系統工程化先進制造技術課程群教學模式研究

尹建閣，徐博銘，2

（1.同濟大學浙江學院機械與汽車工程系，浙江嘉興314051；2.同濟大學機械電子工程研究所，上海201804）

系統工程化先進制造技術課程群教學模式研究

尹建閣1，徐博銘1，2

（1.同濟大學浙江學院機械與汽車工程系，浙江嘉興314051；2.同濟大學機械電子工程研究所，上海201804）

先進制造技術是制造業高新技術的載體，是引領世界制造業核心技術和裝備的戰略性新興產業。面對“制造強國”新的國家戰略目標，高校本科教育及專業建設向應用型轉變，應用型高校亟待改進先進制造技術課程教學模式。在分析課程教學現狀的基礎上，應用系統工程的思維，研究先進制造課程群體系組成及其構建條件、各組成部分改革方案及措施，并針對實踐環節提出了“菜單式”拓展性實驗教學模式和組織保障，以提升先進制造技術課程教學水平，培養學生的先進制造技術工程實踐能力和創新能力。

先進制造技術課程群；教學模式；系統工程

2015年5月，國務院公布了《中國制造2025》，確立了我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。綱領指出了大力推動突破發展的“重點領域”，其中包括高檔數控機床和機器人以及航空、海洋電力、農機裝備等領域。同時綱領還指出“強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養體系”。10月教育部、國家發展改革委和財政部聯合發文（教發［2015］7號），引導部分地方普通本科高校向應用型轉變。在新的形式下，以市場為導向，適時調整人才培養，創新各個環節教學是學校進一步發展的關鍵。

先進制造技術是制造業高新技術的載體，是引領世界制造業核心技術和裝備的戰略性新興產業。掌握先進技術的專業人才是實現我國制造業發展和崛起的根本。作為培養先進制造技術人才的高等院校，應加強對高層次高質量的創新型應用型機械專業人才的培養［1］。國內20多年歷史的先進制造技術教學，基本上分為三大塊，即基礎教學、專業教學、專業選修課程教學以及相應的實驗、實訓、實習教學［2］。這些教學由不同的教師在不同的階段完成，教學過程呈現離散狀態。由于缺乏關聯，普遍存在內容冗余及缺乏有效遞進的問題。

因此，結合我校教學改革及實驗室建設實際，在分析課程教學現狀的基礎上，應用系統工程的思維，研究先進制造課程群體系組成及其構建條件、各組成部分改革方案及措施，并提出了“菜單式”拓展性實驗教學模式及其實施的組織保障，以提升先進制造技術課程教學水平，培養學生的先進制造技術工程實踐能力和創新能力。

1　現行課程教學現狀

1.1理論課程開設

根據先進制造技術的功能和研究對象，其主要內容歸納如下：（1）現代設計技術包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工業過程設計（CAPP）、優化設計、可靠性設計、并行設計（CE）、綠色設計等。（2）先進制造工藝技術包括精密與超精密加工技術、特種加工技術、高速加工技術、快速成型技術。（3）加工自動化技術包括數控技術、工業機器人技術、柔性制造技術、傳感技術、自動檢測技術、信號處理及識別技術等。（4）現代生產管理技術包括現代生產管理信息系統、物流系統管理、工作流管理、產品數據管理、質量保障體系。如物流需求計劃（MRP）、制造資源計劃（MRPⅡ）、企業資源計劃（ERP）、準時生產（JIT）等。（5）先進制造生產管理模式及系統包括敏捷制造（AM）、智能制造（IM）、虛擬制造（VM）、精益生產（LP）、柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）等［3］。從研究的角度看，先進制造技術在不同時代具有不同的含義。2012年以來，以物聯網（in－ternet of things）和大數據（big data）為代表的信息技術、以綠色能源為代表的新能源技術、以3D打印技術為代表的數字化智能制造等技術系統協同創新，將柔性化、智能化、敏捷化、精益化、全球化和人性化融為一體［3］。

根據以上先進制造技術的闡述，我校現行培養計劃中先進制造技術有關課程如圖1所示。

圖1　現行先進制造技術課程

從圖1中可以看出，現行培養計劃中關于先進制造技術課程群的課程，在先進設計、先進制造、現代生產管理技術等方面還可以進一步完善。

1.2實踐教學環節

作為應用型人才培養本科高校，我校在加強理論教學的同時，也非常注重實踐教學環節，結合實驗室的先進設備，開設了專業基礎實驗和專業綜合實驗。專業基礎實驗包括傳感與測試技術、數控編程加工、機械振動基礎、自動控制原理、流體力學與液壓傳動、機械控制技術等六個大型專業課程基礎型實驗，共51學時。專業綜合實驗包液壓回路設計與控制、集裝箱起重機抗地震減隔振、先進制造技術、數字化設計與制造、PLC、物流工程、無線傳感、數控磨削加工等九個大型多學科綜合性設計型實驗共68學時。此外，認知實習、金工實習等實踐環節教學開展約12周。已建及在建的機械基礎實驗室、專業基礎實驗室和專業綜合實驗室以及在長三角區域建立的十幾家校外實踐基地保障了實踐教學環節的實施。

