面向工程認證的智能制造課程群設計

陳龍　朱可恒　景璐璐　錢煒

【摘 要】針對智能制造的發展趨勢以及國際工程認證背景下，需要研究在現有機械工程學科課程基礎上設置智能制造的課程群。 首先探討課程群設置基本原理，然后從智能制造技術和工程認證兩個方面探討智能制造課程群的具體設置方法。 最后以某智能制造研究所科研與教學協調發展作為實例進行論述。

【關鍵詞】智能制造；工程認證；課程設置；課程體系；課程群

中圖分類號： G642.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0120-003

Design of Intelligent Manufacturing Curriculum Group Oriented to Engineering Accreditation

CHEN Long ZHU Ke-heng JING Lu-lu QIAN Wei

（College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

【Abstract】In view of the development trend of intelligent manufacturing and the background of international engineering accreditation，it is necessary to study the set of intelligent manufacturing curriculum group on the basis of existing mechanical engineering courses.First of all， this paper discusses the basic principle of the curriculum group setting，and then discusses the specific setting method of the intelligent manufacturing curriculum group from the aspects of intelligent manufacturing technology and engineering accreditation.Finally，this article takes an intelligent manufacturing institute research and teaching coordinated development as an example to discuss.

【Key words】Intelligent manufacturing；Engineering accreditation；Curriculum provision；Curriculum provision system； Curriculum group

0 引言

工業發展因為3C技術（計算機技術、通信技術、控制技術）產生翻天覆地的影響。新技術在制造系統中的應用不斷涌現與深化，這是技術進步與社會發展深度融合的必然趨勢。世界各國也根據自身國情提出了各自的發展理念。德國提出工業4.0的概念，該概念源于2011年德國漢諾威工業博覽會，在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等學術界和產業界的大力推動下，該概念引領了全球新一輪工業革命的熱潮。與此對應，美國則提出“工業互聯網”的概念，該概念最早由通用電氣于2012年提出，隨后美國五家行業龍頭企業聯手組建了工業互聯網聯盟（IIC），將這一概念大力推廣開來。除了通用電氣這樣的制造業巨頭，加入該聯盟的還有IBM、思科、英特爾和AT&T等IT企業。

中國制造已經形成門類齊全、獨立完整的制造體系，已具備建設制造強國的基礎條件。為追趕世界潮流，2015年3月，國務院總理李克強在《政府工作報告》中提出：制造業是中國的優勢產業，要實施“中國制造2025”戰略，加快從制造大國向制造強國轉變，推動傳統產業技術改造，促進工業化和信息化深度融合。此后，全社會在該戰略的指引下，以智能制造的概念引領中國自己的“工業4.0”。中國智能制造戰略將引導中國制造向中國創造轉變，中國速度向中國質量轉變，中國產品向中國品牌轉變，可以完成制造大國向制造強國的跨越。

工程教育專業認證是我國高等教育改革與發展的必然要求，旨在實現學生、培養目標、畢業要求、持續改進、課程體系、師資隊伍和支持條件等幾個方面與國際標準緊密對接，提高工程人才培養質量，推動教育國際化，增強工程教育競爭力[1]。通過工程教育認證的專業畢業生可以在相關國家或地區取得工程師執業資格，這為工程類學生走向世界提供了通行證。工程教育專業認證對盡快提升我國工程教育水平和職業工程師能力水平， 提高我國工程制造業總體實力和國際競爭力具有重要意義。

在智能制造和國際工程認證雙重要求下，如何進行智能制造課程群的設置，是一個新的問題[2-6]。由于智能制造的學科領域跨度大，而原來從事制造領域的老師對3C技術比較生疏，而直接從事3C技術的老師對制造領域的事情又不是很熟悉的情況下，如何打通學科局限，研究智能制造課程體系的設立，為培養跨學科人才提供培養課程體系，是我們急需要解決的問題。

以智能制造和課程為關鍵詞，從知網上搜索也得知，目前同時面向智能制造領域和工程認證領域的教學研究論文也較少，這說明在新形式下智能課程群如何設置是一個嶄新的需要研究的課題，大家都在摸索中前進。可以預計，面向工程認證的智能制造課程體系研究將為探索新形式下智能制造和機械工程的專業課程建設與改革提供先機。

1 課程群概念及設置基本原理endprint

自從1990年提出“課群”的概念后，其內涵界定也是有較多的版本。一般認為，課程群是以現代教育思想和理論為指導，對教學計劃中具有相互影響、密切聯系、互動有序的相關課程進行重新規劃設計和整合構建的課程集合。它一般從屬于某一學科群，由多門課程組成，課程內有較多模塊化的知識點，課程群內各課程之間能較好地體現出有機滲透性和整合性。機械制造課程群，從屬于工學學科群（08），在這個學科群里有21 個二級學科，各專業或多或少都會有相互交叉和融合的情況[7][10]。

