面向新工科教育的機械工程專業計算機能力培養方法

丁毓峰

摘要：隨著近幾年人工智能、物聯網等高新科技的快速發展，傳統制造業的轉型升級導致對機械工程專業畢業生提出了新的要求，其中計算機能力就是一個突出體現。文章結合制造業的發展趨勢，針對機械工程專業新工科人才需求進行了分析，提出了面向新工科教育的機械工程專業計算機課程體系和計算機相關課程設置方法，最后介紹了面向新工科教育的機械工程專業學生計算機應用實踐案例。

關鍵詞：新工科;機械工程;計算機能力;工科教育

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0212-02

新工科是相對于傳統工科而言的，以新經濟、新產業為背景，是一個動態的概念[1]。新工科的建設，一方面要設置和發展一批新興工科專業，并加強建設、提升質量;另一方面要推動現有工科專業的改革創新，探索符合工程教育規律和時代特征的新培養模式。鐘登華等[2]提出經濟全球化的發展催生產業重大變革和新興產業發展，自主機器人、大數據、云計算、虛擬現實與增強現實等新興科技趨勢使得傳統的工科教育體系已經無法滿足這種新的發展趨勢。

新工科以新經濟、新產業為背景，以科技創新為核心，在新興領域實際應用中形成創新創業機制。周崇松等在新工科背景下計算機在專業中的應用課程教學改革實踐中提出新工科建設可通過設置和發展新興工科專業來完成，也可以通過傳統工科專業的改革創新進行拓展[3]。杜彥斌提出針對機械制造技術基礎課程建設存在的課程內容與工程實際聯系不緊密等問題，圍繞教學策略實施、教學內容重構以及評價反饋改革等內容，提出機械制造技術基礎課程改革的理念與思路[4]。

在國際新經濟大趨勢下，在工業4.0和國家2025戰略引導下，采用物聯網、云計算、人工智能、機器人等智能制造相關技術改造或者升級傳統制造業的工作已經展開，因此迫切需要既懂得傳統制造理論和知識，又掌握高新技術的專業人才。

一、機械工程專業新工科人才需求分析

圍繞機械工程的新工科實踐和工業物聯網以及智能制造是密不可分的。工業物聯網是自動化與信息化深度融合的有效手段，可以實現自動化裝備與企業信息化管理系統的連接，從而實現數字化管理，采用云平臺提供數據采集、云端分析，進而實現企業間的聯動協同。工業物聯網將推動智能制造產業生態構建，實現企業內外資源整合。智能制造發展趨勢包括數字化到網絡化再到智能化推進智能制造范式演進，數字化到網絡化再到智能化推進智能制造范式演進和工業物聯網大發展推動智能制造系統集成高速興起。

可見，圍繞新工科的要求和企業自身在國際化進程中的發展需要，企業對機械工程專業新工科人才的要求是：在掌握傳統機械設計及制造知識的基礎上，能夠掌握工業物聯網、智能制造的基礎理論、方法和技術，知曉工業物聯網、智能制造的發展趨勢，能夠適應企業在智能制造領域的不斷發展需要。

二、面向新工科教育的機械工程專業學生計算機課程體系

目前機械工程專業本科生培養過程中涉及的計算機課程包括C語言、單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機仿真、機械CAD/CAM。新工科背景下需要對這些傳統的計算機應用相關課程進行整合，并和人工智能、物聯網、并行計算、大數據等方向結合，制定符合新需求的計算機相關課程體系。考慮到目前中國制造業的發展方向，將和計算機相關的課程分成物聯網和智能制造兩個大的方向，如圖1所示。

物聯網方向分成硬件和軟件兩個層次，硬件主要涉及電路設計、底層DSP開發、PCB設計等課程知識，應在傳統機電專業課程中體現，軟件層次包括兩個系分類，一個是嵌入式軟件設計開發，主要涉及C語言、單片機、可編程邏輯控制器（PLC）等嵌入式系統開發課程，另外一類就是App及應用服務器開發，企業需要通過手機監控企業內部機床設備、工件的生產狀況、質量情況、發生故障時候的報警就需要采用這種系統實現。

將機器學習應用于智能制造系統，一種方式是建設的單個系統本身具備機器學習的功能，另外一種方式是建立企業級的機器學習平臺，為企業中的其他系統提供機器學習的能力和服務。

智能制造方向可以細分為智能設計、智能裝備和智能測試等，將整合傳統的計算機仿真、Matlab/Labview、機械CAD/CAM等課程，另外新增Python設計及開發課程。在智能設計子方向，以機械CAD/CAM課程為基礎，加強二次開發能力的訓練，按照傳統培養模式培養的學生是沒有這些技能的，企業只好自己培養這方面的人才，這樣無疑增加了企業的開發學習成本和開發周期。

三、面向新工科教育的機械工程專業學生計算機相關課程設置方法

按照新工科下機械工程專業計算機課程體系，在傳統計算機課程的基礎上，增加了較多計算機課程相關知識。按照現在機械工程專業的課時規劃，很難一下再增加這么多課程，如何解決這個矛盾呢？考慮有以下幾個方式進行處理：（1）傳統課程內容的改革。圍繞新工科知識要求，增加人工智能等相關前沿內容，壓縮傳統內容。例如機械CAD/CAM課程中增加和企業案例結合的具體產品的二次開發內容，如汽輪機葉片CAD/CAM系統設計及開發，壓縮如曲面建模理論等內容。（2）以方向選修課的方式開設相關課程。如開設機器學習及Python實現、手機App及服務器開發等課程。（3）通過實踐環節增加課程學習。實踐環節包括現有課程體系內實踐、畢業設計實踐和創業創新實踐，如在課程體系內的CAD/CAM及數控技術實踐的實踐課程中增加機器人編程及遠程控制內容。

四、面向新工科教育的機械工程專業學生計算機應用能力培養實踐

從2010年開始，我們就開始嘗試通過一些創業創新項目培養學生的計算機應用能力，指導學生參加了國家大學生創業創新計劃、機器人比賽、互聯網+比賽、機構創新設計大賽等。在2017年，結合企業的具體需求，帶領機械工程專業機械15級和16級的6名學生實現了基于Unity的虛擬數控機床仿真系統。

基于Unity的虛擬數控機床仿真系統的目標是將真實數控車床與虛擬仿真技術相融合，將虛擬數控機床仿真系統發布于網頁端，使學生不受地理位置限制，可以隨時隨地進行數控機床的原理和操作的學習，開發該系統需要學生具備數控機床、機械裝備設計的傳統知識，還需要學生基于Unity的虛擬仿真開發、C#開發、js網頁開發等計算機相關知識。

通過基于Unity的虛擬數控機床仿真系統實踐，學生熟悉了和機械專業密切相關的計算機應用系統從需求分析、系統設計、開發、運行和測試的完整流程，并且還學習了基于Unity的虛擬仿真開發、C#開發、js網頁開發等計算機相關知識。從實踐過程來看，如果學生只具備傳統的機械工程領域知識或者計算機知識是無法勝任該項工作的，只有具備機械工程新工科知識的學生才能完成該項目工作。

參考文獻：

[1]吳愛華，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017，（01）：1-9.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（03）：1-6.

[3]周崇松，等.新工科背景下《計算機在專業中的應用》課程教學改革實踐[J].山東化工，2017，（16）：180+187.

[4]杜彥斌.“新工科”建設背景下機械制造技術基礎課程改革探討[J].中國現代教育裝備，2018，（13）：38-40.