面向新工科的柔性制造教學實踐

陳紅艷 王漢成 朱益民 王飚 林杭

摘? 要 “中國制造2025”戰略提出以來，新工科建設對智能制造應用型人才培養提出更高的要求。分析工程實踐教學現狀，探索以實踐為基礎、項目為導引、多學科交叉融合的柔性制造工程實踐教學模式，構建柔性制造實踐教學平臺及多層次實踐教學體系，為智能制造實踐創新人才培養和進一步的實踐教學改革提供有力支撐。

關鍵詞 柔性制造；新工科；實踐教學平臺；工程訓練

中圖分類號：G642.44? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0128-03

Abstract With the proposal of “Made in China 2025” strategy， new?engineering construction has put forward higher requirements for the?cultivation of intelligent manufacturing applied talents training. By analyzing the present situation of engineering practice teaching， the?practical teaching model of flexible manufacturing is explored， which?based on practice， oriented to project and combined with production， learning and research. The practical training platform and a multi-level practical teaching system for flexible manufacturing are con-structed， which provide strong support for the cultivation of practi-cal innovative talents in intelligent manufacturing and further practi-cal teaching reform.

Key words flexible manufacturing; new engineering; practical trai-ning platform; engineering training

0? 引言

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，它是教育部針對“中國制造2025”，在“卓越工程師教育培養計劃”基礎上提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃[1]。在新工科背景下，高校工程實踐教育必須進行全面創新改革，以應對新的挑戰。作為工科高校中教學規模最大、學生受眾人數最多的工程實踐教學基地，工程訓練中心是培養國家創新人才、培養學生工程意識和實踐能力的主要實訓實踐平臺[2-6]，其工程實踐課程也面臨新的挑戰。為響應新時代工程技術人才培養需求，著眼于工程實訓課程的理念、模式和方法改革，南通大學工程訓練中心建立了柔性制造系統（FMS）實踐教學平臺。

1? 工程實踐教學現狀

工程訓練是我國本科大學生接受工程實踐教育的最主要的方式，起源于金工實習[7]，并在金工實習的基礎上進行全面創新，使學生直接獲得現代工業生產方式和生產工藝過程基本知識，接受生產工藝技術組織管理能力的基本訓練[8]。但在“中國制造”逐步走向“中國智造”的今天，在技術更新換代、日新月異，工業生產能力迅速提高、蓬勃發展的今天，工程實踐教學也遇到巨大挑戰。

1）工程實踐教學體系滯后于產業發展。工程實踐教學內容更新較慢[9]，不足以滿足以智能制造、“互聯網+”、物聯網等為代表的高新技術對人才創新能力和工程能力的培養需求。

2）工程實踐課程與現代技術手段融合不足[10]。目前的工程實踐教學多重單項、輕整體，面向工程實際的實踐教學內容欠缺，缺乏綜合運用多方面知識解決工程問題的環節。

為了讓大學生深入了解現代產業前沿技術，讓學生在學校中接觸到復雜工程問題，了解產業中的技術挑戰，掌握科學分析方法，南通大學工程訓練中心探索校企深度融合的FMS工程實踐平臺與運行機制方案，形成開放、自主實踐、多學科交叉融合的新型工程實踐教學平臺。

2? FMS實踐教學平臺建設

新工科建設要求地方高校主動對接地方經濟社會發展需要和企業技術創新要求，把握行業人才需求方向，培養大批具有行業背景知識與工程實踐能力、勝任行業發展需求的工程型人才[11-12]。因此，南通大學工程訓練中心積極與當地企業南通環球轉向器有限公司進行對接，與昆山巨林科教實業有限公司合力研發一條柔性制造生產線，如圖1所示。它以真實產品轉向螺母為加工對象，如圖2所示，是一條準企業化的生產型教學系統，是學生工程實踐教學的一個先進的、創新的、密切聯系工業生產實際的工程實踐平臺。

FMS由數字化設計系統、加工制造系統、裝配檢測系統、倉儲物流系統和信息管理系統五大部分綜合組成，其組成構架如圖3所示，可進行小批量、多品種全自動加工。該系統集成了當前工業設計、生產和控制的前沿技術，采用工業標準的主流設備和器件，以真實工程零件為加工對象而進行教學與生產，該教學貼近工業化的現場環境，能夠讓學生全面認識工業生產現場設備的組織形式和生產方式。

3? FMS教學與實踐

柔性制造系統是一個龐大而復雜的系統，開設什么樣的實訓項目是一個復雜的問題[13]。目前，工程訓練中心已依據該柔性制造平臺創建多層次實踐教學體系，可以滿足不同年級、不同專業學生對于實訓教學的需求，如圖4所示。

3.1? 工程認識

工程認識是面向本科院校所有學生的實踐類必修課程，學生通過FMS典型工程的學習和實踐，接觸工程實際，了解FMS的基本知識、結構和工程規范等，激發學習興趣，感受現代工程多學科交叉的特點，培養工程意識和創新意識，實現具有較高工程素質和開放性視野的復合型、應用型人才培養要求。在這個層次，教師主要采用PPT講解、視頻播放和現場演示等方式組織教學。