與強調單門課程質量不同，課程群建設立足“大課程”的布局，突破按學科組織課程的傳統方式，使課程內容有機銜接、科學融合。其主要目的在于整合主題相通、內容相近的相關課程，由追求單門課程內容嚴密完整性轉為課程群內部各門課程的銜接、完善，使課程之間相互貫通，相互補充，站在更高的起點上進行課程建設。因此課程群建設需要打破學科之間、教研部門之間的壁壘，有助于將相關課程教師集中起來，圍繞共同的教學目標和教學任務組成團隊，提供了良好的教學科研交流平臺。在這個平臺上，不同專業、學科背景的教師各自發揮優勢，合作研究教學問題，實現資源共享，創新教學內容，改進教學方式方法，不斷推進課程教學改革與發展。

在整合傳統的機械制造課程群課程內部知識點基礎上，如何體現智能制造技術對課程的新要求，就是智能制造課程群構建的核心所在。傳統的機械專業和課程設置中，產品的設計、制造和控制是分開的。新型的生產模式，特別是工業4.0 以后需要設計、制造和控制一體化，不應該拆分獨立，這樣智能制造課程群就是一個大的集成群。構建智能制造的課程群，首先需明確智能制造課程群的知識需求點，同時需要完成該課程群內各課程的模塊化建設。完成該課程群建設，能高效地為各工科專業服務，幫助學習者了解相關工程設備的設計與控制原理、制造與維護過程。

2 智能制造對課程體系設置的要求

智能制造主要強調信息和網絡技術和制造技術的融合，并通過互聯網和物聯網的平臺實現設備互聯與信息共享，其核心技術是自動化、信息化、網絡化與智能化，這不僅依賴于獨特的自動化技術，同時也與其它的技術如檢測技術、電力電子技術、計算機技術、通信技術、網絡技術等密切相關[8]。

傳統制造與智能制造的區別在于：傳統制造以單純提高精度或速度為指標，智能化、全流程優化程度比較低，因高能耗和污染排放而環境友好程度不高；智能制造則是整個生產制造活動中智能貫穿始終，人機智能交互、機機智能交互有機融合，生產各環節借助網絡高度集成融合起來，且實現由單環節的優化向全流程優化轉變。因此根據智能制造的技術要求，列出表1所示的智能制造所涉及的課程。

由表1智能制造對其核心支撐技術要求來看，很多課程都遠遠超出了傳統機械課程群所要求的范圍，因此如何突破現有專業設置，打破傳統專業隊課程配置的要求，真正實現按照課程群的設置原理來進行課程配置改革，將會極大改進目前專業設置的局限。

3 工程認證對智能制造課程體系的要求

若根據工程教育認證標準制定該課程的教學大綱，那么教師必須認真考慮以下幾個問題：1）該課程可以支撐哪些畢業要求？2）可以實現學生的哪些能力目標？3）要實現這些目標，需要講授哪些內容？4）需要采用什么教學方式？5）如何考核學生是否實現了這些能力目標？只有將這些問題考慮清楚，教師才能制定明確的課程目標、設計合理的教學環節、建立有效的能力達成度評價機制。針對工程認證的要求，提出以下三點舉措來實現。

提升信息化網絡化課程內容，夯實基礎性

傳統的機械專業課程設置中，主要注重數控系統和機電一體化系統實現的高度自動化的特征，而對信息化方面的課程主要是通過計算機輔助設計相關課程來達到要求，網絡化方面的課程則非常少，即便提到也是機電控制方面的課程提到通訊協議。工業4.0時代具有高度自動化、高度信息化及高度網絡化三個特征。一般來說，自動化是工業2.0時代的特征，信息化是工業3.0時代的特征，在工業4.0時代，自動化和信息化將繼續深入發展，形成高度自動化和高度信息化，同時工業4.0時代還將由于各種設備和系統實現了聯網，從而具有高度網絡化的特征，這是工業4.0時代獨有的技術特征。因此智能制造要加強信息化和網絡化課程方面的建設。當然，由于課時的限制，不能全面引入計算機和通信專業的課程，要根據智能制造專業的特色，適當引入相關內容。

表1 智能制造課程層次表

搭建智能制造平臺，增強可視性

利用虛擬現實技術、增強現實技術和混合現實技術構建仿真實訓智能制造平臺[9]。該平臺作為理論教學與實物實訓之間過渡的橋梁，構建“理、虛、實一體化”的新一代教學與實訓體系。虛擬仿真實驗中心使得學生在校期間即可通過虛擬仿真手段了解和掌握制造現場的工藝流程和工作內容。這種教學模式培養的制造業一線人才，不再是簡單的操作工，而是主要產品的設計者和智能生產系統的管理者，擁有極高的分析問題、解決問題的能力。同時利用移動智能平臺，將傳統課堂上講授的普通知識點，以課余在線方式完成學習、交流、考核，教師由知識的“傳授者”轉變為學習活動的組織者、管理者。而課堂教學則從傳統的知識點陳述，轉向 “難點釋疑、啟發交流、實作實訓、鞏固拓展”的新型教學法，從而實現翻轉課堂的“落地”。

