基于工業4.0管理的機械類課程實踐教學改革

王志強, 倪 敬

(杭州電子科技大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310018)

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基于工業4.0管理的機械類課程實踐教學改革

王志強, 倪 敬

(杭州電子科技大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310018)

分別從教學理念、教學體系、教學內容、教學方法和教學平臺等方面進行改革，構建了一個適合機械類專業培養目標要求,以現代制造業的“信息、智能”為特征、以機電管控等多學科綜合訓練為特色、以工業4.0技術為紐帶的實驗教學體系。該體系以國家對工程人才需求為導向,能充分調動學生對課程學習的積極性和主動性,有利于學生工程實踐能力的培養,提高學生的自主創新能力,為應用型人才的培養奠定了基礎。

工業4.0； 項目與競賽驅動； 多學科綜合訓練； 校企聯合培養

為了提高學生的學習興趣,增強課堂的教學效果,促進學生知識、能力和素質的協調發展,許多教育學者對于課程教學模式進行了一系列的改革與探索[1-4]。這些教學改革均取得了不錯的實踐效果,但在“工業4.0”[5-6]、“智能制造”[7-8]及“互聯網+”[9-10]迅猛發展的形勢下,這些教學理念已經很難為國家培養出具有兩化特色、能駕馭未來智能制造技術發展方向的復合型人才。本文基于工業4.0管理、項目與競賽驅動及校企聯合培養的教學理念，是基于工業4.0的智能制造技術發展方向、圍繞多個完整的競賽及實踐項目、緊密結合地方產業，并聯合地方企業而開展的全面工程教育理念,綜合了當前傳統教育、任務驅動教學[11-13]和案例教學的特點,將學生的學習興趣、探索解決問題的能力和團隊合作精神的培養融入實踐課程中,讓學生以設計實踐為導向,積極地進行學習、自主地進行知識的建構。

1 以學生為主體的全面工程教學理念

為了培養具有兩化融合特色的能駕馭未來智能制造發展方向的國家需求工程人才,提出以工業4.0全周期管理、項目與競賽驅動、校企聯合培養的知識、能力、素質綜合發展的全面工程教學理念。

1.1 構建工業4.0的智能制造綜合實驗平臺

充分利用學院已有的省級示范中心及重點實驗室，與西門子合作打造先進的基于工業4.0的智能制造平臺,并引入工廠實際產品,從產品設計、工藝設計、生產制造和物流服務等多個方面,建立接近或真實的智能工廠實訓系統。

在產品初期設計階段引入NX系統、SW系統等三維設計工具,在工藝設計階段引入工藝優化仿真系統、數控編程系統,對產品進行進一步設計。在生產制造及物流服務方面利用大數據、云計算、互聯網、三維打印技術等對產品進行數據化控制及制造,同時利用制造執行系統SIMATIC IT和全集成自動化解決方案(TIA),實現信息無縫互聯,建立基于工業4.0的智能制造實驗系統,如圖1所示。

圖1 基于工業4.0的智能制造實驗系統

該系統建成后可以讓學生在實驗—實訓—實習—實踐的過程中,得到產品從無到有全過程的系統和深入的訓練,提高學生解決問題的能力、創新能力和工程實踐能力。

1.2 以項目為導向,提高學生的工程實踐能力

我省開展的“新苗計劃”以及我院開展的本科生導師制,可以充分地讓學生參與到科研項目中。這些項目在實施過程中,教師可以分階段對學生進行教育指導。在構思階段鼓勵學生自由發揮,以學生為主體,對構思新穎的組給予鼓勵和表揚；在設計階段對學生進行指導,盡量使學生了解各種設計模型的利弊；在實現階段要有階段性檢查,鼓勵學生做好項目規劃,避免盲從。同時,每個項目都需要小組內成員的通力合作才能完成,這就需要在小組人際關系和諧的基礎上,做好組織、分工、配合等各方面的工作,培養了學生在團體中找準定位、發揮特長、與人協作等能力,為以后更好地適應工作環境打好基礎。這些活動也增加了學生之間互相了解、互相交往的機會,培養了學生的人際交往能力,由此形成一個有機整體,逐步提高學生解決問題的能力、實踐能力、創新能力和社會適應能力等。

