智能制造新工科專業(yè)建設(shè)探索

蔡紅霞 劉麗蘭 王小靜

摘要：智能制造工程新專業(yè)是新工科專業(yè)的典型代表。智能制造工程新興工科專業(yè)為滿足未來制造領(lǐng)域的高端復(fù)合人才需求而應(yīng)運而生。建設(shè)智能制造新工科專業(yè)，必須形成在通識教育理念下，強(qiáng)調(diào)數(shù)理基礎(chǔ)，基于傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)科知識體系，融合交叉學(xué)科科技新元素的模塊化課程體系;大力建設(shè)“智能制造”、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、“人工智能”等時代背景下的新技術(shù)特色課程。需要推進(jìn)教學(xué)方法改革，在有限的學(xué)制內(nèi)讓學(xué)生獲得更寬更深知識，落實智能制造工程新工科專業(yè)領(lǐng)域要求的工程人才需要具備的解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。為建設(shè)有利于學(xué)生自由發(fā)展的課外實踐環(huán)境和平臺，需要聯(lián)合智能制造領(lǐng)域國際知名企業(yè)、國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，建設(shè)企業(yè)實踐基地、校內(nèi)課內(nèi)外一體化的教學(xué)實踐環(huán)境以支撐本專業(yè)高端復(fù)合人才培養(yǎng)。智能制造工程新興工科專業(yè)的建設(shè)探索將促使機(jī)械工程學(xué)科領(lǐng)域的工程教育進(jìn)一步適應(yīng)未來制造領(lǐng)域新發(fā)展，推動高等教育機(jī)械工程專業(yè)復(fù)合型高端人才的培養(yǎng)模式改革創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：智能制造;新工科;高等教育;課程體系

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）20-0107-04

2017年教育部啟動了“新工科”發(fā)展研究工作[1]，并于2月18日形成了“‘新工科建設(shè)復(fù)旦共識”[2]，4月8日形成了“‘新工科行動路線（天大行動）”[3]。6月9日形成了北京指南[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，也讓我們真切感受到了高等工程教育改革的迫切性。當(dāng)前國家正在實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”等一系列重大發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程科技人才，對于支撐服務(wù)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義，也是建設(shè)制造強(qiáng)國和創(chuàng)新型國家的重要前提。建設(shè)與發(fā)展“新工科”已然成為當(dāng)前社會產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展的必然要求，成為提高國家未來競爭力，贏得全球市場競爭的重要途徑，成為深化高校工程教育范式改革，滿足國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實需求[5]。

一、智能制造新工科專業(yè)內(nèi)涵

在“工業(yè)4.0”時代發(fā)展背景下，機(jī)械工程領(lǐng)域正在經(jīng)歷大的變革。機(jī)械工程學(xué)科領(lǐng)域的工程教育如何適應(yīng)未來制造領(lǐng)域新發(fā)展，如何培養(yǎng)社會、企業(yè)需要的本專業(yè)領(lǐng)域高端復(fù)合人才？科學(xué)、技術(shù)、工程知識都急劇增長，理論體系越來越龐大，學(xué)科滲透、交叉學(xué)科越來越多，如何形成在通識教育理念下，強(qiáng)調(diào)數(shù)理基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)學(xué)科知識體系，融入最新智能制造科技新元素，以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為宗旨的多元化的培養(yǎng)體系？如何改變傳統(tǒng)的機(jī)械等單一學(xué)科領(lǐng)域知識傳授模式，在有限的學(xué)制內(nèi)讓學(xué)生獲得更寬更深知識的同時獲得足夠的工程推理能力、人際交流能力和產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程的建造能力等等，落實本專業(yè)領(lǐng)域要求的工程人才需要具備的解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)？如何建設(shè)企業(yè)實踐基地、校內(nèi)課內(nèi)外一體化的教學(xué)實踐環(huán)境以支撐本專業(yè)高端復(fù)合人才培養(yǎng)？這些是機(jī)械工程專業(yè)教育必須回答、關(guān)系到學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵瓶頸問題。

