新工科背景下智能制造工程專業(yè)教學(xué)探索與實踐

廖曉波 余家欣 鐘良 蔡勇 臧紅彬 李鵬 王積碩

摘? 要：為應(yīng)對“中國制造 2025”國家戰(zhàn)略，順應(yīng)新工科背景下高等工程教育改革發(fā)展，國家提出建設(shè)智能制造新工科專業(yè)。智能制造工程專業(yè)在強數(shù)理基礎(chǔ)上，基于機械學(xué)科主干知識體系，融入控制、計算機、人工智能等信息學(xué)科知識，探索“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+智能化”時代背景下，新技術(shù)特色的智能制造理論課程體系;同時，為有利于學(xué)生系統(tǒng)掌握交叉學(xué)科知識，實踐教學(xué)體系通過打通專業(yè)交叉知識之間的邊界，破除知識孤島，以工程項目為導(dǎo)向構(gòu)建實踐教學(xué)內(nèi)容，探討適應(yīng)智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系。智能制造工程專業(yè)教學(xué)探索與實踐將促進新工科專業(yè)知識之間的交叉融合，逐步適應(yīng)未來制造領(lǐng)域發(fā)展的新需要，有效提升高等教育機械工程專業(yè)復(fù)合型高端人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能制造工程;高等教育;教學(xué)體系構(gòu)建;實踐教學(xué)模式;培養(yǎng)機制與路徑

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）17-0081-05

Abstract： In response to the national strategy of "Made in China 2025" and adapt to the reform and development of higher engineering education under the background of new engineering， the state has proposed the construction of new engineering major in intelligent manufacturing. Under the emphasis on mathematical and mathematical basis， intelligent manufacturing engineering is based on the main knowledge system of mechanical discipline， and integrates the cross-knowledge of control and computer disciplines， and constructs the course system with new technology characteristics under the background of "digitalization + networking + intelligence" era. At the same time， in order to help students to master interdisciplinary knowledge systematically， we break the knowledge island and open the boundary between specialized interdisciplinary knowledge to reform the practical teaching system. We construct the practical teaching content based on the engineering project， and discuss the practical teaching system suitable for the training of intelligent manufacturing engineering professionals. The teaching exploration and practice of intelligent manufacturing engineering major will promote the cross integration of new engineering majors， gradually adapt to the new needs of the future development of manufacturing field， and improve the training quality of compound high-end talents of mechanical engineering major in higher education.

Keywords： intelligent manufacturing engineering; higher education; practical teaching mode; construction of teaching system; cultivation mechanism and approach

為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)[1]，先后形成了“復(fù)旦共識[2]”“天大行動[3]”和“北京指南[4]”，新工科建設(shè)在我國高等教育界掀起了一陣新的改革熱潮。進入新時代，國家明確提出“制造強國戰(zhàn)略”，在逐步推進新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強國過程中，智能制造是主攻方向。因此，培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)的智能制造工程專業(yè)人才，對于支撐服務(wù)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)和新模式為特點的新時代經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。同時，四川省人民政府發(fā)布的《中國制造2025四川行動計劃》也明確指出四川省智能制造產(chǎn)業(yè)將重點圍繞汽車、電子、國防軍工和食品飲料等領(lǐng)域需求，開發(fā)智能制造產(chǎn)線、特種智能生產(chǎn)加工成套設(shè)備，以及智能制造系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、制造、運行及維護方面的高素質(zhì)復(fù)合型應(yīng)用人才。再者，中國科技城綿陽也印發(fā)了《綿陽市制造業(yè)智能化發(fā)展行動計劃（2018—2020年）》，明確提出推動制造業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級，全面提升綿陽市制造業(yè)智能化水平，加快建設(shè)西部先進制造強市，并率先在電子信息、汽車、新材料、化工和食品等基礎(chǔ)條件較好的領(lǐng)域開展智能制造轉(zhuǎn)型試點。因此，當(dāng)前乃至未來很長一段時間，我國對智能制造工程專業(yè)人才的需求旺盛且顯得極為迫切[5]。

