設(shè)一流本科教育。建設(shè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫(kù)，正是在這一背景下解決部分重點(diǎn)領(lǐng)域教學(xué)資源短缺關(guān)鍵痛點(diǎn)，推進(jìn)新工科建設(shè)實(shí)施的一大舉措。

2 《智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程建設(shè)

《智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程有兩大部分組成，以數(shù)字孿生與仿真技術(shù)為主，以生產(chǎn)系統(tǒng)集成與調(diào)試為輔，其中數(shù)字孿生方向涉及內(nèi)容包括：數(shù)字孿生建模、工廠規(guī)劃與仿真、工程規(guī)劃與仿真、可編程控制器程序設(shè)計(jì)、組態(tài)界面設(shè)計(jì)以及虛擬調(diào)試和人因工程等，使用的軟件包括Process Simulate 以及博途V16 等西門子數(shù)字孿生技術(shù)系列軟件，是一種基于控制邏輯事件驅(qū)動(dòng)的虛擬仿真過(guò)程。生產(chǎn)系統(tǒng)集成與調(diào)試模塊主要對(duì)工站進(jìn)行實(shí)際操作，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)調(diào)的功能。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能在仿真環(huán)境中，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)完整的自動(dòng)控制生產(chǎn)線，并能培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力。

2.1 課程框架設(shè)計(jì)

本門課程以培養(yǎng)學(xué)生工程思維、協(xié)作性思維、系統(tǒng)性思維、分析思維為主，以培養(yǎng)個(gè)人技能與態(tài)度、創(chuàng)造性思維、實(shí)踐性思維為輔。通過(guò)多元的教學(xué)目標(biāo)，提升學(xué)生的價(jià)值、知識(shí)、能力與素質(zhì)?！吨悄苤圃焐a(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程框架主要分為三個(gè)方向，分別是思維養(yǎng)成、專業(yè)應(yīng)用與工程實(shí)踐。思維養(yǎng)成主要培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)模型的創(chuàng)建、布局裝配、操作定義有一個(gè)基本的了解。專業(yè)應(yīng)用則是在課程中使用成熟的項(xiàng)目模型，為學(xué)生講述相關(guān)行業(yè)中的設(shè)備運(yùn)行原理，并且展示我們是如何通過(guò)PS 與PLC實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)的。而工程實(shí)踐中包含項(xiàng)目實(shí)踐與開(kāi)放性大作業(yè)，其中項(xiàng)目實(shí)踐是成套的項(xiàng)目模型，學(xué)生需要利用所學(xué)到的知識(shí)，將項(xiàng)目模型進(jìn)行定義設(shè)計(jì)、智能對(duì)象創(chuàng)建、信號(hào)綁定等，還需要在博途軟件中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序編寫與聯(lián)調(diào)。極大地培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力，通過(guò)開(kāi)放性大作業(yè)，讓學(xué)生自行選擇主題方向，并與同組的學(xué)生進(jìn)行分工合作，以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力與創(chuàng)造性能力。通過(guò)混合式學(xué)習(xí)、移動(dòng)式學(xué)習(xí)、沉浸式學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)與案例學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，達(dá)成評(píng)價(jià)，同時(shí)課程資源的建設(shè)將持續(xù)改進(jìn)。

2.2 從OBE-CDIO 到新工科建設(shè)

OBE-CDIO 工程教育實(shí)質(zhì)上是培養(yǎng)未來(lái)工程師的創(chuàng)新教育框架，包括12 條CDIO標(biāo)準(zhǔn)和380 多條CDIO 能力大綱。標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)施OBE-CDIO 工程教育綜合改革實(shí)踐和評(píng)估的準(zhǔn)則，能力大綱則對(duì)學(xué)生在專業(yè)知識(shí)之外的能力和職業(yè)素質(zhì)提出較全面的要求。這一教育模式回答了“工程師需要具備哪些知識(shí)、能力和態(tài)度”以及“工程教育如何使學(xué)生具備這些知識(shí)、能力和態(tài)度”兩個(gè)核心問(wèn)題。

新工科建設(shè)是在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的基礎(chǔ)上，提出的一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動(dòng)計(jì)劃，具有反映時(shí)代特征、內(nèi)涵新且豐富、多學(xué)科交融、多主體參與、涉及面廣等特點(diǎn)，新工科建設(shè)需要高校與行業(yè)進(jìn)行深入接觸，了解企業(yè)需要什么樣的人才，同時(shí)，高校需要邀請(qǐng)企業(yè)人士參與到高校的人才培養(yǎng)模式中。探索建立新工科建設(shè)的新理念、新標(biāo)準(zhǔn)、新模式、新方法、新技術(shù)、新文化，實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合、從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)。

2.3 多媒體資源建設(shè)