在上述學時分配及硬件設施投建基礎上，多數應用型本科高校在實踐環節的投入不斷增加，但是仍普遍存在以下問題：實踐環節與理論環節在實施上存在基本的時序矛盾；學生普遍對實踐環節投入的時間和精力不足；現代化設備及技術在教學中更新周期過長；實踐環節與工程實際缺乏有效對接等問題。

1.3教學組織開展

現行先進制造技術課程群開展基本按照理論與實踐兩部分開展。實訓和實習受時間、地點以及實踐基地生產計劃的限制，與課堂理論缺乏有效關聯。實驗部分在時間和內容上與課堂教學雖然實施緊湊，但是囿于傳統的實驗課組織形式（講解＋演示＋模仿），學生的積極性也不高，教學過程局限于對所學知識的復習鞏固和實驗操作流程的重復。這種方式在很大程度束縛了學生的思想，限制了學生的興趣，實驗課效果不好。除了在時空上實踐與課堂相互割裂，實踐環節在整個實施上基本上時間地點固定、內容步驟統一、分組批量進行，一方面不利于激發學生的專業興趣及培養其自主意識和創新精神，一方面實驗室資源性使用率未能最優化。

因此，面對國家高校以及專業的轉型，人才培養的發展，亟待調整和完善善先進制造技術課程理論教學體系、改進教學組織開展的形式以及方式方法、解決實踐環節存在的普遍問題。

2　構建系統工程化教學模式

目前許多高校機械類專業都開展了先進制造技術課程及實驗教學方法的研究，研究了先進制造技術的體系結構、綜合性實驗教學、虛擬實驗教學、建立先進制造技術實訓基地，并提出了開放性實驗教學、創新實驗項目開放形式、分層次跨學科開放實驗教學實踐等，并取得了一定等效果［4-9］。基于我校機械類特色專業及實驗中心的建設，采用系統工程的思維，從課程體系、組織開展、教學實施等方面進行改革探索。

2.1課程體系統一

單靠一門課程教學與實驗內容的更新來建立先進制造技術實驗教學體系是遠遠不夠的，必須從專業培養目標出發，全盤考慮整體規劃，建立一體化教學體系，包括課堂教學和實踐教學，如圖2所示。由于校外實習中實踐基地存在不確定因素，故圖2中實踐教學體系主要含校內的實驗和實訓教環節。

圖2　先進制造技術課程群體系

從圖2可以看出，先進制造技術課程群改革建設體系龐大、課程教學和實踐教學門類多、實施學期跨度大，為此從系統工程的角度，從以下幾個方面實施課程體系的構建：（1）確立人才培養目標，以培養計劃為主線，圍繞應用型高校建設要求調整課程、學時及實施學期。針對先行先進制造技術發展，增加選修課程模塊，保障教學體系完善，實現專業內課程教學拓展。（2）根據先進制造技術發展，先進制造技術課程群定期調整教學大綱。大綱制定時，要求統籌理論教學、課內課外實驗實訓教學，以對課程及實驗交叉內容進行統一安排，避免冗余。同時對實踐教學環節制定統一的教學要求，但在具體實施過程中給教學和學生充分的自主發揮空間。（3）制定具體的實施文件，如教學進度表、實驗手冊等，并分期進行嚴格的審核，以保障統一的教學體系可以有效實施。

所謂系統工程，即每個系統都是由許多不同的特殊功能部分所組成，而這些功能部分之間又存在著相互關系，但是每一個系統都是完整的整體。在先進制造技術課程群中，課堂、和實踐（實驗、實訓）兩大環節，教室、實驗室和實訓中心三個場所，教師、學生、教輔和管理人員四類主體構成一個完善的系統，上述三條保障系統整體高效運行，而教學、人員及場地等每一部分功能的發揮還需要制定詳細的改革方案。

2.2教學模式創新

實踐教學一般有實驗、實習、實訓三種形式。這三個概念同屬于實踐教學的范疇，都強調對實際的了解和對技能的掌握，強調提高學生的實踐能力；教學的目的都是為了培養學生掌握所學專業的知識和能力。為了凸顯本科人才的特點，實訓不單純是操作訓練，而是在操作訓練時，著眼于對大學生實踐能力和創新意識的培養。而應用型本科人才的培養，在此基礎上更強調實訓項目與生產一線所需的操作技能盡可能在本質上吻合［10］。

為此，實踐環節的改革以課程范例和教學模式創新為手段，構建科學優化、層次清晰、目標明確、逐層遞進的教學體系，將實驗實施劃分為“基礎性實驗”和“拓展性實驗”兩個模塊，如圖2所示。拓展性實驗與學生活動競賽、工程實例、創新項目相融合，如圖3所示。該模式通過項活動競賽的形式可激發學生的專業興趣；以工程實例為基礎仿真模擬及實際加工制造，強化操縱技能；以項目為主線貫穿理論、操作和實際應用，提升學生的專業綜合素質，并使學生在較短的時間內達到企業應用級的水平。

