智能制造背景下開放教育機電一體化專業(yè)實踐教學改革研究*

張 娟

（廣州開放大學，廣東 廣州 510000）

機電一體化專業(yè)是制造業(yè)數(shù)字化轉型、智能制造業(yè)發(fā)展的基礎，為了更好地助力產(chǎn)業(yè)升級和高質(zhì)量發(fā)展，改變智能制造業(yè)應用型人才不足的現(xiàn)狀，國家開放大學（簡稱國開） 啟動了“新型產(chǎn)業(yè)工人培養(yǎng)和發(fā)展助力計劃”（簡稱“助力計劃”），這對機電一體化專業(yè)的實踐教學改革提出了新的要求。目前，部分學校機電一體化專業(yè)的實踐教學體系、教學內(nèi)容、師資和基地建設需要進一步完善。因此，本研究以智能制造發(fā)展需求為契機，以就業(yè)技能為導向，以提高學生對智能制造的認識與應用能力為目標，以“雙證書、高素養(yǎng)”的高質(zhì)量技能型人才培養(yǎng)模式為基準，從實踐教學體系構建、教學內(nèi)容改革、教學方法創(chuàng)新、師資和實踐基地建設等方面進行了研究與實踐。

一、構建雙融合的機電一體化專業(yè)實踐教學體系

（一） 開放教育實踐教學的特點及現(xiàn)狀分析

開放教育是在學習型社會發(fā)展的背景下，為了順應人們終身教育和高等教育大眾化的迫切需求，在計算機信息技術支持的基礎上產(chǎn)生的育人方式。開放教育提倡“教學廣惠，有教無類”，這不僅意味著對學習者的開放，更重要的是教育理念、教學資源和教學過程的開放。它是以學生自主學習為重點，采用線上線下相結合的教學方式，突破時間和空間的限制，在教學上實現(xiàn)了信息化、智能化、數(shù)字化。開放教育的主要目的就是快、準、好地培養(yǎng)社會發(fā)展所需要的應用型人才。然而，開放教育在實踐教學方面存在不足：生源的復雜多樣性使得學生的基礎和實踐經(jīng)驗參差不齊；在職學習的學生存在工學矛盾；實訓場地、設備和師資存在不足[1]。實訓基地與場所的建設需要大量的資金，為順應制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，工程教育上的投入需要增加。因此，機電一體化專業(yè)實踐教學的改革與創(chuàng)新應該從以上問題出發(fā)，結合制造業(yè)的智能化發(fā)展，綜合考慮開放教育的規(guī)律與特點，建立相應的機電一體化專業(yè)實踐教學體系。

（二） 構建雙融合實踐教學體系

1. 完善職業(yè)教育和繼續(xù)教育融合機制，共享實訓資源

落實機電一體化專業(yè)實踐教學工作，職業(yè)教育與繼續(xù)教育相融合的機制需要完善，共享實訓教學資源，這樣才能使開放教育實踐環(huán)節(jié)正常開展。機電一體化專業(yè)的生源部分來自中職技工學校，這類學生主要是想通過開放教育提升學歷和知識水平。中職技工學校擁有相應的實訓場地、實訓設備和實訓師資，這可以彌補部分開放大學實訓力量的不足。擁有一套完善的職繼融合機制，充分利用中職技工學校的實訓條件和場地，可以幫助金工實習與課程實訓等環(huán)節(jié)的開展。

2.完善產(chǎn)教融合機制，加強校企合作

完善產(chǎn)教融合機制，加強校企合作，在校企合作的基礎上，強化校外實訓基地的建設。以校企合作共建為工作重點，實現(xiàn)基地的整合與完善。校外實習基地是進行專業(yè)綜合實訓和崗位實踐教學的基本條件，學生在實訓基地能夠進行電氣維修、生產(chǎn)機械設備操作以及生產(chǎn)過程管理等項目的訓練。對此，開放大學應重視校外實踐基地的建設，積極聯(lián)系優(yōu)質(zhì)企業(yè)。學校為企業(yè)提供應用型人才，企業(yè)又為學校提供相應的實訓崗位，使實踐教學的質(zhì)量得到提升。其次，學校還可以聘請一些掌握前沿技術的工程技術人員，不定期為學校的專職或兼職教師進行培訓或開展專業(yè)講座，并作為產(chǎn)教融合的橋梁和溝通紐帶，提高校企合作的深度與質(zhì)量[2]。