依托超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)建設(shè)在線開(kāi)放課程，推進(jìn)數(shù)字資源、優(yōu)秀師資、教育數(shù)據(jù)共建共享，開(kāi)展線上線下混合教學(xué)，深化教法改革，實(shí)施教師分工協(xié)作模塊化的教學(xué)模式，推動(dòng)課堂改革，改變學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和行為模式，促進(jìn)學(xué)生自學(xué)、泛在和個(gè)性化學(xué)習(xí)。同時(shí)超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)能起到檢測(cè)監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，并發(fā)起線上討論的作用，對(duì)于這類內(nèi)涵新且豐富、多學(xué)科交融、多主體參與、涉及面廣等特點(diǎn)的課程而言，具有非常好的效果。

2.4 能力等級(jí)劃分

結(jié)合多媒體資源建設(shè)的優(yōu)勢(shì)，本課程將采用案例教學(xué)法將實(shí)驗(yàn)劃分成初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)3 個(gè)階段等級(jí)，每個(gè)階段所需要具備的能力也各不相同。

初級(jí)階段是課堂中所講述的知識(shí)點(diǎn)，包括軟件的安裝、工程的新建與保存、數(shù)據(jù)模型的導(dǎo)入、裝配仿真、設(shè)備定義、機(jī)器人仿真，其主要目的是為了解決裝配規(guī)劃與驗(yàn)證、機(jī)器人與自動(dòng)化規(guī)劃驗(yàn)證。裝配規(guī)劃與驗(yàn)證主要用于規(guī)劃驗(yàn)證產(chǎn)品在裝配過(guò)程中是否存在錯(cuò)誤，是否存在干涉碰撞的情況，把產(chǎn)品、資源和工藝操作緊密結(jié)合起來(lái)，分析產(chǎn)品裝配的順序和工序順序，驗(yàn)證裝配工裝夾具的動(dòng)作，產(chǎn)品裝配流程仿真、驗(yàn)證產(chǎn)品裝配工藝性，以達(dá)到及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的目的；機(jī)器人與自動(dòng)化規(guī)劃驗(yàn)證則是用于創(chuàng)建機(jī)器人和自動(dòng)化制造系統(tǒng)的共享工作環(huán)境，不僅能處理單個(gè)機(jī)器人和工作平臺(tái)，也能處理多個(gè)機(jī)器人協(xié)同的情況，還能滿足完整生產(chǎn)線和生產(chǎn)區(qū)域的仿真及驗(yàn)證要求。

中級(jí)階段將進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器人路徑規(guī)劃、生產(chǎn)線仿真模式下CEE 模式控制與PLC 模式控制、物料流表設(shè)定以及各項(xiàng)信號(hào)的設(shè)定，并通過(guò)PLCSIM Advanced 軟件實(shí)現(xiàn)可編程控制器程序集成控制與調(diào)試虛擬設(shè)備的能力，進(jìn)一步增加機(jī)器人與自動(dòng)化程序編寫的能力。其中除了本課程所設(shè)計(jì)到的工藝過(guò)程控制仿真軟件Process Simulate 之外，還需要掌握博途PLC 編程軟件的程序設(shè)計(jì)能力以及觸摸屏界面設(shè)計(jì)的能力。

高級(jí)階段將需要掌握具備利用虛擬三維技術(shù)進(jìn)行工廠布局設(shè)計(jì)，對(duì)工廠產(chǎn)能、物流進(jìn)行分析和優(yōu)化，能在工廠正式施工之前，提前發(fā)現(xiàn)工廠設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題和缺陷，避免企業(yè)的損失能力，即工廠設(shè)計(jì)及驗(yàn)證優(yōu)化能力；同時(shí)能結(jié)合實(shí)際產(chǎn)線進(jìn)行虛實(shí)聯(lián)調(diào)能力，完成真正意義上的數(shù)字孿生技術(shù)。此階段將不再課堂上進(jìn)行，依托超星學(xué)習(xí)通，給學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源，教師只需提供答疑服務(wù)即可。

2.5 融合課程思政元素

理學(xué)與工學(xué)類專業(yè)課程要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

本課程屬于工科類專業(yè)課程，要注重強(qiáng)化學(xué)生的工科倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

3 具體教學(xué)改革措施與實(shí)施效果

《智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)》的課程建設(shè)實(shí)施采用雙主線的教學(xué)模式、三階段的教學(xué)設(shè)計(jì)以及多形式的教學(xué)活動(dòng)作為指導(dǎo)方針，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)本課程的參與度。

3.1 雙主線教學(xué)模式

雙主線模式將理論與實(shí)踐有機(jī)融合，課內(nèi)進(jìn)行知識(shí)傳授、課外進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。以過(guò)程引導(dǎo)課程，課程的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)課程項(xiàng)目的載體展開(kāi)并得到應(yīng)用。教師將作為引導(dǎo)者和陪伴者，在課內(nèi)外指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生將作為工程實(shí)踐的主體，以小組的形式自主完成項(xiàng)目。

3.2 三階段的教學(xué)設(shè)計(jì)

課前學(xué)生通過(guò)超星學(xué)習(xí)通的學(xué)習(xí)，進(jìn)行看視頻、做練習(xí)，確保提前了解課程中所需要使用的軟件功能，課程中進(jìn)行測(cè)試、習(xí)題分析、針對(duì)性講解、討論，課后進(jìn)行作業(yè)布置與下講預(yù)習(xí)。

