新工科背景下高校工程訓練中心的建設與管理

韓 偉，段海峰，江麗珍，童 洲

（華南理工大學廣州學院 工程訓練中心，廣東 廣州 510800）

智能制造技術的快速發展對傳統工科人才培養模式提出了新挑戰，新興產業和新經濟需要的是工程實踐能力強、創新能力強并掌握各種新技術的復合型新工科人才，要求他們在完成本專業學業的同時，還具有將智能制造前沿技術與本專業技術進行學科交叉融合的能力。人才培養目標從過去對應于就業崗位的剛性技術能力結構方向[1]，轉變為具有持續學習智能制造技術、運用新知識、新技術去解決未來發展問題的交叉柔性能力方向。在這種背景下，工程訓練中心作為高校工科學生能力培養的實施主體之一，應努力把握新工科人才工程能力培養方向，轉變將工程訓練看成單純制造設備應用訓練的傳統理念，以建設符合新工科人才培養要求的交叉學科工程能力訓練及創新能力提升平臺為目標，持續調整更新實訓內容與課程體系結構，積極創設交叉學科融合的任務導向訓練課程，建設涵蓋實訓運行、師資配置和設備運維的智能化管理體系，具體從以下幾個方面進行探索和規劃。

1 以新工科建設目標為導向，探索人才培養能力結構新模式

首先將工程訓練中心發展建設納入全校的新工科建設軌道中，工程訓練中心轉變傳統功能定位，以建設具有本校優勢學科特色的應用型人才實踐訓練教學基地為核心目標，使工科專業基礎教育在工程實訓過程中得到驗證的同時，探究本校優勢學科特色的新工科人才工程能力結構，構建柔性可變的交叉學科能力培養課程體系[2]。持續推進工程訓練課程體系更新改造，才能更好地服務于當前智能制造產業細分化、差異化發展的人才需要。

1.1 適應新任務改革工程訓練中心功能定位

長期以來，工程訓練中心在高校的基本功能定位一方面是使學生的工科專業基礎知識在工程訓練中得以驗證，另一方面是培養學生學會基本的金屬材料成型方法及制造設備應用。而面對當今智能時代技術高速發展的不確定性，智能、開放、多變及柔性化的生產組織形式必然帶來行業人員能力內涵的結構變化，作為未來工程技術人力資源培養主體的工科院校，需要進行基于交叉學科運用勝任力的人力資源內涵變革研究[2]，拓展、創新發展工程訓練中心的功能定位，構建適應于工科各專業如機械工程、電氣工程、電信工程和計算機工程等專業的交叉學科能力培養課程體系，培養學生具備新工科各專業課程與工程能力相融合的交叉柔性工程能力。交叉融合的新工科工程能力培養模型如圖1所示。一般工科的工程訓練課程安排為80學時，采用輪轉式實訓課程結構，在短時間內以工作目標驅動學生完成訓練項目，將機械加工、智能控制和虛擬仿真制造等多個學科的實訓項目輪轉進行，使學生在學習本專業工程知識的基礎上，迅速將各種交叉學科知識相互融合，內化為交叉柔性的工程能力。金字塔結構的剛性能力培養模式比較注重的是知識邏輯規范以及認知過程序列的規劃，而飛輪結構的柔性工程訓練能力模型則注重學科交叉融合，符合傳統科學知識體系思維、系統工程思維和新工科創新思維學科交叉發展[1]。與傳統剛性的金字塔結構相比更具有開放性和靈活性，這樣的工程能力模型最大的特點就是其持續可更新，這種更新與改變應該建立在科學論證的基礎上并與時代技術發展同步。工程訓練中心只有持續進行訓練學習任務的重組和更新排序，定期進行學習領域課程結構體系的重構造[1]，合理增加購置新設備并規劃相應實訓模式，才能滿足不斷發展的智能制造技術和社會高速發展的需要。

圖1 交叉融合的新工科工程能力培養模型

1.2 構建產業調研基礎上的實訓課程更新論證制度

為實施開放柔性工程訓練能力培養，工程訓練中心應主動構建全員參與和產業調研基礎上的實訓課程持續更新論證機制，定期調查產業轉型升級、新業態的產生及設備更新變化，建立全員參與調研新技術、新業態、新模式及新產業對本科人才工程能力要求的機制[3]，激勵每個實訓項目教師共同謀劃工程訓練中心的未來，對照新工科建設要求，分析人才工程能力結構，改進實訓課程，規劃設備更新和實訓室建設。同時組建新工科學科專家和產業工程技術人員論證專家隊伍，定期組織不同的專家人員進行實訓項目課程改進論證和研討，調查各領域智能制造企業和“互聯網+制造業”的最新人才需求變化，規劃工程訓練教學每個實訓項目典型任務和課程更新改進方向[2]，工程訓練項目更新論證研討過程見圖2。