圖3　“菜單式”拓展實驗組成

拓展性實驗模塊，對學生參與的主動性，實施過程的創新意識與自主能力要求高于基礎性實驗模塊。因此在實施過程中，主要考慮學生自身特點，在該部分進一步實施分類分層教學。圖3所示的“菜單式”模式，將拓展性實驗各組成部分菜單化，通過增加項目、競賽及加工實例的種類和數量以形成資源合集，學生根據自身興趣愛好進行選擇。此外，操作過程中提供相關案例指導分冊，以便于學生具體實施及改進。傳統的分層教學由教學主體對學生進行分類篩選，該模式實現學生主體對教學資源的自主選擇，在自身原基礎上進行鍛煉提升，以實現不同教育個體的能力發展。

2.3教師主體融合

改變課堂和實踐教學任務分別由教研室和實驗室人員分別承當、分別管理的傳統的格局，教學主體之一——各類教師相互融合，實現以下目標：（1）根據理論及技術前沿，任課教師創新實踐教學內容及操作；（2）根據理論教學大綱修訂實驗教學，發揮實驗教師參與理論教學的積極性；（3）兩類教師的融合，有效提升課堂教學與實踐教學關聯程度，形成圖2所示完整的先進制造技術課程體系。此外，兩類人員的融合實現師資統一管理，便于實現教學安排的連貫性和教學資源的統一調配。

2.4組織實施保障

為有效實施先進制造技術課程群教學改革，具體組織實施過程中還需要以下方面配合保障：（1）教學各部門需要達成共識，由教學口統一實施培養計劃和教學大綱的修訂，并集中進行專家論證；（2）管理部門要制定改進的長效機制，以確保整個教學體系改革持續進行；（3）人事部門制定相應的配套政策以及激勵機制，促進各類教師融合；（4）形成靈活的實驗室運行及管理機制，提高“菜單式”拓展性實驗模塊開放程度，以充分利用實驗設備等設施，提升實驗設備的利用率［11］。

3　結束語

系統工程化先進制造技術課程群教學改革從專業培養目標出發，全盤考慮整體規劃，建立一體化課程群體系，縱向研究理論教學與實踐教學內在關聯，優化的教學大綱和實踐教學要求，實現二者內容的銜接印證；橫向研究各組成部分，尤其創新實踐環節教學模式，實現基礎性實驗到拓展性實驗的拓展，并且“菜單式”拓展性實驗的設計促進開放性實驗實施。此外，從師資融合、人事政策、激勵機制、資源配置等方面組織保障先進制造技術課程群教學體系改革，以提升先進制造技術課程教學水平，培養學生的先進制造技術工程實踐能力和創新能力，從而符合國家制造業發展，高校應用型人才培養轉型對人才培養的要求。

同濟大學浙江學院機械與汽車工程系實施先進制造技術課程群教學體系改革兩年來，教研室相關任課教師全部走進實驗室，新的實驗模式受到2012級和2013級學生的歡迎，教學改革收到了良好的效果。

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［5］李鋼.先進制造技術虛擬實驗室教學研究［J］.長沙大學學報，2005.9，19，（5）：116-117.

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［11］余志華，王光軍，王宏，等.加強實驗教學隊伍建設，提高開放實驗教學水平［J］.實驗技術與管理，2012，29（4）：211-213.

Research on Systematic Engineering Teaching Mode of Advanced Manufacturing Technology Courses

YIN Jian-ge1，XU bo-ming1，2
（1.Department of mechanical and automotive engineering，Tongjizhejiang College，Jiaxing Zhejiang 314051，China；2.Institute of Mechanical&Electronic Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Advanced manufacturing technology is the carrier of high-tech manufacturing industry，and is the strategic emerging industry leading the core technology and equipment manufacturing in the world.The new national strategic goals of“powerful manufacturing county”propels the application type transformation of the university undergraduate education and professional construction，and application-oriented colleges and universities require advanced manufacturing technology course teaching mode to be urgently improved.Based on the analysis of the current situation of teaching，the system of advanced manufacturing course and its construction conditions，and the reform plan and measures of each part are explored，by systematic engineering thinking.According to the practice link，the "menu style"teaching mode for expansive experiments is designed and the organization support to properly carry out the mode is proposed.All of these improve the teaching level of advanced manufacturing technology course，and cultivate students‘advanced manufacturing technology engineering practice ability and innovative ability.

advanced manufacturing technology courses；teaching mode；systematic engineering

TB47

A

1672-545X（2016）08-0266-04

2016-05-22

尹建閣（1983-）女，湖北襄陽人，碩士研究生，系主任助理，講師，主要方向為機電一體化，飛輪儲能；徐博銘（1962-），男，上海人，本科，系主任，教授，主要方向為機械工程。