智能制造背景下機(jī)械類專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)改革的研究

孫坤鵬，李吉成，楊麗紅，羅月芳

（1.云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南昆船機(jī)械制造有限公司，云南 昆明 650201）

1 我國(guó)智能制造背景概述

智能制造是基于新一代信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)等特征，旨在提高制造業(yè)質(zhì)量、效益和核心競(jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)生產(chǎn)方式[1，2]?！丁笆奈濉敝悄苤圃彀l(fā)展規(guī)劃》明確指出到2025年，70%規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化；智能制造裝備、工業(yè)軟件技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力顯著提升；建設(shè)一批智能制造創(chuàng)新載體和公共服務(wù)平臺(tái)[3]。

智能制造包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、生產(chǎn)管理、運(yùn)營(yíng)管理和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)關(guān)鍵場(chǎng)景[4]，從高等教育的角度來看，智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)主要涉及機(jī)械工程、電子科學(xué)技術(shù)、信息與通信工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、儀器儀表科學(xué)與技術(shù)和生產(chǎn)管理等多個(gè)學(xué)科[5]。隨著我國(guó)智能制造業(yè)發(fā)展的不斷深入，智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)人才質(zhì)量的需求也隨之不斷提升，對(duì)高等教育提出了新的要求，特別是與智能制造相關(guān)的新工科專業(yè)。機(jī)械類專業(yè)高校畢業(yè)生是支撐智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要人才隊(duì)伍之一，但目前我國(guó)部分高校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)方式與方法很難為智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)所需的人才，特別是在試驗(yàn)教學(xué)方面，對(duì)智能制造人才培養(yǎng)的支撐較為薄弱[6]。

2 智能制造背景下機(jī)械類專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)存在的問題

2.1 人才培養(yǎng)目標(biāo)與智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求存在一定差距

智能制造是一個(gè)多學(xué)科融合的領(lǐng)域，其對(duì)復(fù)合型人才的需求較大，如技術(shù)融合型人才、跨學(xué)科融合人才等[7]。智能制造不僅對(duì)人才的技術(shù)性技能有較高的要求，而且對(duì)人才的非技術(shù)要求也有了一定的要求。目前部分高校機(jī)械類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)較為單一，未能將智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)所需的人才較好地融合到人才培養(yǎng)目標(biāo)中，與人才培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也存在一定的問題[8]。

2.2 缺乏智能制造背景下綜合性試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

機(jī)械類專業(yè)傳統(tǒng)的試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)主要有以下幾個(gè)方面：第一，課程本身配套的課程試驗(yàn)，如機(jī)械制圖課程試驗(yàn)、力學(xué)課程試驗(yàn)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程試驗(yàn)、液壓與氣壓傳動(dòng)課程試驗(yàn)、電工電子課程試驗(yàn)和電機(jī)控制課程試驗(yàn)等；第二，實(shí)踐課程，如金工實(shí)習(xí)、專業(yè)實(shí)習(xí)等[9]。在傳統(tǒng)實(shí)踐模式下，學(xué)生能對(duì)某個(gè)課程進(jìn)行較為深入的學(xué)習(xí)和理解，但是由于缺乏多課程、多學(xué)科的綜合性實(shí)踐，很難形成有效的專業(yè)知識(shí)體系；其次，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、溝通協(xié)作能力以及自主創(chuàng)新能力沒有得到較為充分的引導(dǎo)和訓(xùn)練；再次，由于機(jī)械類專業(yè)需要掌握的課程內(nèi)容較多，難度較大，人才培養(yǎng)方案中很難有足夠的課時(shí)開設(shè)交叉學(xué)科的課程，缺少交叉學(xué)科內(nèi)容的傳統(tǒng)試驗(yàn)很難引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)交叉學(xué)科的相關(guān)知識(shí)。

2.3 試驗(yàn)教學(xué)設(shè)施亟待更新

試驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)不可或缺的要素之一[10]。絕大部分高校都已經(jīng)建立了與課程相匹配的實(shí)踐試驗(yàn)設(shè)施，有些學(xué)科發(fā)展較好的學(xué)校還建設(shè)了一定規(guī)模的創(chuàng)新中心，但是由于建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，多數(shù)設(shè)備只能滿足基本的教學(xué)要求，無法滿足智能制造相關(guān)的試驗(yàn)和訓(xùn)練的要求[11]。同時(shí)，由于機(jī)械類專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)設(shè)備價(jià)值較高，專業(yè)建設(shè)經(jīng)費(fèi)相對(duì)緊張，導(dǎo)致設(shè)備更新較為緩慢[12]。