大力發展校企合作，提高實踐性

智能制造對傳統的機械專業教師和學生提出了更高的要求。通過校企合作，使得教師和學生有更多的機會走進企業、走進生產現場一線，能有更多的機會向一線工人和專家請教和探討技術問題。同時，智能制造環境下，系統會變得更為智能和復雜，需要更高的科技水平的優秀人才，需要更多擁有各領域背景知識的人才通力合作，走進企業能夠打破高校的以傳統學科為分割的教學和科研單位。正如上海以“以示范帶動應用，以應用帶動集成，以集成帶動裝備”的智能制造推進思路，抓典型行業應用示范引領行業發展，抓系統集成能力提升，抓關鍵技術裝備突破。而這幾條抓手之中，都是以行業、企業為牽頭，高校作為配套關鍵技術來實現的，因此只有大力發展校企合作，通過行業和企業的引領，集成高校能夠轉化的關鍵技術，才能整合產學研的真正效力。endprint

4 智能制造科研引領教學發展及教學實踐

由于智能制造技術涉及面非常廣泛，因此如何通過基礎技術的研究引領智能制造課程的教學，確定了以下教學和研究思路。

面向社會服務，企業需求拉動技術發展。研究為智能產品、智能設計、智能機床、智能生產、智能車間、智能物流、智能工廠、智慧生產的形成提供核心支撐技術。智能制造技術研究所要緊密圍繞智能制造的主題，以智能機床、智能機器人為載體，研究產品智能計算設計、機器視覺與人工智能技術、智能產品設計等核心技術。并借助工業互聯網思維，探索產品全生命周期過程的工業大數據智能獲取與處理，智能故障診斷與遠程運維，形成智能產品的設計、制造、工藝、裝配、銷售與售后服務全流程智能化技術體系。

跟蹤學術前沿，學科交叉驅動理論創新。智能制造技術是由于3C技術和傳統制造業相結合的產物。因此多學科交叉是其特色，也是其生存發展之道。探索機床、機器人、三維打印機等制造母機本身存在的性能改進與提高問題，探索母機環境自感知與自運算、自決策等智能活動，網絡環境下母機智能協同工作等問題。研究智能產品智能設計共性與關鍵技術及其在大數據下的數據驅動設計，在智能產品環境自感知平臺下的產品智能演進等問題，在互聯網和物聯網雙重支撐下，產品全壽命周期的數據與環節智能管理等問題。

各級項目申報，整合資源帶動實體發展。由于中國目前企業發展參差不齊，和發達國家直接在3.0基礎上進入工業4.0，而我國目前還要在2.0和3.0上補課的現實，目前工業4.0的熱度主要在政學兩屆、在企業并不熱心的情況下，需要積極整合資源，形成示范效應，才能真正在工業4.0上有所作為。擬爭取國家級項目申報，推進基礎研究研究與技術中介機構實體相結合的實施方案，推進產學研融合。緊密依托學校協同創新研究院和上海理工大學蘇州精密制造研究院，并在上海發展多家直接從事智能制造技術相關的合作企業，協同推進智能制造技術的研發、應用與企業結合，聚焦特色技術，打造技術核心，形成技術示范。

在以上研究方向的引領下，學院開設了《工業4.0技術導論》的課程，且該課程已經完成了三個學期的講授。該課程首先在卓越班開設，小范圍摸索課程的講授形式與考核方式，然后大規模向機械學院全面鋪開。教材采取電子教材，實現教師和學生形成課程共同體，課件共同制作，課程素材全體均可添加，且素材可以為文本、視頻、動畫、音頻、PPT等各種多媒體素材，知識內容非常豐富。課程考試采取授課教師指定范圍，然后給出題目庫，由2至3人形成一個小組，小組成員共同完成一個給定題目的PPT制作，同時每人還需完成一個與自己完成的課件內容相關的小論文。在打分時，PPT分數作為小組成員基準分，然后根據每人所完成小論文實現分數微調。課后經過調研，機械專業學術在經過該課程的學習后，專業知識面得到大大拓展，基本了解了智能制造的背景及愿景、智能制造技術體系，且較深入了解了與智能制造相關的智能產品、智能設計、智能車間、智能生產、智慧工廠、智能物流、智能檢測等各支撐技術的基本原理與實現方法。

后續課程可以圍繞工業4.0技術的支撐技術繼續展開相關課程的設置，以期在工業認證的成果導向方針指引下，通過智能制造相關技術的學習重新整合機械專業各門課程的設置。

5 總結

本文在工程認證和智能制造兩大背景下，論述了如何進行智能制造的課程體系設置的基本原理和實踐。通過課程群概念的探討，提出了智能制造課程體系設置的基本原理。然后在兩個方面展開具體論述，即在智能制造背景下如何進行智能制造課程體系設置，和面向工程認證時智能制造體系如何進行優化設計。最后以某教學單位為實例，對智能制造課程體系的開設進行了案例探討。實踐證明，智能制造將極大的改變傳統機械專業課程設置，為智能制造相關專業的開設提出了一個參考方向。

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