智能制造是機(jī)械工程自動化、生產(chǎn)管理及物流技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)及信息通信技術(shù)等多技術(shù)交叉融合形成的技術(shù)體系。第四次工業(yè)革命的到來，促使工程教育進(jìn)行全方位的變革。新工科改革倡議正是我國工程教育面對《中國制造2025》所做出的積極回應(yīng)[6]。近年來，以物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算為代表的新一代信息技術(shù)，以3D打印、機(jī)器人、人機(jī)協(xié)作為代表的新型制造技術(shù)，與新能源、新材料與生物科技呈現(xiàn)多點突破、交叉融合，智能制造不斷取得新突破。毫無疑問智能制造工程新專業(yè)是新工科專業(yè)的典型代表。

我國高等工程教育改革發(fā)展已經(jīng)站在新的歷史起點，新工科建設(shè)復(fù)旦共識提出，我國高校要加快建設(shè)和發(fā)展新工科。一方面推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，另一方面主動設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)新結(jié)構(gòu)，探索實施工程教育人才培養(yǎng)的新模式[2]。培育建設(shè)智能制造工程新興工科專業(yè)是未來制造領(lǐng)域新發(fā)展的需要。建設(shè)智能制造新工科專業(yè)，必須形成在通識教育理念下，強(qiáng)調(diào)數(shù)理基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)學(xué)科知識體系，融合交叉學(xué)科科技新元素的模塊化課程體系;大力建設(shè)“智能制造”、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、“人工智能”等時代背景下的新技術(shù)特色課程。需要推進(jìn)教學(xué)方法改革，在有限的學(xué)制內(nèi)讓學(xué)生獲得更寬更深的知識，落實智能制造工程新工科專業(yè)領(lǐng)域要求的工程人才需要具備的解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。為建設(shè)有利于學(xué)生自由發(fā)展的課外實踐環(huán)境和平臺，需要聯(lián)合智能制造領(lǐng)域國際知名企業(yè)、國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，建設(shè)企業(yè)實踐基地、校內(nèi)課內(nèi)外一體化的教學(xué)實踐環(huán)境以支撐本專業(yè)高端復(fù)合人才培養(yǎng)。

二、智能制造新工科專業(yè)建設(shè)框架

面向未來的新工科專業(yè)必然具有新知識，包括與戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)的工科專業(yè)的新技術(shù)（尤其是信息技術(shù)）、新內(nèi)容（尤其是學(xué)科交叉內(nèi)容），由此構(gòu)建新的知識體系與課程體系[7]。如圖1所示，建立智能制造工程新專業(yè)必須重組并優(yōu)化涵蓋各學(xué)科基礎(chǔ)知識的新工科專業(yè)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容。智能制造新工科專業(yè)的課程體系必須充分考慮新工科交叉學(xué)科的特色，以原來的機(jī)械工程專業(yè)為基礎(chǔ)，融合機(jī)械、計算機(jī)、自動化、管理、通信等各交叉學(xué)科專業(yè)相關(guān)課程。

為更好地融合各交叉學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，我們需要分析未來工程人才應(yīng)具備的素質(zhì)，明確工程人才在工程技術(shù)、信息技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理、法律、文化、倫理等重點領(lǐng)域應(yīng)具備的能力體系，開展學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向的課程體系重構(gòu)，建立能力達(dá)成和課程體系之間的一一對應(yīng)關(guān)系[8]。在建設(shè)智能制造工程新工科專業(yè)特色課程時，具體可以從以下幾個方面著手：（1）大力開展通識教育，強(qiáng)化思維方式重要性遠(yuǎn)大于具體知識學(xué)習(xí)的重要性;（2）有目的性地加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)課程群建設(shè)，為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ);（3）有側(cè)重點地整合、精化、創(chuàng)新專業(yè)課，形成數(shù)字化機(jī)械設(shè)計類課程群以及機(jī)電結(jié)合的控制類課程群;根據(jù)新興交叉領(lǐng)域?qū)?chuàng)新復(fù)合型人才的需求，加入突出智能化的新技術(shù)類課程群，培養(yǎng)學(xué)生解決智能制造工程這一新興交叉科學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜新工程問題的能力;（4）依托校內(nèi)實驗室、校外基地，落實、強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)，開展項目式教學(xué)，落實學(xué)生能力培養(yǎng);（5）整個課程體系通過智能制造典型載體——機(jī)器人緊密串聯(lián)起來，落實特色課程建設(shè)，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式改革。培養(yǎng)適應(yīng)未來制造領(lǐng)域新發(fā)展，能夠解決人類面臨重大問題和國家重大戰(zhàn)略需求的智能制造工程領(lǐng)域未來工程創(chuàng)新人才。