3 基于智能制造全過程的試驗(yàn)教學(xué)改革

3.1 智能制造全過程簡(jiǎn)述

智能制造全過程環(huán)包括設(shè)計(jì)流程、制造流程、管理流程、運(yùn)營(yíng)流程和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等5個(gè)部分。設(shè)計(jì)流程可分為設(shè)計(jì)仿真、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程3個(gè)環(huán)節(jié)，制造流程可分為設(shè)備執(zhí)行、生產(chǎn)控制、生產(chǎn)操作和生產(chǎn)管理等4個(gè)環(huán)節(jié)[13]；管理流程可分為產(chǎn)品訂單管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、供應(yīng)商及其產(chǎn)品管理、生產(chǎn)管理、品質(zhì)管理、交付銷售和客戶支持等環(huán)節(jié)；運(yùn)營(yíng)流程是指產(chǎn)品出廠以后的生命周期流程管理；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是將設(shè)計(jì)流程、制造流程、管理流程和運(yùn)營(yíng)流程有機(jī)的融合在一起，實(shí)現(xiàn)各個(gè)流程的互融互通、協(xié)調(diào)工作和高效生產(chǎn)，智能制造過程見圖1。

圖1 智能制造全過程示意圖Fig.1 The schematic diagram of the whole process of intelligent manufacturing

3.2 以智能制造產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)方案修訂

分析我國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀以及走勢(shì)，調(diào)研企業(yè)對(duì)智能制造人才的需求，確定人才培養(yǎng)目標(biāo)。以人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，結(jié)合本校學(xué)生的基本情況，制定合理的人才培養(yǎng)方案。應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：第一，人才培養(yǎng)方案是否能在培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)能力的同時(shí)對(duì)非技術(shù)能力進(jìn)行有效培養(yǎng)；第二，人才培養(yǎng)方案中的基礎(chǔ)課程是否能滿足學(xué)生持續(xù)續(xù)發(fā)展需求；第三，人才培養(yǎng)方案中的試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容能否在夯實(shí)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)更多交叉學(xué)科的知識(shí)；第四，人才培養(yǎng)方案中試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的綜合性能否滿足智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求；第五，人才培養(yǎng)方案中試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該分為基礎(chǔ)性試驗(yàn)和綜合性試驗(yàn)。

3.3 智能制造背景下試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

為了更好地發(fā)揮試驗(yàn)教學(xué)的作用，在人才培養(yǎng)方案中將試驗(yàn)教學(xué)分為基礎(chǔ)性試驗(yàn)和綜合性試驗(yàn)2個(gè)部分，見圖2。其中，基礎(chǔ)性試驗(yàn)主要指的是單個(gè)課程專業(yè)試驗(yàn)，綜合性試驗(yàn)主要指的是跨課程、跨學(xué)科的試驗(yàn)。對(duì)于基礎(chǔ)性試驗(yàn)內(nèi)容，應(yīng)適當(dāng)改革學(xué)生按照試驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行試驗(yàn)的傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)方式，應(yīng)適當(dāng)編排試驗(yàn)內(nèi)容，引進(jìn)先進(jìn)的教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生對(duì)試驗(yàn)課程的興趣，提高學(xué)生自主探索試驗(yàn)的積極性；引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖珜懺囼?yàn)分析報(bào)告，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)、工作和科研習(xí)慣。對(duì)于綜合性試驗(yàn)內(nèi)容，根據(jù)智能制造全過程場(chǎng)景設(shè)計(jì)試驗(yàn)項(xiàng)目，并且根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)將智能制造全過程試驗(yàn)內(nèi)容分為重點(diǎn)試驗(yàn)和普通試驗(yàn)，對(duì)于重點(diǎn)試驗(yàn)，學(xué)生在完成試驗(yàn)之后，應(yīng)該對(duì)其試驗(yàn)的技能有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)于試驗(yàn)相關(guān)知識(shí)有一個(gè)較好的認(rèn)識(shí)，并能開展相關(guān)知識(shí)的自主學(xué)習(xí)；對(duì)于普通試驗(yàn)，學(xué)生完成試驗(yàn)后，能較為扎實(shí)的掌握試驗(yàn)內(nèi)容，并且對(duì)試驗(yàn)相關(guān)知識(shí)有一個(gè)基本的了解。