1.3 以學科競賽為載體,促進學生的創新能力

我院每年都開展各種形式的科技競賽活動,如挑戰杯、機械設計大賽、數學建模大賽、“飛思卡爾”智能汽車比賽、“鐵制工藝品制作大賽”“斯特林發動機制作大賽”“慧魚制作創意大賽”“西子奧的斯杯”等,這些都是學生科技訓練、培養創新能力的載體,可以充分展示學生的學習研究才能,圖2—圖4分別為學生參加挑戰杯及機械設計大賽的作品。學生在參加競賽的過程中,需提出作品的設計方案、制定作品進展的計劃、進行作品的加工制作、對作品進行演示或展示。學生通過這些競賽,在自主設計、制作及裝配各種機械零件的過程中,想象力得到激發,解決問題的能力得到鍛煉,創新設計能力、工程實踐能力和團隊協作能力得到全面的培養。同時,學生通過競賽將其學習興趣、探索解決問題的能力和團隊合作精神的培養融入競賽當中,促進智力因素及非智力因素的發展。

圖2 可提高帶鋸床工作效率的振動鋸切工作臺

圖3 小型蘋果網套自動包裝機

圖4 樹干刷白自動涂裝機

2 創新型的教學體系與教學內容

為了培養能力與素質并重,知識、能力、素質綜合發展的復合型工程人才,實施了“工業4.0全生命周期管理、項目與競賽驅動、校企聯合培養”的教學體系及適應學生創新與發展的教學內容。

2.1 基于工業4.0教學平臺的實踐教學

實踐教學是工程人才培養中非常重要的組成部分。實驗教學內容由淺入深,包括基礎訓練、專業訓練、綜合創新自主訓練4個不同階段,針對不同年級、不同專業學生的需要,不斷拓展和挖掘實踐課程的內容。其中基礎訓練和專業訓練可以通過綜合實驗教學平臺來完成,而綜合創新自主訓練則可以借助工業4.0教學平臺來完成,學生可以自主設計實驗。通過手機APP應用程序進行客戶需求的設定,進而將數據傳輸到數據管理平臺,然后完成設計、制造、裝配、包裝、物流等環節的工作。

在綜合創新自主訓練中,工業4.0教學平臺實驗設計的自主性可以極大地激發學生學習興趣,擺脫傳統實驗教學中說教模式帶來的被動學習弊端。通過實踐教學,可以培養學生的實踐動手能力與創新能力,增強學生實際工作的適應能力,從而使學生在畢業后能更快地適應工作崗位。

2.2 基于項目和競賽的實踐教學

在實踐教學體系中增加創新項目和學科競賽環節,該環節在本科培養計劃中有2學分。針對國家對復合型工程應用人才的需求,設置以項目與競賽為驅動的實踐教學,在競賽和項目完成的過程中要求學生綜合應用各科知識和技能解決1個或多個復雜的設計和操作問題。

以項目和競賽為基礎的實踐教學是把專業知識與工程實際問題結合起來,學生通過競賽和項目可以總結工程實際中所遇到的各類問題。項目與競賽通常以團隊合作方式完成,并以論文、現場操作、PPT答辯和演示等方式展示作品,教師或評委對其進行評定。在項目或競賽的設計過程中教師能夠實時地對學生的操作進行指導,將自己的經驗傳授給學生,并糾正錯誤,對知識進行細化講解,加強師生間的交流和溝通。通過以項目與競賽為基礎的實踐教學，可以培養學生的創意設計、創新設計、團隊協作能力、成本分析與控制及工程管理等方面的能力。

2.3 實行“3+1”教學模式,培養“卓越工程師”

校企合作培養是實施“卓越計劃”培養方案的重要組成部分。學生在完成以學校為主要教學環境的工程人才專業知識、實踐課程及基礎工程能力訓練后,到企業接受企業的課程培訓、頂崗實習和工程項目實踐等學習,進而培養學生運用專業知識分析和解決工程實踐問題的能力,提高學生實際交流的能力、團隊協作的能力及現場應變的能力等,以適應國家對工程技術人才的需求。校企合作培養主要包括企業課程學習、企業頂崗實習、生產實習和畢業設計等環節,圖5及圖6為學生參加培訓及實習的場景。

