新工科背景下面向復雜工程問題的自動化實驗教學改革實踐

劉肖燕， 左 鋒， 張 玨， 劉曉潔

（東華大學信息科學與技術學院，上海201620）

0 引 言

以人工智能、智能制造、機器人等為代表的新興產業蓬勃發展，新經濟和新產業對人才培養提出了新的需求，需要工程實踐能力強、創新能力強的高素質符合型新工科人才［1-4］。這對傳統的自動化專業實驗教學提出了挑戰，因此應加快實驗教學改革的步伐，在實驗課程建設方面融入新知識和新技術，使人才培養從知識傳授向能力培養轉變，加強知識應用、工程實踐和創新能力的培養，以應社會發展和技術變革對人才培養的挑戰［5-6］。為此，我校自動化專業以新工科和中國制造2025 為指導思想，面向新一代信息技術產業對人才的需求，從課程體系建設和人才培養模式兩個方面積極改革，以能夠解決復雜工程問題為目標，構建面向新工科和中國制造2025 需求的自動化專業實驗教學體系。

1 原有教學體系存在的問題

我校自動化專業原有課程教學體系完整，但是面對新的就業和人才培養需求，尚存在一些問題。

（1）部分教學內容陳舊與現實就業需求脫節。實踐類課程除了可以驗證理論知識外，還可以完成學生從學校到實際生產企業的過渡，是鍛煉學生動手和生產實踐能力的重要環節，但是原有實踐課程內容陳舊，新一代人工智能技術的課程較少，不能滿足當今社會對人才的需求。

（2）課程內容枯燥缺少應用背景。案例教學也是以傳統案例為主，缺少與產業界的結合，學生對實際生產中需要的知識與技術知之甚少，所學知識無法適應企業的現實需求。

（3）缺乏對學生創新及自主學習能力的培養。仍以老師講，學生聽，聽完做實驗這種傳統的教學模式為主，無法吸引學生，學生課堂缺少自主思考、自主發揮的空間。

2 實踐教學體系改革思路

實踐課程教學的目的是幫助學生建立本學科的知識體系，并將所學知識運用于實際生活和工作中，單純靠教師上課講授很難達到理想效果，要想充分調動學生學習的主觀能動性，需要改進原有教學體系［7］，我校近年來在完成教學計劃的同時，實施了多項改革方案，一方面建設了面向智能制造的實踐課程體系，通過實踐教學平臺搭建和綜合實驗案例開發相結合的方式，構建了面向流程工業和離散制造兩種不同類型生產方式的智能制造實踐教學體系。同時建立了校企協同育人的培養模式，加強與自動化領域知名企業聯系［8-9］，建立全方位多層次的合作，制定校企協同育人方案，共同建設校企聯合實驗室和學生校外實踐基地，培養工程應用型創新人才。克服以往實驗體系缺乏層次性、體系性和工程背景的缺點，引進和開發虛擬實驗教學資源，以學生為主體，學生可以自主選擇實驗，運用虛擬實驗的在線資源，學生可以從實驗中汲取知識，驗證理論知識，構建自身的學科知識體系［10］。我校自動化專業于2017 年順利通過全國工程教育專業認證協會認證，2019 年成功入選國家級一流本科專業建設點。

3 實驗教學課程改革實施方案

3.1 建設具有學科特色面向智能制造的實踐課程體系

由于流程工業［11］和離散制造［12］的生產過程有很大的不同，自動化技術應用的方式也不同，因此我校自動化專業分別針對兩種生產模式，建設面向智能制造的實踐課程體系，學生可以根據自己的興趣和規劃選擇其中的一個實踐課題進行設計和開發，通過提供不同方面的實踐能力訓練，增強人才培養的多樣性。

（1）面向流程工業的智能制造實踐教學體系。結合我校紡織特色與學科技術優勢，以碳纖維原絲紡絲過程為背景，建設面向流程工業智能制造的教學平臺（見圖1），開發虛實結合的智能制造實驗教學案例，作為過程控制綜合實驗和自動化專業綜合實習的實驗課題。同時在理論課程自動控制原理、自動檢測技術和過程控制系統等課程中結合講授智能制造案例內容和開設相關的課內實驗。

圖1 面向流程工業智能制造的實驗教學平臺體系結構

以碳纖維原絲紡絲過程為背景，設計虛實結合的綜合性實驗教學模式（見圖2）。建立工程和實驗貫通、綜合實驗和分散實驗多層次貫通的、開放性自動化類實驗教學體系：①從工程應用出發設計虛實結合的學科級綜合的演示性實驗，從學科級綜合的實驗中抽取并設計虛實結合的專業方向性綜合實驗，從具有工程背景的專業方向性綜合實驗中分化出專業課課程設計實驗以及課內實驗；②以虛實結合的方式實現以上的多層次貫通的實驗體系；③建設支持虛實結合多層次貫通實驗教學的信息管理平臺，整合目前已有的實驗室智能管理系統，形成開放性實驗所需的軟硬件平臺。虛實結合的實驗體系中還包括物聯網與無線傳感技術的應用，方便師生進行遠程訪問和實驗（見圖3）。