圖2 試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容劃分Fig.2 The division of experimental teaching content

3.4 智能制造背景下試驗(yàn)教師隊(duì)伍的改革

目前，高校試驗(yàn)指導(dǎo)教師多為校內(nèi)教師，校內(nèi)教師具有豐富的試驗(yàn)知識(shí)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[13]，但是由于智能制造領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展迅速，校內(nèi)試驗(yàn)指導(dǎo)教師的知識(shí)體系與企業(yè)現(xiàn)實(shí)需求可能存在一定的差異，在傳遞智能制造行業(yè)新知識(shí)方面可能存在一定困難。校企融合型教師隊(duì)伍是將企業(yè)骨干技術(shù)人員引入課堂，為學(xué)生傳授行業(yè)或者企業(yè)最新的技術(shù)動(dòng)態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生積極探索未來所從事行業(yè)的知識(shí)與技能。試驗(yàn)教學(xué)引入校企融合教師隊(duì)伍改革，有利于學(xué)生接觸到行業(yè)最新的知識(shí)和技能，同時(shí)與企業(yè)型教師溝通，有利于學(xué)生了解未來自己行業(yè)的需求，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生從實(shí)戰(zhàn)的角度對(duì)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和掌握。

4 虛實(shí)結(jié)合的智能制造全過程的試驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景構(gòu)建

部分高?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室雖然不能滿足智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)需求，但是實(shí)驗(yàn)室及設(shè)施仍具有很大的價(jià)值[14]，仍能反應(yīng)智能制造某個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，因此在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)，能在有限的經(jīng)費(fèi)投入下達(dá)到較好的智能制造全過程實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景的構(gòu)建。但是，由于智能制造涉及了多個(gè)學(xué)科的試驗(yàn)項(xiàng)目與場(chǎng)景，普通高校很難有能力建成一個(gè)所有環(huán)節(jié)均是由現(xiàn)實(shí)設(shè)備構(gòu)成的試驗(yàn)平臺(tái)，虛擬實(shí)驗(yàn)室作為目前常用的一種教學(xué)手段，其通過將試驗(yàn)內(nèi)容編制成計(jì)算機(jī)運(yùn)行的仿真系統(tǒng)供學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，解決了現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中的多個(gè)問題，也能很好解決智能制造全過程試驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景構(gòu)建過程中的問題。

目前常見的虛擬試驗(yàn)類型有3種：第一，基于PC端的虛擬仿真試驗(yàn)，該類型試驗(yàn)是將試驗(yàn)軟件系統(tǒng)置于PC端內(nèi)，學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤控制試驗(yàn)過程，通過PC端顯示器來觀察試驗(yàn)結(jié)果；第二，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬仿真試驗(yàn)，該種試驗(yàn)需要PC端和虛擬頭盔共同實(shí)現(xiàn)，PC端負(fù)責(zé)運(yùn)行試驗(yàn)系統(tǒng)，虛擬頭盔則負(fù)責(zé)現(xiàn)實(shí)三維全景試驗(yàn)結(jié)果的成像并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行控制；第三，基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬仿真試驗(yàn)，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將虛擬的試驗(yàn)景象與現(xiàn)實(shí)景象進(jìn)行融合顯示，提高了虛擬試驗(yàn)的沉浸感。

5 結(jié)語

在《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》指導(dǎo)下，我國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)將得到進(jìn)一步發(fā)展，提升對(duì)人才質(zhì)量的需求。文章從機(jī)械類專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)的方面入手，分析了目前高等教育試驗(yàn)教學(xué)存在問題，并從教學(xué)內(nèi)容、師資隊(duì)伍和試驗(yàn)室教學(xué)場(chǎng)景3個(gè)方面提出了改革建議，作為智能制造背景下機(jī)械類專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)改革的參考。