智能制造背景下的自動化特色專業(yè)課程體系重構(gòu)

楊延麗，劉殊男

1.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林長春，130013；2.長春科技學(xué)院，吉林長春，130600

0 引言

專業(yè)建設(shè)離不開課程體系的改革，而課程體系改革需要依托當(dāng)前和未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，在智能制造大背景下，自動化專業(yè)課程改革離不開智能制造背景下的技術(shù)路線和人才需求。通過分析當(dāng)前智能制造發(fā)展現(xiàn)狀和人才培養(yǎng)問題，結(jié)合當(dāng)下對人才的需求，本文通過專業(yè)課程交叉融合、新課程開發(fā)、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方式給出了課程體系重構(gòu)的思路，從根本上解決了畢業(yè)生與企業(yè)專業(yè)技術(shù)人才需求的鴻溝，使得畢業(yè)生能夠快速地勝任企業(yè)工作，為未來的專業(yè)發(fā)展做好知識、技術(shù)儲備。

1 智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

目前國內(nèi)許多高校都在著力建設(shè)智能制造與服務(wù)特色專業(yè)學(xué)科，如重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院依托重慶市的三特行動計(jì)劃，提出了專業(yè)群建設(shè)的思路，以錯(cuò)位發(fā)展、優(yōu)勢互補(bǔ)、學(xué)科融合、資源共享、培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)為舉措，構(gòu)建面向智能制造與服務(wù)特色學(xué)科專業(yè)群、與“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的人才培養(yǎng)體系[1]。最近國內(nèi)已經(jīng)將人工智能、智能制造工程、智能科學(xué)與技術(shù)等一批專業(yè)列為新興專業(yè)。這些專業(yè)依托于信息技術(shù)與自動控制的發(fā)展，是傳統(tǒng)專業(yè)與現(xiàn)代需求相結(jié)合的產(chǎn)物。由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院編制的《2020年智能制造發(fā)展指數(shù)報(bào)告》中指出，在“十三五”期間，制造業(yè)企業(yè)在不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，企業(yè)的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、信息技術(shù)應(yīng)用不斷向前推進(jìn)。國家也相繼出臺了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如《智能制造能力成熟度模型》《智能制造能力成熟度評估方法》等，為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、提升智能制造能力提供了參考和依據(jù)[2-3]。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，要想建設(shè)自動化特色專業(yè)，必然要緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，使自動化的專業(yè)課程體系體現(xiàn)出新技術(shù)、新理論、新方法。在培養(yǎng)應(yīng)用型人才及產(chǎn)業(yè)合作上，英國于2011年提出了“以學(xué)生為中心的教育體系”，并指出就業(yè)能力是大學(xué)申請者關(guān)注的首要因素，通過合理的課程設(shè)置及實(shí)施機(jī)制、產(chǎn)學(xué)合作與互動機(jī)制、專門制定就業(yè)能力培養(yǎng)計(jì)劃等來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[4-5]。文獻(xiàn)[5]分析了工業(yè)自動化中應(yīng)用的智能制造技術(shù)，這對我們在智能制造背景下培育優(yōu)秀的工程應(yīng)用型人才提供了好的思路。總之，建立基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的課程開發(fā)機(jī)制，進(jìn)行大學(xué)課程創(chuàng)新，加強(qiáng)學(xué)科交叉融合，創(chuàng)新產(chǎn)學(xué)合作與互動機(jī)制是建設(shè)面向智能制造的自動化特色專業(yè)的必由之路。