3.2? 工程訓練

工程訓練是高等工科院校各工科專業必修的一門實踐性技術基礎課，是相關專業培養計劃中的重要實踐教學環節。在這個環節，學生通過獨立的實踐操作，將有關柔性制造技術的基本知識、方法和實踐等有機結合起來，進行工程實踐能力訓練、思想品德和素質培養與鍛煉，從而具有柔性制造技術基礎知識和技能，具有獨立操作FMS主要設備并進行加工的能力。

FMS實訓在這個層次主要包括以下內容。

1）設備認知：了解FMS所涉及的基本知識、技術、組成、結構等。

2）工藝認知：了解轉向螺母在柔性制造生產線上的加工工藝。

3）數控加工實訓：數控加工系統在FMS中就如人的手腳，是實際完成改變物性任務的執行系統，主要由數控車床、車削中心、三軸/四軸加工中心等加工設備組成，通過數控加工實訓，使學生掌握數控機床的基本操作方法以及基本指令的數控編程。

4）物流搬運系統實訓：物料搬運系統是柔性制造系統的一個重要組成部分，主要包括AGV小車、桁架、機器人、倍速鏈傳輸線等，通過物流搬運系統實訓，使學生了解物流搬運的基本方式、機器人的操作與編程等。

5）倉儲實訓：自動化立體倉庫是一種設置有高層貨架，并配有巷道堆垛機和自動控制、計算機管理系統，實現搬運、存取機械化與自動化，貯存管理現代化和信息化的新型倉庫，通過倉儲實訓，使學生了解立體倉庫的組成部分和操作流程等。

在這個層次，主要采用分組教學、學生實操與虛擬仿真等方式組織教學。FMS虛擬仿真實訓教學平臺如圖5所示。

3.3? 工程綜合

目前，學校基于FMS的工程綜合實訓主要面向大三及以上機械類專業學生，主要完成虛擬仿真與實踐操作、工藝設計、夾具設計、集成配置、PLC虛實聯動等實訓內容，讓學生基于平臺進行更多更深層次的拓展與訓練。在這個層次，主要采用分組教學、虛擬仿真與實操、課程設計等方式組織教學。

3.4? 工程創新

基于FMS的工程創新以大四學生的畢業設計為主，以FMS中的某一組成部分作為設計題目進行工程創新，主要有汽車轉向螺母生產線加工工藝及程序設計、FMS三軸桁架機械手及控制系統設計、智能物流小車結構設計、小型柔性制造系統實訓平臺設計與控制、可移動AGV小車及升降裝置設計、工業六軸機器人關鍵部件設計與電氣控制設計等。

4? 結束語

柔性制造是現代制造業發展的主要趨勢[14]，FMS實踐教學平臺的建立非常符合新工科建設的引領性、交融性、創新新、發展性[15]等幾大要求。本文探索的柔性制造實踐教學，完成了校企深度融合的FMS實踐教學平臺建設，完成了多層次實踐教學體系構建，為智能制造人才培養和下一步教學改革提供了有力支撐。

參考文獻

[1]林健.引領高等教育改革的新工科建設[J].中國高等教育，2017（Z2）：40-43.

[2]陳詠華，李麗榮.工程訓練實踐教學研究與探索[J].實驗技術與管理，2011（3）：118-119，126.

[3]朱瑞富，孫康寧，賀業建，等.綜合性大學工程訓練中心發展模式設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（4）：85-87，99.

[4]鄭志軍，胡青春，張木青，等.現代工程訓練教學體系的改革與創新實踐[J].實驗室研究與探索，2008（8）：79-82.

[5]陳國松.我國重點大學本科工程教育實踐教學改革研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[6]王愛華，余艷，霍國良，等.全開放工程訓練教學模式的探索與創新[J].實驗室研究與探索，2018（10）：171-175.

[7]曹其新，李翠超，張培艷.中國特色的工程訓練教學模式與內容思考[J].實驗室研究與探索，2016（1）：129-131，160.

[8]朱華炳.將工程訓練納入本科必修課[N].中國教育報，2011-10-31.

[9]韓淑華，李瑾澤，馮強.基于CDIO創新理念的工程實訓教學體系優化建設：以內蒙古科技大學電工電子實訓為例[J].大學教育，2019（8）：62-65.

[10]王秀梅，韓靖然.新工科背景下工程訓練中心存在的問題與實踐轉向[J].實驗技術與管理，2019（9）：8-11，18.

[11]李疆，左成光，金開軍，等.新工科背景下地方院校“五融合”工程訓練體系的構建與實踐[J].教育教學論壇，2019（50）：175-177.

[12]“新工科研究與實踐”項目組.“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[13]楊斌，王振玉.基于柔性制造系統工程訓練教學的智能制造人才培養[J].實驗室研究與探索，2017（1）：192-195，200.

[14]徐建立，姚諶.柔性制造技術的應用與實踐淺析[J].現代制造技術與裝備，2019（5）：108-111.

[15]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017（2）：26-35.