圖2 工程訓練項目更新論證研討過程

上述調研論證均應制定長期執行的管理流程文件，與對應專業本科人才培養方案每年的評審制度相結合，使工程訓練課程設計、典型工作任務和專業能力培養三者融合規劃，建立長效機制，定期進行持續優化更新，形成工程訓練中心課程改革必須立足產業調研論證的制度，把與時俱進的理念融入工程訓練中心長期建設規劃中，使工程訓練中心在科學調整發展的道路上持續前進。

1.3 工程訓練典型工作任務設計與交叉學科能力培養

新工科理念驅動下工程訓練中心功能定位的改變必須通過訓練課程體系實施，在進行工程訓練典型工作任務設計時，應立足于本校優勢學科特色培養學生交叉學科能力，在本校省級重點學科機械工程專業的注塑成型、沖壓成型和壓力鑄造等加工實訓項目中開設 PLC模具溫度控制、機器人下料等實訓模塊，設計以材料成形智能改造為主的多學科知識交叉組合的典型訓練任務[4]。交叉融合的材料成型智能控制設計工作任務見圖3，將沖壓實訓課程、機器人送料與和觸摸屏設計三個以前相互獨立的訓練項目進行融合交叉，把電氣控制技術、自動化通信和 GT Designers軟件觸摸屏設計等先進技術引入到傳統沖壓實訓中，原有的4個實訓模塊課時整合在一起進行，既保證了實訓教學學時，又達到了交叉學科技能融合實訓的目的。

圖3 交叉融合的材料成型智能控制設計工作任務

學生在完成上述工作任務的實施過程中，必須對沖壓材料成型技術、計算機通信、機器人技術和電氣控制技術等 4種專業的交叉學科知識進行鏈接和應用，從而使其交叉學科應用能力在工作過程中得到融合應用和提升[4]。

1.4 構建具有本校特色的新工科人才工程能力培養課程體系

在智能制造產業細分化、差異化發展的背景下，對新工科的人才需求也將呈現多樣化和柔性化的發展趨勢，需要不同的工科院校培養不同專業特色方向及能力結構的人才，工程訓練教育內容也應當根據各校實際情況多樣化設置課程體系，避免重復同一標準的人才培養模式[5]。以本校省級重點學科機械工程專業為基礎，通過構建工程基礎能力訓練、專業技術訓練、智能制造訓練、虛擬仿真訓練4個實訓平臺框架，構建人才培養實踐課程體系，在注塑成型、沖壓成型和壓力鑄造等加工實訓課程中規劃設計智能控制內容，形成具有本校新工科背景的工程訓練實訓特色[6]。工程訓練中心實訓課程體系結構見圖4。

虛擬仿真教學平臺作為課程體系的重要組成部分，除了可以節省學校貴重設備的投資之外，更重要的是虛擬仿真實訓過程運行可以省卻許多實體設備操作的準備和多余演示環節[7]，可使用進度控制調節速度跳過繁雜的重復簡單運行部分，直接選擇進入關鍵工藝體驗環節，使學生最快地學習了解制造過程的關鍵技術部分，更多地將實訓放在體驗重點工藝過程內容，并可交互比較各種仿真技術方案產生的不同效果，積累部分工藝經驗[8]。本校優勢傳統的機械工程學科中注塑成型、沖壓成型和壓力鑄造等實訓項目有許多難以直接體驗實踐的危險和高溫工作環節，虛擬仿真技術能使學生在真切體驗此類材料成型工藝技術過程，了解更多學科知識內容，這也是本校工程訓練中心的虛擬仿真實訓特色之一。

圖4 工程訓練中心實訓課程體系結構

2 通過產學研項目實施促進學生工程能力進一步提升

當前的制造業智能化技術改造過程中，許多企業的科技項目都在對傳統制造技術進行智能化改造，如鑄造、沖壓和焊接生產的機器人自動化應用等，這為從事傳統制造項目教學的教師提供了發揮自己知識能力的機會，這些項目研究中需要將材料成型、控制工程與人工智能等多方面技術相結合，衍生出新的交叉復合研究目標，也與新工科所倡導的交叉學科相契合。工程訓練中心應積極鼓勵教師開展科研，并帶動學生廣泛參與項目研究過程，這樣既可以促使教師的技術和科研能力得到持續可更新，又能推進“產學研”一體化進程，驅動學生在完成任務的過程中培養創新實踐能力[4]，也符合新工科建設的 6個問題導向所倡導的發展目標。