3.完善實踐教學質(zhì)量評價標準

科學合理、全面詳細的實踐教學評價體系是提高實踐教學質(zhì)量的重要保障，是影響實踐教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。質(zhì)量評價指標體系要涉及實踐教學過程中的各環(huán)節(jié)并對其進行系統(tǒng)性的監(jiān)控與評估。對此，開放大學要注重實踐教學評價標準的制定，這一標準需要同當前社會企業(yè)實際工作標準相對照、相適應，要在廣泛社會調(diào)研和集思廣益的基礎上，融入職業(yè)標準，由專業(yè)工作人員和指導教師協(xié)同制定并請相關專家審定通過[3]。從而提高實踐教學的指導性，更好地突出實踐教學的價值和意義，促進實踐教學質(zhì)量持續(xù)提高。

4.加強師資隊伍建設

教師是教學工作的關鍵，無論是理論教學還是實踐教學，教師都具有重要的指導作用。因此，在落實專業(yè)實踐教學工作時，應該明確目標，積極完善師資隊伍建設。首先，人才引進方面，在繼續(xù)教育培養(yǎng)的基礎上，引進師資時還要注重第一專業(yè)及教育背景、注重現(xiàn)場實操能力考核；其次，注重整個實踐教學教師團隊的年齡、學歷和職稱結構合理化，目的是打造高質(zhì)量、高水平的“雙師型”師資隊伍。

開放教育機電一體化專業(yè)的實踐教學體系是一個多層次、多目標、多元化的體系。該體系是在職業(yè)活動的基礎上，以繼續(xù)教育的形式，進行職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)；該體系將職業(yè)教育與開放教育相融通，產(chǎn)業(yè)需求和人才培養(yǎng)相融合，校內(nèi)課程實訓和校外崗位實習相輔相成，知識、技術和技能培養(yǎng)相互交叉，通過完善師資隊伍和質(zhì)量評價標準，從而構建一個科學、有效的開放教育實踐教學體系。

二、基于智能制造的實踐教學內(nèi)容創(chuàng)新

目前，開放大學機電一體化專業(yè)實踐教學改革的關鍵是教學內(nèi)容的改革，這主要是由學生的特點決定。開放教育的學生包含有繼續(xù)教育需求的在職人員、中職技工學校畢業(yè)生、普通高中畢業(yè)生等。按國開的“助力計劃”要求，其人才培養(yǎng)目標定位是培養(yǎng)生產(chǎn)一線需要的、具有創(chuàng)新能力和良好專業(yè)素養(yǎng)的新型產(chǎn)業(yè)工人。這一培養(yǎng)目標決定了智能制造時代的機電一體化專業(yè)實踐教學內(nèi)容改革要適應生產(chǎn)企業(yè)智能化發(fā)展的需要，以培養(yǎng)智能設備應用能力和數(shù)字化改造為主線，設計教學內(nèi)容和學生應知應會的知識，能力和素養(yǎng)；按照基礎知識、一般能力與專業(yè)技能相結合的職業(yè)教育要求，在奠定實踐教學環(huán)節(jié)基礎的同時，突出專業(yè)核心能力的培養(yǎng)，重點培養(yǎng)學生的電工電子技術、單片機技術、液壓與氣動技術等與工業(yè)機器人密切相關的應用技術，以及電氣設備的故障診斷與維修能力[4]。

（一） 構建智能制造教學平臺

智能制造教學平臺在充分利用大數(shù)據(jù)和云計算技術的基礎上，根據(jù)機械制造、機電一體化、電子與通信工程、自動化系統(tǒng)工程、人工智能等領域常用的工程設備來規(guī)劃設計而成。它采用模塊化結構，包括AGV 移動機器人單元、工業(yè)網(wǎng)絡單元、運行控制單元、立體倉庫單元和總控操作顯示單元。該平臺除了應用于智能制造的綜合實訓，還可應用于多門課程的課程實訓，例如可編程控制器應用、傳感器檢測與測量、液壓與氣動、計算機控制、軟件工程、控制工程及數(shù)控加工等智能制造課程群。平臺的模塊組成和功能特點包括兩個方面。