三、智能制造新工科專業(yè)建設(shè)實施路徑

（一）通識教育建立對交叉學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)知及創(chuàng)新思維方式

智能制造新工科專業(yè)是新興的學(xué)科體系，需要寬廣深厚的人文素質(zhì)及專業(yè)素養(yǎng)。學(xué)生通過大一通識教育，選修經(jīng)濟(jì)、法律、社會類課程，在進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)之前通曉人類各種“基本知識類型”，使學(xué)生兼具傾向于直覺的、發(fā)散性的、情感驅(qū)動的，解決問題方式主要是情感交流、相互理解、不斷溝通的以情感人文學(xué)藝術(shù)思維方式以及邏輯的、講究嚴(yán)密推理所謂以理服人的科學(xué)思維方式。同時幫助學(xué)生發(fā)展遠(yuǎn)大理想和抱負(fù)，培養(yǎng)他們的公民意識、社會責(zé)任感以及職業(yè)道德等。教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)思維方式重要性遠(yuǎn)大于具體知識學(xué)習(xí)的重要性。

智能制造涉及機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、認(rèn)知科學(xué)等科學(xué)技術(shù)問題，依托通識教育課程體系以及采用任意選修課全校專業(yè)打通模式，讓學(xué)生自由選擇其他專業(yè)通識類及專業(yè)類課程，建立對交叉學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)知及創(chuàng)新思維方式。

（二）突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)的專業(yè)必修課改革

1.有目的性地加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)課程群建設(shè)。創(chuàng)新能力是建立在深厚、扎實的數(shù)理基礎(chǔ)上的。為讓學(xué)生有建模、分析、求解、論證工程問題的能力，有較強(qiáng)的自學(xué)能力，有目的性地加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)課程群建設(shè)。課程教學(xué)加強(qiáng)數(shù)學(xué)軟件的教學(xué)，如Matlab等，降低學(xué)生使用數(shù)學(xué)工具的門檻，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件解決工程問題的能力。加強(qiáng)工程力學(xué)、流體力學(xué)與傳熱學(xué)等課程。課程教學(xué)加強(qiáng)實驗及仿真軟件的應(yīng)用。

2.有側(cè)重點地整合、精化、創(chuàng)新專業(yè)課。智能制造是機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息通信技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)及工業(yè)管理多技術(shù)交叉融合形成的技術(shù)體系。所以在學(xué)科專業(yè)課設(shè)置上需要整合、精化原有的傳統(tǒng)課程，加入體現(xiàn)智能化的計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息通信技術(shù)、工業(yè)管理等最新技術(shù)的相關(guān)課程。加強(qiáng)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計關(guān)聯(lián)課程的緊密連接，輔以完整的課程項目，使學(xué)生的能力能獲得螺旋形提升。改革傳統(tǒng)自動化課程體系，講授面向智能制造工程領(lǐng)域的控制理論、控制技術(shù)的具體應(yīng)用。結(jié)合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展，開發(fā)專業(yè)領(lǐng)域新興專業(yè)課程。人工智能原理加入最新科技元素，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理偏向于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，智能制造導(dǎo)論引領(lǐng)學(xué)生對專業(yè)的整體認(rèn)識，機(jī)器人原理及應(yīng)用、機(jī)器人傳感技術(shù)以深入的技術(shù)點實現(xiàn)基礎(chǔ)類課程向?qū)I(yè)類課程深入學(xué)習(xí)的過渡。

（三）智能化為方向的專業(yè)選修課設(shè)計

智能制造工程新工科專業(yè)強(qiáng)調(diào)“數(shù)字化為核心”、“機(jī)電結(jié)合”、“智能化為方向”的思想。推進(jìn)教學(xué)方法改革，探索與企業(yè)的聯(lián)合培養(yǎng)模式，落實每一教學(xué)環(huán)節(jié)。加入互聯(lián)網(wǎng)、人工智能時代新技術(shù)特色課程，如制造業(yè)信息化技術(shù)及應(yīng)用、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析與決策、現(xiàn)代機(jī)床與制造系統(tǒng)、智能制造中的軟件設(shè)計與實踐等課程。課程強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容緊跟當(dāng)今最新科技，最終形成數(shù)字化機(jī)械設(shè)計類課程群、機(jī)電結(jié)合的控制類課程群，突出智能化的新技術(shù)類課程群，培養(yǎng)學(xué)生解決智能制造工程這一新興交叉科學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜新工程問題的能力。