一? 智能制造工程專業(yè)內(nèi)涵

智能制造工程專業(yè)是一門多學(xué)科交叉的新工科專業(yè)。本專業(yè)以培養(yǎng)面向智能制造，注重多學(xué)科交叉融合，突出智能技術(shù)應(yīng)用為特色。學(xué)生主要學(xué)習(xí)機械學(xué)科、控制學(xué)科、計算機科學(xué)和人工智能等專業(yè)的基本理論和基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)具備復(fù)合型知識體系[6];智能制造工程專業(yè)以機械為基礎(chǔ)，融合信息技術(shù)，將智能制造系統(tǒng)開發(fā)作為主線，為學(xué)生提供智能制造工程師的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)具備智能制造裝備和智能產(chǎn)品的設(shè)計制造、工程開發(fā)、科學(xué)研究及生產(chǎn)管理等方面的能力和素質(zhì)。西南科技大學(xué)智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)：培養(yǎng)順應(yīng)我國高端裝備制造業(yè)和新工科發(fā)展的需要，立足四川，服務(wù)西部，輻射全國;課程知識體系以先進制造技術(shù)為核心，以信息技術(shù)為主導(dǎo)，以實現(xiàn)電子產(chǎn)品的智能制造為特色，旨在培養(yǎng)具備扎實智能裝備設(shè)計與運維、智能工廠和智能信息系統(tǒng)管理知識及適應(yīng)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程實踐能力，同時培養(yǎng)具有良好的人文社會科學(xué)素養(yǎng)，團隊合作精神，較強的創(chuàng)新能力，國際視野和溝通能力，能夠在智能制造及其相關(guān)領(lǐng)域從事智能產(chǎn)品設(shè)計與制造、智能裝備故障診斷與運維、智能工廠系統(tǒng)運行及系統(tǒng)集成與管控等方面的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

二? 智能制造工程專業(yè)課程體系建設(shè)

（一）? 知識體系和課程結(jié)構(gòu)框架

在專業(yè)人才培養(yǎng)方案構(gòu)建過程中基于工程認(rèn)證的教育理念，廣泛開展企業(yè)調(diào)研，特別關(guān)注綿陽的標(biāo)桿智能制造企業(yè)（長虹電器、雅化集團、虹科創(chuàng)新科技）對智能制造人才知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)能力的需求，確定應(yīng)用型本科智能制造工程專業(yè)的培養(yǎng)方案。根據(jù)服務(wù)面向和培養(yǎng)目標(biāo)要求，構(gòu)建的智能制造工程專業(yè)人才知識體系與課程設(shè)置如圖1所示，智能制造工程專業(yè)課程體系設(shè)計通識通修、機械工程、控制工程和計算機四大課程群知識。根據(jù)專業(yè)能力和知識要求，精心遴選專業(yè)核心課程群和專業(yè)選修課程群。在課程群設(shè)置中，注意課程設(shè)置之前的先后邏輯關(guān)系，突破傳統(tǒng)課程知識邊界，注重理論與實踐教學(xué)邊界，注重知識樹的建立，構(gòu)建課程群，形成知識閉環(huán)[6]。

（二）? 智能制造方向課程組織關(guān)系

西南科技大學(xué)智能制造工程專業(yè)將采用“三教融合、自主分流、協(xié)同育人”的人才培養(yǎng)方案和“通識模塊+專業(yè)模塊+職業(yè)模塊”的課程體系。按照“平臺+模塊”的課程體系構(gòu)建通識課程平臺、“學(xué)科+專業(yè)”的模式反哺構(gòu)建專業(yè)課程平臺、“企業(yè)+職業(yè)”閉環(huán)設(shè)置職業(yè)方向課程平臺和實踐教學(xué)（集中實踐環(huán)節(jié)）平臺。在專業(yè)方向課程模塊，針對專業(yè)、行業(yè)或崗位群對應(yīng)用知識、專業(yè)能力、職業(yè)素養(yǎng)的要求不同，專門有針對性地設(shè)置智能研發(fā)、智能服務(wù)、智能管理和智能信息四個方向模塊。如圖2所示，在大三下學(xué)期針對學(xué)生興趣進行實施方向分流培養(yǎng)，以適應(yīng)不同職業(yè)方向的培養(yǎng)需求，促進多元化人才能力培養(yǎng)，有效提升就業(yè)競爭力。

三? 智能制造工程專業(yè)實踐課程體系構(gòu)建

（一）? 實踐項目構(gòu)建思路

1? 完整實踐教學(xué)體系，構(gòu)建多層次綜合實驗項目

如圖3所示，通過采購或者自主科研項目儀器的改制，設(shè)計典型的實驗裝置作為實驗對象，將智能制造工程專業(yè)知識體系在實驗平臺上進行系統(tǒng)深度集成與融合;從簡單到復(fù)雜，從單一到綜合，打造完整的綜合實驗教學(xué)體系。實驗項目設(shè)置方面，嚴(yán)格遵照教育部提出的“兩性一度”的教育理念，增設(shè)綜合性、高階性、創(chuàng)新性，并具有挑戰(zhàn)度的實驗項目和內(nèi)容，著力培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