3.3 多形式的教學(xué)活動(dòng)

由于課程涉獵面廣，概念較繁雜且抽象難懂，目前主要以案例教學(xué)法開(kāi)展教學(xué)，但有限的90 分鐘課堂時(shí)間里學(xué)生完成多元教學(xué)內(nèi)容難度較大，因此學(xué)生除了可以利用課余時(shí)間進(jìn)行超星學(xué)習(xí)通的學(xué)習(xí)以外，還可以利用空余時(shí)間參加不定期舉行的學(xué)習(xí)活動(dòng)，上海建橋?qū)W院機(jī)電學(xué)院每個(gè)學(xué)期都會(huì)舉辦多次與數(shù)字孿生有關(guān)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，利用假期時(shí)間進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)與項(xiàng)目式教學(xué)，讓很多學(xué)生能夠提前學(xué)習(xí)或者鞏固知識(shí)點(diǎn)。該項(xiàng)舉措不僅有效利用了學(xué)生的課余時(shí)間，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

同時(shí)每學(xué)年我們學(xué)校會(huì)舉辦相關(guān)校內(nèi)競(jìng)賽《智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)大賽》，邀請(qǐng)學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)課程的同學(xué)參加競(jìng)賽也邀請(qǐng)還未學(xué)習(xí)過(guò)的同學(xué)自行加入超星學(xué)習(xí)通學(xué)習(xí)后參加競(jìng)賽，以便學(xué)生在學(xué)完相關(guān)課程后能繼續(xù)對(duì)相關(guān)技術(shù)持續(xù)的深入學(xué)習(xí)，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，推動(dòng)學(xué)習(xí)方式的深度變革。同時(shí)校內(nèi)競(jìng)賽成績(jī)優(yōu)異的同學(xué)將受邀參加校外競(jìng)賽繼續(xù)深造學(xué)習(xí)，如中國(guó)大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽智能制造大賽、“四大品牌”職業(yè)技能大賽、全國(guó)技能大賽世賽項(xiàng)目全國(guó)機(jī)械行業(yè)選拔賽等。

在這些活動(dòng)過(guò)程中，學(xué)生除了能得到校內(nèi)的各項(xiàng)資源，如素質(zhì)拓展學(xué)分、假期培訓(xùn)等，還將獲得來(lái)自企業(yè)的培訓(xùn)以及實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，大大提升了學(xué)習(xí)動(dòng)力，我校在近兩年相關(guān)賽項(xiàng)中取得了不錯(cuò)的成績(jī)，獲得過(guò)智能制造大賽全國(guó)總決賽綜合成績(jī)二等獎(jiǎng)、多賽項(xiàng)單項(xiàng)一等獎(jiǎng)的成績(jī)，有效的激發(fā)了學(xué)生們的積極性。

3.4 評(píng)價(jià)多元耦合

學(xué)生的成績(jī)構(gòu)成將分為以下六大模塊：

課程項(xiàng)目的過(guò)程性評(píng)價(jià)（10%）：評(píng)判人為教師評(píng)價(jià)+校內(nèi)外工程師評(píng)價(jià)+學(xué)生互評(píng)；

課程項(xiàng)目的結(jié)果性評(píng)價(jià)（20%）：評(píng)判人為教師評(píng)價(jià)+工程師評(píng)價(jià)+學(xué)生互評(píng)+組內(nèi)成員互評(píng)（個(gè)人貢獻(xiàn)因子）+校內(nèi)其他師生+行業(yè)專家+校友。通過(guò)項(xiàng)目答辯和項(xiàng)目展示，各方參與，評(píng)分評(píng)獎(jiǎng)；

線上學(xué)習(xí)測(cè)試（10%）：平臺(tái)學(xué)習(xí)的討論參與和測(cè)試，檢查學(xué)生基本概念的學(xué)習(xí)情況；

線下學(xué)習(xí)練習(xí)（10%）：每周的實(shí)驗(yàn)都需要布置作業(yè)，及時(shí)批改，返回給學(xué)生；

基本應(yīng)用測(cè)試（15%）：以基本概念的應(yīng)用為主，檢驗(yàn)學(xué)生課堂基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況；

綜合應(yīng)用測(cè)試（35%）：測(cè)試課堂知識(shí)的綜合應(yīng)用和靈活應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

教育的核心是育人，而育人的核心是育德，在進(jìn)行知識(shí)教育的同時(shí)，我們也要加強(qiáng)課程思政的融合，在習(xí)近平總書記思想指導(dǎo)下，將中國(guó)智造、工匠精神、團(tuán)結(jié)協(xié)作、學(xué)術(shù)誠(chéng)信、知行合一融入課程之中，將蘊(yùn)含的大量思政元素和課程教學(xué)有機(jī)融合，春風(fēng)化雨，潤(rùn)物無(wú)聲，激勵(lì)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展。