1.模塊組成

智能制造教學平臺主要由監(jiān)控與調(diào)度、物流立體倉庫、自動生產(chǎn)線、產(chǎn)品加工與制作（包括鐳雕，包裝貼標等）、機器人裝配（如關節(jié)軸裝配）、機器人搬運、機器人2D 和3D 視覺應用（包括視覺檢測）、AGV 導航群（移動機器人應用） 等模塊組成[5]。

2.功能特點

（1） 數(shù)字化與智能化

基于數(shù)字化立體倉庫，能夠實現(xiàn)對加工物料出庫、生產(chǎn)線運輸、數(shù)控加工、機器人搬運、產(chǎn)品裝配、產(chǎn)品視覺檢測和AVG 運載協(xié)同合作運行等智能化處理功能。

（2） 實訓教學個性化

平臺的各個組成單元獨立運行，可以根據(jù)課程內(nèi)容需要單獨進行實訓教學，也可以根據(jù)專業(yè)領域需要分層次分模塊進行教學，比如產(chǎn)品加工與制作單元可作為數(shù)控加工專業(yè)學生單獨實訓教學，體現(xiàn)了實訓平臺靈活、實用、可共享及節(jié)能環(huán)保等特點。

（3） 總控監(jiān)管可視化

對全過程數(shù)據(jù)信息進行可視化管理，比如物流管理信息、網(wǎng)絡下單信息、電子看板監(jiān)視功能等，支持客戶網(wǎng)絡下單，定制個性化產(chǎn)品，實時跟單，以智能的方式滿足客戶的需求。

（4） 全自動柔性制造功能

平臺整合數(shù)控機床、立體倉庫、裝配機器人、AGV、機器人視覺質(zhì)量檢測、自動生產(chǎn)線等功能單元，使仿真工廠能夠根據(jù)訂單迅速轉換加工程序及物料配送，實現(xiàn)產(chǎn)品加工的自適應和全自動，體現(xiàn)智能制造的柔性和智慧性。

（5） VR/AR 仿真感化

VR（Virtual Reality） 虛擬現(xiàn)實功能，將動態(tài)畫面和真實體感融合在多維環(huán)境中，營造出現(xiàn)實的仿真場景；AR（Augmented Reality） 增強現(xiàn)實功能，實時將視覺設備拍攝的全景圖像及傳感器的位移跟蹤進行數(shù)據(jù)化圖形化處理，從而實現(xiàn)教學平臺現(xiàn)實場景和虛擬仿真的全景互動。

（6） 教學方式多樣

受資金、場地、人力的投入及學生工學矛盾等因素的影響，平臺可以通過VR、AR、AI（Artificial Intelligence），利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代計算機信息技術手段，采用線上遠程仿真學習與線下生產(chǎn)實際相融合的方式來實現(xiàn)，也可以通過增加仿真網(wǎng)絡帶寬，提高實驗室管理智能化水平，開發(fā)基于IOS 和安卓系統(tǒng)手機/平板的應用APP，使學生可以隨時隨地進行移動式學習。

（二） 有效開展仿真實訓教學

有團隊針對數(shù)字化背景下機電一體化專業(yè)的仿真實訓進行了系統(tǒng)研究，例如，蔡曉君等[6]認為，仿真實訓不僅能提高學生的操作技能，使學生能更好地適應企業(yè)的工作環(huán)境，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。建構主義學習理論認為，學習是學習者在原有知識的基礎上，在一定的社會環(huán)境中，主動對新信息進行加工處理，建構知識的過程，學習者通過與現(xiàn)實環(huán)境的互動，創(chuàng)造和建構自己的知識。在仿真實訓的環(huán)境中，學生可以直接參與工程問題的解決，從而獲取豐富的實踐經(jīng)驗，建構并深化自己的知識結構。同時，從認知學習理論角度看，仿真實訓環(huán)境提供了大量的、可感知的實物，有利于增加學生的認知積累，激發(fā)學生的學習興趣，從而提高學生的學習效果。此外，仿真實訓的環(huán)境也能幫助學生從整體上理解和把握工程問題，提升學生的系統(tǒng)思考能力。從教育技術的視角來看，教育數(shù)字化和人工智能為仿真實訓提供了技術支撐。數(shù)字化技術能夠幫助構建生動、逼真的仿真環(huán)境，豐富教學手段，提高教學效果。此外，數(shù)字化技術也有助于改善教學評價體系，使之更加客觀和全面，促進學生的全面發(fā)展。