2 當(dāng)前自動化課程體系存在的問題

2.1 專業(yè)課程內(nèi)容陳舊，與企業(yè)需求不匹配

當(dāng)前智能制造領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，文獻(xiàn)[6]給出了智能制造技術(shù)清單，整理出2035年的智能制造技術(shù)預(yù)見和路線圖，提出了包括面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝的知識庫、離散智能工廠、智能建模與仿真技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、智能工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的27條智能制造技術(shù)清單，顯然智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、規(guī)模化定制、服務(wù)化延伸及數(shù)字化管理等多種新業(yè)態(tài)、新模式加速涌現(xiàn)，各種新技術(shù)組合成為主流應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。這些既是當(dāng)前企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是企業(yè)對人才的需求，而當(dāng)前自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案的培養(yǎng)目標(biāo)定位不合理、規(guī)劃期較短、綜合能力要求不全面，課程體系成果導(dǎo)向不夠、課程內(nèi)容陳舊[7-8]，學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)不足，理論與實(shí)踐脫節(jié)，與當(dāng)前企業(yè)所需的畢業(yè)生知識儲備、專業(yè)技術(shù)能力不匹配，急需對課程體系進(jìn)行重構(gòu)，形成以智能制造為特色的課程體系，服務(wù)于智能制造大局。

2.2 學(xué)科融合欠缺，特色不明顯

當(dāng)前的自動化課程體系存在學(xué)科融合欠缺、專業(yè)課程注重各種專業(yè)基礎(chǔ)知識培養(yǎng)等問題，因此無明顯特色，不易樹立品牌形象，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)缺乏競爭力。鑒于此，應(yīng)充分發(fā)揮智能制造學(xué)院各專業(yè)的優(yōu)勢，深化學(xué)科之間的交叉融合，并融入新技術(shù)、新工藝、新方法，形成優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)，拓寬學(xué)生視野，以培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力為核心，建設(shè)新的課程模塊，實(shí)現(xiàn)提高畢業(yè)生崗位勝任能力的目標(biāo)，同時(shí)也能為學(xué)生畢業(yè)后五年的職業(yè)發(fā)展打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

3 課程體系重構(gòu)

課程體系重構(gòu)主要包括通識教育與學(xué)科基礎(chǔ)課程整合、與其他專業(yè)課程交叉融合、傳統(tǒng)方向?qū)I(yè)課程的優(yōu)化、仿真實(shí)踐創(chuàng)新平臺整合與綜合項(xiàng)目開發(fā)、創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目等。在扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)課程、強(qiáng)化數(shù)理基礎(chǔ)的同時(shí)，增加數(shù)字化制造、數(shù)字化工藝過程仿真等課程的開發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生初步掌握數(shù)字孿生在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，通過學(xué)科間的交叉融合，使得學(xué)生所學(xué)知識能夠與智能制造需求相對接，并為五年內(nèi)的專業(yè)發(fā)展提供較好的基礎(chǔ)保障。課程體系重構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 課程體系重構(gòu)框架

3.1 通識教育與學(xué)科基礎(chǔ)課程整合

通識教育與學(xué)科基礎(chǔ)課程整合：將專業(yè)英語與大學(xué)英語整合成一門課程，豐富專業(yè)英語素材，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的查閱文獻(xiàn)、閱讀文獻(xiàn)的能力；靈活設(shè)置該課程的學(xué)習(xí)區(qū)段，學(xué)生可在大學(xué)前兩個(gè)學(xué)年對其進(jìn)行學(xué)習(xí)；其他通識課程不變。

3.2 學(xué)科交叉融合

根據(jù)中國制造業(yè)的需求，應(yīng)將企業(yè)需要的最新技術(shù)、工藝、手段、設(shè)計(jì)方法引入課堂[6]，著力培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試的能力。智能制造離不開自動化技術(shù)與其他學(xué)科、專業(yè)的交叉融合，根據(jù)學(xué)校自身的發(fā)展情況，應(yīng)將自動化與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、電信及機(jī)電等專業(yè)進(jìn)行交叉融合，定制選修模塊課程，學(xué)生可根據(jù)自身發(fā)展需求選擇各模塊課程，而這些專業(yè)課以考查課的形式進(jìn)行考核。這樣既可以擴(kuò)展學(xué)生的視野，也可以有效利用教師資源，增進(jìn)不同學(xué)科之間的交流及合作。學(xué)科交叉模塊設(shè)置如下。

（1）運(yùn)動控制模塊：主要將自動化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合，將控制理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生重點(diǎn)掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、智能控制算法，并進(jìn)行伺服控制系統(tǒng)及變頻器組成的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。該課程可以與傳統(tǒng)的電氣控制與PLC、PLC高級編程等課程相結(jié)合，形成接續(xù)關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)動控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力。