（四）強(qiáng)調(diào)課內(nèi)外聯(lián)動的實踐環(huán)境建設(shè)

根據(jù)新工科建設(shè)與發(fā)展的內(nèi)涵特征，需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才，應(yīng)該在現(xiàn)有大學(xué)培養(yǎng)計劃中，強(qiáng)化工程實踐的教學(xué)內(nèi)容，增加工程實踐課程的時間，更注重于培養(yǎng)工科大學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，通過專業(yè)教學(xué)計劃的修訂，突出強(qiáng)化實踐教學(xué)地位[9]。在總結(jié)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃、CDIO工程教育人才培養(yǎng)模式改革等經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，新工科將進(jìn)一步深化產(chǎn)教融合、校企合作的體制和人才培養(yǎng)模式。基于課外的各種大學(xué)生工程實踐活動，讓學(xué)生在體驗、參與、理解、熟練實踐的過程中實現(xiàn)創(chuàng)新能力的提升。以科學(xué)研究和工程實踐為主導(dǎo)，把課內(nèi)和跨課程的有關(guān)實踐能力有機(jī)地結(jié)合起來，樹立全周期工程教育的“新理念”，在實踐中逐漸掌握并使用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代工程工具的能力以及在團(tuán)隊中工作、與他人合作的能力。探索科學(xué)基礎(chǔ)、實踐能力和人文素養(yǎng)融合發(fā)展的人才培養(yǎng)模式。創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)。促進(jìn)科研與教學(xué)互動，及時把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，實驗室、研究室等向?qū)W生開放。支持本科生參與科研活動，早進(jìn)課題、早進(jìn)實驗室、早進(jìn)團(tuán)隊。注重學(xué)習(xí)過程考查和學(xué)生能力評價。

（五）以機(jī)器人為載體的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式改革

解決交叉學(xué)科工程新問題需要學(xué)生具備對各專業(yè)知識的綜合理解，對領(lǐng)域?qū)W科內(nèi)容的融會貫通，乃至對人文學(xué)科的全局認(rèn)識。學(xué)生在學(xué)習(xí)各門課程之時，如果缺乏主線，沒有載體，無法使學(xué)生形成由點到線再到面的知識體系構(gòu)建，便難以最終形成解決智能制造工程領(lǐng)域復(fù)雜新工程問題的能力。機(jī)器人技術(shù)是智能制造的重要組成部分，可以充分發(fā)揮機(jī)器人技術(shù)的引領(lǐng)和載體作用，以機(jī)器人為載體設(shè)置智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)內(nèi)容，不僅提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化工科學(xué)生的動手能力，同時也利于掌握智能制造涉及的機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、認(rèn)知科學(xué)等科學(xué)技術(shù)問題，寓教于實踐。

在新專業(yè)的課程體系中，可以通過機(jī)器人將專業(yè)導(dǎo)論課、學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容相貫穿，按照專業(yè)能力逐層遞進(jìn)，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的時候帶著問題學(xué)習(xí)，將不同課程知識綜合運用實踐，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，教學(xué)方法轉(zhuǎn)移到“以學(xué)生為中心”。

四、結(jié)束語

新工科代表現(xiàn)代科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)、工程和工業(yè)實踐的創(chuàng)新與進(jìn)步，不同的學(xué)科交叉與融合，由此形成的新興或新生工程學(xué)科。智能制造工程新專業(yè)是新工科專業(yè)的典型代表。建設(shè)智能制造新工科專業(yè)，在傳統(tǒng)機(jī)械學(xué)科原有的培養(yǎng)體系上，融合交叉學(xué)科科技新元素的模塊化課程還不夠，必須推進(jìn)教學(xué)方法改革，在有限的學(xué)制內(nèi)讓學(xué)生獲得更寬更深的知識，落實智能制造工程新工科專業(yè)領(lǐng)域要求的工程人才需要具備的解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。培育建設(shè)智能制造工程新興工科專業(yè)是未來制造領(lǐng)域新發(fā)展的需要，以滿足社會、企業(yè)需要的制造業(yè)領(lǐng)域高端復(fù)合人才的需求。

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