因此，有效地開展仿真實訓不僅可以豐富教學手段，提高教學效率，培養(yǎng)學生的團隊精神，還能激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。特別是在工程教育中，利用數(shù)字化技術的仿真實訓可以助學生理解復雜的工程問題，獲取實踐經(jīng)驗，提升學生的實踐操作能力，同時還能激發(fā)學生的學習動力，提高學生的學習興趣。

（三） 加強一般能力與專業(yè)技能結合培養(yǎng)

實踐教學環(huán)節(jié)除了培養(yǎng)學生適應未來職業(yè)崗位的專業(yè)技能外，還應包括一般能力的培養(yǎng)，比如寫作與表達能力、英語與計算機應用能力、收集和處理現(xiàn)代信息的能力、自學和獲取新知識的能力、分析和解決實際問題的能力、以及團結協(xié)作和組織社會活動的能力等。這些能力都與專業(yè)技能的提升息息相關，因此，在進行教學內(nèi)容設計的時候要注重一般能力培養(yǎng)與專業(yè)技能訓練相結合。

（四） 以賽促學，以賽促教

參加各種職業(yè)技能賽事也是實踐教學環(huán)節(jié)的一項重要內(nèi)容。通過參賽，學生不但訓練了專業(yè)核心能力，還能培養(yǎng)綜合能力。機電一體化專業(yè)的核心能力，主要是CAD/CAM 應用能力，電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試能力以及PLC 技術應用，其培養(yǎng)主要通過機電一體化系統(tǒng)設計、CAD/CAM 計算機輔助設計和制造、數(shù)控加工實操等環(huán)節(jié)逐步完成。在參賽的過程中，學生要提前進行各種培訓和練習，針對競賽內(nèi)容和要求進行系統(tǒng)學習，參加命題考試，進行現(xiàn)場演示，進入承辦企業(yè)進行實地考核，這一過程能夠使學生全面了解本專業(yè)所需的各種核心技能和未來的崗位需求。因此，學生在整個比賽的過程中，既訓練了核心技能也提高了綜合能力。

（五） 將思政元素融入實踐教學

實踐教學的思政教育是培養(yǎng)學生的敬業(yè)精神，而制造業(yè)崗位敬業(yè)精神的核心是“工匠精神”，從其內(nèi)涵來看，是將“匠人、匠心、匠魂”三個層次的培養(yǎng)有機融入實踐教學之中。

1.培養(yǎng)“匠人”意識

在開展實訓課之前通過不同方式對學生進行培養(yǎng)，使其對工匠精神形成一個初步的概念。比如，學校有著豐富的校園文化宣傳手段，可以利用海報、廣播、演講比賽、社團活動等方式讓學生耳濡目染，不斷熏陶，從而理解“匠人”意義，感受“工匠精神”。

2.凝煉“匠心”

根據(jù)教學需要，將真實項目引入課堂，設計項目式教學案例，構建真實的職業(yè)活動場景，把學生“工匠精神”的培養(yǎng)落實在具體作品上。比如，以螺母、螺栓的設計制造為例，學生從設計產(chǎn)品、制訂工藝方案、到零件加工檢測，形成完整而真實的職業(yè)活動，從而在整個項目活動過程中感受敬業(yè)精神，體會職業(yè)道德，鍛煉綜合素養(yǎng)，淬煉“匠心”。

3.鑄造“匠魂”