（2）機(jī)器人模塊：機(jī)器人模塊需要學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人及小型機(jī)械臂的應(yīng)用基礎(chǔ)、安裝調(diào)試、操作基礎(chǔ)、離線編程技術(shù)、虛擬仿真等。上述內(nèi)容均應(yīng)以實(shí)踐為主，可以采取理實(shí)一體的方式，通過項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

（3）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)模塊：學(xué)生能夠掌握工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)背景、網(wǎng)絡(luò)配置、環(huán)網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò)、無線通信、實(shí)時(shí)通信、防火墻通信、環(huán)間冗余網(wǎng)絡(luò)、虛擬網(wǎng)絡(luò)VLAN、組播實(shí)驗(yàn)等，初步了解工廠網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)方案，具備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)信息安全策略設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、系統(tǒng)實(shí)施及測試的能力。

（4）數(shù)字孿生模塊：以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動化專業(yè)與機(jī)電專業(yè)交叉融合，讓學(xué)生系統(tǒng)掌握西門子工業(yè)軟件的應(yīng)用，并以生產(chǎn)數(shù)字化為主題，引導(dǎo)學(xué)生掌握NX-MCD、TIA Portal、Tecnomatix Process Design及Tecnomatix Process simulate等軟件的使用，實(shí)現(xiàn)建模、仿真、虛擬調(diào)試、掌握AR/VR技術(shù)，使得學(xué)生具備數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生技術(shù)既可以鍛煉學(xué)生的產(chǎn)品數(shù)字設(shè)計(jì)能力，也可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏對開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成的限制，使得學(xué)生能夠從設(shè)計(jì)、仿真、加工、產(chǎn)品裝調(diào)等生產(chǎn)全過程去了解數(shù)字智造的內(nèi)涵，從而提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

3.3 傳統(tǒng)方向?qū)I(yè)課程優(yōu)化

電機(jī)控制技術(shù)、自動控制原理、信號與系統(tǒng)等課程與Matlab仿真技術(shù)相結(jié)合，降低了公式推導(dǎo)要求，使得學(xué)生側(cè)重于應(yīng)用科學(xué)的計(jì)算軟件去分析、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，提高學(xué)生的應(yīng)用能力。PLC課程摒棄原S7-200落后的軟硬件知識，采用基于s7-1500、S7-1200及TIA的軟硬件來設(shè)置課程，系統(tǒng)地幫助學(xué)生掌握最新的PLC軟硬件知識，并與NX、factory等軟件聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試。經(jīng)過在競賽的社團(tuán)中引入這些先進(jìn)的軟硬件試點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的興趣大大增加了，學(xué)生不僅能夠完成教師布置的任務(wù)，更能夠通過各種網(wǎng)絡(luò)、論壇資源對軟件的應(yīng)用案例進(jìn)行深入挖掘，極大地提高了學(xué)生的積極性，因此這種經(jīng)驗(yàn)可以通過課程改革、教材改革將成果惠及所有學(xué)生，總體上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍及專業(yè)技能。

傳統(tǒng)課程改革離不開教材的改革，學(xué)校可根據(jù)實(shí)際情況，與企業(yè)合作共同開發(fā)教材。如在校企合作中，機(jī)器視覺是學(xué)生實(shí)習(xí)就業(yè)的熱門方向，企業(yè)提供了實(shí)訓(xùn)的設(shè)備，并在學(xué)生實(shí)習(xí)前對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)的機(jī)器視覺培訓(xùn)，且為了使學(xué)生建立基本的機(jī)器視覺思想，還開發(fā)了部分機(jī)器視覺案例，實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互及智能識別系統(tǒng)，培養(yǎng)了學(xué)生的軟硬件開發(fā)工具應(yīng)用能力。這些案例可通過校企融合進(jìn)行優(yōu)化完善，形成系列化教材，使得新工藝、新技術(shù)、新方法能夠融入其中，與企業(yè)需求相對接，更加注重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，且提高了與企業(yè)的需求對接程度。