圖2 碳纖維原絲紡絲工段工藝流程仿真實驗

圖3 帶有物聯網的虛擬仿真平臺

（2）面向離散生產的智能制造實踐教學體系。智能制造技術在離散制造企業的應用程度更高，目前已在汽車和電子行業得到較大規模的應用［13-14］。搭建面向離散制造的實驗教學平臺，以此為基礎開發智能制造實驗教學案例，在運動控制、機器人及控制、工業網絡原理與實踐的課內實驗和可編程邏輯控制器技術設計與實踐中使用，更重要的是作為自動化專業綜合實習的設計開發課題。通過這些實踐教學案例，培養學生的自主學習能力與工程實踐應用能力。

實驗室現有一套智能制造小型設備，這套設備由4 個模塊組成，分別是供料站、加料站、工業機器人裝配站和物流及倉儲站，對實際工業生產線的基本流程進行模擬（見圖4）。該設備可以開展智能制造自動控制方面的實驗，但系統的購置費用比較昂貴，占地面積也比較大，不能滿足自動化專業200 名學生的需求。為此，采用NX-MCD 軟件自主設計此設備對應的“數字孿生”系統，在信息物理系統（CPS）框架下，采集真實設備整個生命周期中的各種信號數據，在數字世界中構成真實物理系統的仿真體。通過對該仿真體的感知，實現對系統的監控、預測與性能優化。數字孿生系統可以為每一位可登錄系統的學生提供實驗條件，學生設計的可編程邏輯控制器（PLC）程序通過通信接口直接與三維虛擬設備相連，為學生完成復雜工程項目的軟件設計帶來便利性：①程序設計過程中可全程實物（即制造平臺上的虛擬對象）調試；②PLC對虛擬設備的控制實現三維可視化，如不同批次產品的物料傳送、加工裝配、成品入庫等在虛擬仿真平臺上均可編程實現小批量多品種柔性生產，其生產過程在虛擬仿真平臺上直觀可視。

圖4 智能制造小型實驗平臺

3.2 建立校企協同育人的培養模式

針對以往課程體系中與自動化產業結合較少等問題，逐步與自動化和信息技術領域知名企業建立全方位多層次的合作，繼續鞏固校企聯合實驗室并建立一批新的學生校外實踐基地，培養實用創新人才。校企協同育人［15-16］將依托自動化專業的生產實習、卓越班的企業實習課程以及部分畢業設計課題研究，全方位開展與企業的合作。

（1）校企聯合開設生產實習課程。加強與自動化行業領先企業西門子公司的合作，充分發揮我校西門子先進自動化實驗室的作用，利用實驗室的軟硬件條件，邀請企業專家到學校的西門子實驗室中開設生產實習課程，學生在課程中不但學習Siemens NX、Solid Edge 3D 以及Teamcenter BOM Management 等軟件的基本操作，還可以建立虛擬的三維環境，模擬觀察者從不同的位置和角度看到工業生產線系統。在Tecnomatix軟件平臺上進行生產線邏輯的程序設計，控制仿真生產線里的各種元素。可以使用仿真PLC控制并調試仿真生產線，也可以通過應用程序和現場過程控制（OPC）協議由物理PLC 對仿真生產線進行控制。同時還可以讓學生進行工藝流程路徑的規劃，協調物料流動和信息流動。通過仿真環境中的工作站點信息可視化和虛擬現實技術，可為學生提供一個與實際生產線一致的仿真案例。

（2）校企共同構建評價體系。加強實習基地建設，與相關領域的知名企業建立實習基地，開展自動化卓越班的企業實習。將企業實訓作為企業實習的重要內容，企業專業技術人員對學生進行培訓和現場指導，并提供設備給學生進行實際操作和編程，讓學生掌握設備的基本操作和基本編程方法。學校教師與企業專家研討，共同制定實習指導書，考核評價也在企業完成。

通過校企協同育人的方式提供了專業理論課上無法給予的實際復雜工程問題的直觀認知，也培養了學生應用知識解決實際問題的能力、工程實踐能力。同時通過企業的安全與操作規范教育，提高了學生的工程素養，大大增強了本專業的實踐教學水平，以新工科和中國制造2025 為指導思想，為國家培養高素質的人才。

4 結 語

根據新工科人才培養要求和社會對自動化專業人才的新需求，我校自動化專業建設突出人工智能新技術、新方法與數據驅動智能的實踐課程內容、利用科研的計算平臺開展在線交互式的案例教學，開設紡織服裝特色的人工智能綜合實驗，豐富自動化專業的實踐教學內容，打造以智能制造為主題的實踐教學體系，針對流程工業和離散制造兩種模式，開發面向兩種不同生產方式的智能制造實踐教學體系。建立校企協同育人模式。加強與自動化行業領先企業聯系與合作，以培養適應新一代信息技術發展和社會需求的人才。