學生“工匠精神”的培養(yǎng)，不僅需要長期工作經(jīng)驗的累積，還需要企業(yè)文化的熏陶。因此，開展校企雙方合作，讓學生到企業(yè)去實習，通過實踐學習，感受企業(yè)文化，是培養(yǎng)學生“工匠精神”和敬業(yè)精神的重要方式。此外，在校期間讓學生關注各類競賽，并積極組織學生參加全國性技能競賽，把每一次比賽當作一種歷練。比賽的認真過程和競爭過程使學生的“匠心”得以磨煉，“匠魂”得以鑄造，從而職業(yè)素養(yǎng)得以提升[7]。

三、實踐基地建設及實踐教學方式的創(chuàng)新

（一） “開放—整合—互動”的校外實踐基地的建設

開放大學可與相關技校或考證培訓工程中心合作，積極利用校外辦學資源，在資源共享、互惠互利原則的基礎上，掛牌成立穩(wěn)定的校外實訓基地，為學生的工程應用能力以及綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)提供有力的保障。

自開放大學啟動“助力計劃”以來，積累了許多校外合作經(jīng)驗，初步形成了“開放—整合—互動”的校外實踐基地建設新認知，其包括三個方面的開放、整合、互動：一是實踐環(huán)境與物質(zhì)資源方面，二是實踐教學與人力資源方面，三是實踐項目與信息資源方面。

“開放—整合—互動”的校外實踐教學基地建設的途徑包括成立專業(yè)建設委員會，共同開展專業(yè)建設和課程改革活動；建立企業(yè)冠名班，為企業(yè)訂單式培養(yǎng)人才；承接企業(yè)技術外包，實現(xiàn)產(chǎn)、學、研三方面的和諧統(tǒng)一；將分校辦進企業(yè)車間，采用“雙元制”辦學模式，共同為企業(yè)培養(yǎng)未來員工、培訓在職員工；將企業(yè)生產(chǎn)流水線搬進校園，實行仿真環(huán)境下的技能教學，從而實現(xiàn)與校外基地的開放、整合、互動。

（二） 線上線下混合教學，多元拓展實踐教學方式

通過將線上和線下教學資源相互結合，教師可以充分利用在線學習平臺和互動課件，為學生提供豐富多樣的學習資源和學習手段[8]。在線學習平臺可以提供課程資料、視頻講解、模擬實驗等線上資源；而互動課件可以設計交互式演示、模擬實踐操作等學習活動。教師可以整合相關資源，通過線上學習逐漸引導學生了解和掌握相關概念和知識，并在線下課堂中進行實踐操作和討論。例如，在學習數(shù)控加工知識的時候，學生可以通過線上教學觀看數(shù)控編程的指導視頻并進行交互式仿真實驗，從而理解數(shù)控編程原理和數(shù)控加工流程；然后，在線下課堂中進行實際機床操作和自主編程任務的實踐操作，提升學生的實踐技能和問題解決能力。此外，通過針對性的教學步驟安排，教師可以引導學生有序地進行學習，深化理解和提升學習效果。在混合式實踐教學過程中，互動課件的設計應考慮學習內(nèi)容的邏輯關聯(lián)和實踐教學規(guī)律的推進。通過設計有序的教學步驟，可以將學習任務和互動活動結合起來，讓學生在合適的時間里完成任務和反饋學習成果。例如，在學習機械工藝基礎內(nèi)容的時候，可以通過互動課件依次引導學生了解機械切削原理、選擇合適的切削刀具、進行刀具磨損分析等，每一步驟都緊密聯(lián)系，有助于學生建立知識框架和提升解決實際問題的能力。

四、結語

在智能制造背景下，開放教育機電一體化專業(yè)實踐教學創(chuàng)新包含教學體系和教學內(nèi)容的創(chuàng)新，它是一個系統(tǒng)工程，涉及人才培養(yǎng)模式、質(zhì)量評價標準以及區(qū)別于普通高校的開放教育辦學方式。只有積極探索實踐教學改革與創(chuàng)新，構建新的實踐教學體系，設計新的實踐教學內(nèi)容，拓展新的實踐教學方法，加強師資建設和校企合作，使實訓教學活動和人才培養(yǎng)工作與智能制造領域人才需求相適應。建立與開放教育人才培養(yǎng)模式相符合的、與開放大學辦學條件相適應的實踐教學模式，不斷探索與進步，才能培養(yǎng)出高質(zhì)量、高水平的新時代應用型人才。