圖5 企業培訓課程

圖6 企業實習課程

3 多樣化教學方法與校企聯合創新教學平臺

3.1 “啟發式、項目化、競賽制、多樣化”教學方法

為了提高學生的學習興趣、動手能力及團隊協作能力,更好地增強學生對專業知識的理解程度。建立以學生為中心、教師為引導、以項目教學為導向、以學科競賽為載體的多樣化教學方法,在教學過程中為學生提供主動學習和動手實踐的機會和平臺,加強師生教學互動交流。同時充分利用計算機、多媒體、網絡新媒體、PPT課件等現代化的教學手段，并結合機電一體化及管控一體化進行多學科的復合交融,突出“智能

制造”和“互聯網+”新技術的發展方向,將基于工業4.0的教學理念切實落實到國家工程人才培養中。這種多樣化的教學方式,可以克服理論教學和實踐相脫節的問題,增強教與學的互動性,使教學從原理性向應用性、綜合性轉變,有利于培養學生的創造力和動手能力。

3.2 校企聯合實踐教學平臺

以我院“機電工程綜合”省級示范中心、“船港機械裝備”省級重點實驗室、“海洋機電裝備技術實驗室”“流體計算力學實驗室”“海洋機電裝備集成技術實驗室”“海洋流體動力學實驗室”等為基礎的校內平臺與西門子、吉利、浙江銀輪,杭州機床、寧波海天、舟山揚帆等企業的校外基地相結合,進行資源的整合與共享,開展機械、車輛、海洋等專業方向的人才培養,如圖7所示。同時結合教學實際和學科發展,自制實驗系統,研發實驗機構,搭建工業4.0實驗平臺,進一步提高教師自身的實驗技術水平及實驗教學效果。通過以省級示范中心、重點實驗室、工業4.0平臺、校外實踐基地等為載體,瞄準國家工程師人才培養目標,全面實施工程教育,培養學生的創新、創造及實踐能力,使“產、學、研”真正結合起來,建立校企合作、共同育人的長效運行機制。

圖7 校企合作共同培養實踐教學平臺

4 結語

為培養國家所需的具有兩化融合特色、能駕馭未來智能制造發展方向的工程人才,本文提出了工業4.0管理、項目與競賽驅動及校企聯合培養的全面工程教育理念。該理念以學生為主體,以社會需求為導向,以全面工程教育為目的,以工業4.0的智能制造技術為方向,以信息化和智能化為特征,以項目及競賽帶動教與學,以典型的企業工作任務來組織理論和實踐教學內容,克服了理論教學和實踐相脫節的問題,增強了教與學的互動性,使教學從原理性向應用性、綜合性轉變,由此形成一個有機整體,逐步提高學生的實踐能力和社會適應能力,促進學生非智力因素發展,促進良好教風、學風和考風的養成。同時以工業4.0管理、項目與競賽驅動及校企聯合培養的教學理念，從平面靜態的教學模式中整合、完善、創新為立體動態式的實踐教學模式。該模式可以培養和塑造學生多層次、多思維、多創新及溝通協調的能力,并且達到培養寬口徑、厚基礎、強能力的復合型人才的目標。

References)

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Study of practical teaching reform on mechanical courses based on industry 4.0 management

Wang Zhiqiang, Ni Jing

(School ofMechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The teaching idea, teaching system, teaching content, teaching method and teaching platform are reformed. This experimental teaching system course has its unique features, that is, information and intelligence of the manufacturing industry are characteristic, the mechanical and electrical, management, control and other multidisciplinary comprehensive training is feature, the industry 4.0 technology is the bond. Meanwhile, the system fits the educational objectives for students’ training of mechanical degree. This teaching mode has always been directed by related industry needs whose educational target reflects national needs. And it can excite the students’ learning ability and mobilize initiative of students’ learning in practice. It is beneficial for cultivating engineering practical abilities and improving the innovative capacity of students and can lay the foundation of training applied talents.

industry 4.0; projects and competition to drive; multidisciplinary comprehensive training; cultivation of school-enterprise joint operations

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.058

2016-05-18

杭州電子科技大學高教研究重點課題“結合教師科研的大學生工程實踐創新能力培養研究”(ZD201505)

王志強(1984—),男,河北張家口,博士,講師,主要從事機電、液壓系統及其教學的研究

E-mail：wangzq@hdu.edu.cn

倪敬(1979—),男,浙江金華,教授,副院長,主要從事機電控制系統及其教學的研究.

E-mail：nj2000@hdu.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)11-0223-05