智能制造工程專業(yè)由淺入深，層層遞進設(shè)計實踐項目和內(nèi)容：①基礎(chǔ)性實踐。該類實踐項目的教學(xué)目的是以傳授和加強智能制造工程專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的理解為主，注重配合理論課程知識循序漸進地教學(xué)，增強學(xué)生對理論知識的理解?；A(chǔ)性實踐項目，旨在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知、分析智能制造過程中基本問題的能力，提升學(xué)生工程素養(yǎng)及基本的實驗操作技能。因此，基礎(chǔ)性項目的教學(xué)模式采用現(xiàn)場演示、學(xué)生動手、教師引導(dǎo)的方式開展。②綜合性實踐。通過綜合集成機械、電子、控制和計算機等學(xué)科的知識和技術(shù)，開設(shè)針對具體工程問題的綜合實踐項目，項目內(nèi)容注重交叉知識之間銜接和過渡，教學(xué)方法采用學(xué)生自主組隊、團隊合作的方式開展，主要在開放性實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)和課外競賽等實踐環(huán)節(jié)進行。③創(chuàng)新性實踐。以提高創(chuàng)新意識和實戰(zhàn)能力為目標(biāo)，應(yīng)充分利用教師的科研項目或者企業(yè)的橫向課題需求，形成創(chuàng)新性實踐子課題，鼓勵學(xué)生以工程實際項目為對象進行探索性、研究性、創(chuàng)造性實驗。其教學(xué)模式采用學(xué)生自行提出課題、教師輔助指導(dǎo)的方式完成，主要在畢業(yè)設(shè)計、課外競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目等環(huán)節(jié)進行。

2? 三位一體，打造多場景全方位的實踐教學(xué)新模式

打造課堂實驗教學(xué)、課后實驗自學(xué)、云端共享互學(xué)三種實驗教學(xué)模式。如圖4所示，教師可以根據(jù)實驗指導(dǎo)書在實驗室進行課堂實驗教學(xué);其次，實驗室設(shè)計便攜式實驗教學(xué)平臺，采取借用的方式免費提供給學(xué)生在課后寢室進行自學(xué);同時，將實驗裝備進行改造，利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進行遠程控制實驗平臺的操作，學(xué)生登錄互聯(lián)網(wǎng)進行云端共享學(xué)習(xí)。

3? 行業(yè)背景，項目驅(qū)動，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力和素養(yǎng)

設(shè)計綜合實驗，依托行業(yè)背景，以啟發(fā)式工程問題為路線，基于OBE的教學(xué)理念，以典型行業(yè)中的裝備為對象，將行業(yè)生產(chǎn)過程中的實際工程問題設(shè)計進行層次分解，遞進實施，提煉實驗內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進行思考和設(shè)計，逐步讓學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。實驗教學(xué)體系將逐步實現(xiàn)典型機械對象的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的全過程，如圖5所示。

（二）? 實踐課程組織的邏輯關(guān)系

課程實踐教學(xué)是工科類專業(yè)實踐教學(xué)體系中的重要組成部分，對培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)核心能力和動手能力具有重要作用[7]。結(jié)合智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，建立實踐課程結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖6中可以看出，實踐課程體系分為四個層次，基礎(chǔ)層、專業(yè)層、綜合層和創(chuàng)新層。實踐課程采用模塊化方式融合機器人、人工智能、大數(shù)據(jù)的知識和技能，不僅使智能制造工程專業(yè)課程知識更加堅實，還多方位拓展了知識面，涵蓋了機械、電子、控制和智能技術(shù)等學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)知識，體現(xiàn)了“寬厚專業(yè)知識”的指導(dǎo)思想。

（三）? 實踐項目的設(shè)計關(guān)鍵

智能制造工程專業(yè)課實驗，應(yīng)該遵循由淺入深，以實際工程項目為主線，精心設(shè)計由認(rèn)知實驗、驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗組成的遞進式實驗教學(xué)體系。通過認(rèn)知性實驗和驗證性實驗使學(xué)生對智能制造工程專業(yè)核心課程所涉及的技術(shù)、方法、原理有一個感性的認(rèn)知;設(shè)計性實驗則側(cè)重利用核心課程中所學(xué)的理論方法，利用現(xiàn)代工具設(shè)計或優(yōu)化系統(tǒng)的相關(guān)模塊;綜合性實驗則根據(jù)智能制造系統(tǒng)工程項目應(yīng)用需求，針對智能制造子系統(tǒng)進行設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試。

課程設(shè)計的選題和內(nèi)容方面，注重課程知識體系的前后銜接，依據(jù)工程項目內(nèi)在知識的融合屬性，挖掘?qū)I(yè)課程知識的關(guān)聯(lián)性，注重將單一離散的各專業(yè)課程知識融合為整體的集成式的課程設(shè)計體系，如將智能傳感與檢測技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、機電控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)和智能裝備技術(shù)綜合實踐等專業(yè)課程，整合形成課程群，這樣有利于學(xué)生整理把握課程體系結(jié)構(gòu)。