2.1 以智能制造技術為驅動提升工程訓練中心教學隊伍的科研能力

實踐中以工程訓練中心原有的傳統實訓項目為依托，結合新工科建設、智能化制造發展需求，鼓勵教師加強與企業合作，以企業設備智能化改造為契機，在幫助企業攻克技術難點，解決傳統工種勞動強度高、工作效率低等問題的過程中，吸引更多教師加入科研團隊中來。研究如何在傳統實訓工種中增加計算機軟件技術和智能制造元素[8]。以計算機軟件和智能自動化技術為橋梁的能力培養連接模式見圖 5，連接以前獨立分割的傳統實訓模塊如鑄造、沖壓、焊接和注塑等項目，激勵和驅動教師參與研究材料成型自動化技術研究的積極性，打造符合新工科時代要求的、掌握現代交叉學科知識能力并具有本校專業特色的實訓師資隊伍[9]，形成以鑄造、沖壓、焊接和注塑成型等專業智能化改造為特色研究方向的科研隊伍，為新工科產教融合實訓模式奠定師資基礎。

圖5 以計算機軟件技術和智能制造為橋梁的能力培養連接模式

在鑄造、沖壓、焊接和注塑等項目引入 CAD建模、CAE模流分析、ANASYS力學有限元分析、機器人自動化、模擬制造軟件和網絡通信應用等新技術內容，這些學習內容既符合當代青年學生的興趣，也成為這些傳統項目技術更新的基礎內容。把以前孤立分開的傳統實訓以自動化控制的共性連接起來，建立學科交叉融合的工程能力實訓平臺。

2.2 構建師生合作產學研項目研究模式

選擇學業優秀并具有探究興趣和能力的學生參與初級科研任務，既能解決學生研究項目的目標選題，又能幫助教師完成部分科研實驗及研究工作[10-11]。教師可將研究課題內容作為國家、省市資金支持的大學生創新創業訓練計劃項目（SRP）、攀登計劃項目，還有學生的畢業設計課題等。產學研課題子項目任務分配見圖 6，教師承接的產學研項目低壓鑄造機器人自動取鑄件設計，如果全部由教師團隊完成，任務較為繁重，但如果按照圖 6中的任務分解，則既減輕了教師的基礎研究內容，又為學生提供了探究項目目標。其中針對傳統制造業正在普遍進行的智能化改造研究，常常需要運用交叉學科知識進行研究，能促進學生在完成任務的過程中相互進行不同學科知識的探究交流，進一步推動其運用交叉學科能力的提升。

圖6 產學研課題子項目任務分配圖

教師的工程研究項目是培養學生工程能力的最好載體之一，尤其是對交叉學科知識資料的分析、對照和思考，需要通過任務導向的探究凝聚學生注意力并挖掘其創新思維，形成知識能力內化[4]。同時，學校和工程訓練中心所在學院也應建立相應的科研激勵機制，持續鼓勵教師成立特長生興趣小組，指導學生成立各類創新協會，吸納有興趣并具備初步探究能力的學生參與科研項目任務，實現師生目標一致的產教融合模式，構建持續發展長效機制及團隊[10]。

3 運用網絡智能化的技術提高工程訓練管理水平

當前在工程訓練中心推行網絡無紙化教學和無紙化考試，實現工程訓練網絡化、信息化教學管理已是新工科時代發展的必然趨勢。數字化和網絡化實訓管理教學模式需要覆蓋到全中心的設備資源、課程體系和實訓平臺管理，實現學生在線實踐訓練，教師在線進行實訓任務分配、實踐指導和成績管理評價等全方位教學與管理功能，實驗教學管理系統框架見圖7。

應用人工智能技術在實訓的基礎上建立學生實訓小組乃至個體模型，在實訓教學過程中實現“即教、即學、即練、即考”的閉環控制，能快速采集學生對實訓設備及教學資源的使用情況、操作安全與否等信息記錄，對學生提出針對性指導意見。在此基礎上實現系統化、智能化教學評價與分析，從而推動提升學生學業表現與教師核心能力價值的創造融合，為將來人工智能的技術應用進入認知層面、實現更高水平的人性化交互與自主行為迭代提升發展做好管理框架準備。

圖7 實驗教學管理系統框架

4 結語

智能制造產業細分化、差異化發展必然使新工科的人才需要也呈現多樣化、復雜交叉化的趨勢。在此背景下的高校工程訓練中心的建設與發展，工程訓練中心整體的規劃和管理建設，首先應當明確新工科時代工程訓練功能定位轉變勢在必行，跟上所在學校新工科建設規劃。更需要宏觀視角交叉融合創新思維，并盡可能將建設規劃與產業最新技術發展緊密聯系起來，根據本校實際情況多樣化設置工程訓練課程體系。需要建立實踐—積累—實踐—再認識—再更新的可持續優化提升的管理思路，形成科學發展的工程訓練能力培養模式和網絡智能化管理運行體系。