在畢業(yè)設(shè)計選題方面，原則上課題需要來自于企業(yè)實際課題需求，對于工程性課題，必須明確技術(shù)和功能指標(biāo);對于研究型課題的比例控制在5%以下。通過畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，重點培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力，著力提升學(xué)生系統(tǒng)性工程思維和素養(yǎng)。

四? 智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)的機制與路徑

（一）? 校企協(xié)同育人，強化學(xué)生工程實踐能力

通過校企合作，能夠有效加強專業(yè)雙師型教師隊伍的建設(shè)，根據(jù)企業(yè)實際需求，設(shè)置工程實踐項目和畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，有效提升教師和學(xué)生的工程項目意識和解決復(fù)雜工程問題的能力。與此同時，通過校企協(xié)同育人，能夠根據(jù)需求有針對性地調(diào)整培養(yǎng)方案，優(yōu)化專業(yè)課程，拓寬學(xué)生就業(yè)渠道，彌補人才培養(yǎng)過程中學(xué)校與社會的脫節(jié)現(xiàn)象，真正實現(xiàn)協(xié)同育人、校企積極參與的共贏局面。

（二）? 科教融合協(xié)同育人，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

通過科研反哺教學(xué)實現(xiàn)科教融合。積極鼓勵學(xué)生參與教師的科研項目，并將科研項目成果形成課外科技活動的選題，參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，全面提升學(xué)生的“雙創(chuàng)”精神和綜合素質(zhì);鼓勵教師將科研子課題精心設(shè)計成具有挑戰(zhàn)度的探索型實踐項目，提升學(xué)生對未知世界的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的挑戰(zhàn)精神和科研素養(yǎng);教師將論文和專利進行成果轉(zhuǎn)化，自研實驗教學(xué)平臺，連通知識孤島，注重知識交叉融合，形成教學(xué)案例，錄制教學(xué)視頻，豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式，有效提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

（三）? 產(chǎn)教融合協(xié)同育人，助力創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)

與智能制造企業(yè)緊密合作，以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動、學(xué)科競賽為抓手，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神，提高學(xué)生工程實踐能力和水平，滿足企業(yè)對智能制造人才基本素質(zhì)培養(yǎng)的要求。學(xué)校通過增加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，配套學(xué)分置換政策，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的熱情[8]。與此同時，深入與綿陽市的科研單位合作，以智能制造技術(shù)為引領(lǐng)，校企雙方共建集人才培養(yǎng)、技術(shù)應(yīng)用研發(fā)、社會服務(wù)于一體的智能制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院。校企共建產(chǎn)業(yè)學(xué)院進一步深化產(chǎn)教融合，促進教育鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、培訓(xùn)鏈和就業(yè)鏈的有機銜接[9]，實現(xiàn)學(xué)校教育資源與企業(yè)技術(shù)資源的深度融合，培養(yǎng)符合企業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型、復(fù)合型和應(yīng)用型人才，打造智能制造新技術(shù)研究、應(yīng)用、推廣的工程中心及實訓(xùn)基地[10]。

五? 結(jié)束語

進入新時代，國家明確提出并著力推進“智能制造”強國戰(zhàn)略，且智能制造是加快推進新型工業(yè)化的主攻方向。為了順應(yīng)時代發(fā)展之變，本文在機械學(xué)科培養(yǎng)知識體系上，融合控制、計算機、人工智能等前沿信息交叉學(xué)科知識，打破知識孤島，探索了智能制造工程專業(yè)理論課程體系的構(gòu)建。與此同時，根據(jù)智能制造工程專業(yè)和人才知識需求，對智能制造工程專業(yè)的實踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行探索和改革，提出采用“三位一體”、多場景全方位的實踐教學(xué)新模式，以典型案例、項目驅(qū)動的模式，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，落實智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)?？偠灾?，培養(yǎng)復(fù)合型智能制造工程專業(yè)人才是順應(yīng)未來制造業(yè)新發(fā)展的需要，也是實現(xiàn)我國新型工業(yè)化發(fā)展的必然要求。

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基金項目：四川省教育廳2021年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量教學(xué)改革一般項目“智能制造背景下行業(yè)創(chuàng)新人才協(xié)同培養(yǎng)模式研究”（JG2021-884）;2023年四川省高等教育人才培養(yǎng)和教學(xué)改革重大項目“新工科背景下機械大類專業(yè)項目驅(qū)動式課程群建設(shè)與實踐”（JG2023-65）

第一作者簡介：廖曉波（1982-），男，漢族，湖北天門人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，智能制造工程系主任。研究方向為智能制造，微納檢測與制造。

*通信作者：蔡勇（1962-），男，漢族，四川綿陽人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向為智能制造，人工智能。