3.4 仿真實(shí)踐創(chuàng)新平臺整合與綜合項(xiàng)目開發(fā)

課程的改革離不開平臺建設(shè)和項(xiàng)目的開發(fā)，學(xué)校應(yīng)充分利用現(xiàn)有資源進(jìn)行整合以形成以仿真實(shí)踐為主的創(chuàng)新平臺，并根據(jù)新的課程標(biāo)準(zhǔn)要求開發(fā)綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

如對我校高級智能測控綜合實(shí)驗(yàn)臺、工業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺、智能家居測控平臺、機(jī)器視覺采集平臺、模塊化工程機(jī)器人套件、“探索者”機(jī)械原理套件、工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、在線虛擬機(jī)器人仿真軟件、工業(yè)自動化3D虛擬仿真控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制套件等平臺系統(tǒng)進(jìn)行整合，開發(fā)相應(yīng)的綜合實(shí)踐項(xiàng)目模塊，可分為通用模塊及個(gè)性化定制模塊，以此既能滿足學(xué)生通用知識及技能的培養(yǎng)，也能根據(jù)學(xué)生的興趣進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)。建設(shè)仿真平臺時(shí)，需要建設(shè)與新課程體系相匹配的虛擬仿真平臺，這類仿真平臺可與已有課程配套使用，也可以配置好NX等軟件服務(wù)于新開設(shè)的課程，通過仿真平臺實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維，提高實(shí)踐技能。

3.5 專業(yè)學(xué)科競賽模塊開發(fā)

專業(yè)學(xué)科競賽是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的一個(gè)途徑，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力及專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生百折不撓的精神。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，能夠參加學(xué)科競賽的學(xué)生人數(shù)覆蓋率并不高，因此，將學(xué)科競賽引入教學(xué)中是將大賽的成果推廣和惠及所有學(xué)生的一個(gè)重要途徑，也是以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促改的重要途徑，可根據(jù)學(xué)校實(shí)際軟硬件建設(shè)條件，結(jié)合各競賽特點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置相關(guān)模塊，在大學(xué)第三學(xué)期開始推行，根據(jù)各學(xué)科競賽安排進(jìn)行特色課程模塊化建設(shè)。如三菱電機(jī)杯全國大學(xué)生電氣與自動化大賽，涉及伺服電機(jī)、變頻器、FX-5U系列PLC、編程、畫面設(shè)計(jì)、電氣制圖、設(shè)備裝調(diào)、虛實(shí)同步等多方面的知識，教師可將該項(xiàng)目進(jìn)行整合，學(xué)生可分組對項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和探索，這樣既可以讓學(xué)生對整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程有深刻認(rèn)識，提高其參與這些競賽的能力，更能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維，提高學(xué)生實(shí)踐技能，鍛煉學(xué)生的意志及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，拓寬學(xué)生視野，為學(xué)生未來的就業(yè)及深造打下基礎(chǔ)。同樣也可將西門子中國智能制造挑戰(zhàn)賽引入課堂。西門子智能制造挑戰(zhàn)賽分為多個(gè)賽項(xiàng)，高校可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的賽項(xiàng)開發(fā)相應(yīng)的模塊，如離散運(yùn)動控制、離散自動化、協(xié)作機(jī)器人、信息化網(wǎng)絡(luò)化等賽項(xiàng)，這些賽項(xiàng)轉(zhuǎn)化為教學(xué)模塊能夠有助于更新教學(xué)內(nèi)容，如電氣控制與PLC課程，教師可以由原來的S7-200更改為S7-1200及S7-1500，軟件也由STEP7更改為更為強(qiáng)大的TIA，通過將競賽引入課程，有助于提高學(xué)校的軟硬件建設(shè)水平，將大賽成果惠及更多的學(xué)生，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力。

4 結(jié)語

立足應(yīng)用型本科教育，建設(shè)具有特色自動化專業(yè)需要從課程體系重構(gòu)上入手，將智能制造與自動化相關(guān)專業(yè)理論與技術(shù)提取出來，結(jié)合我校實(shí)際及同類高校自動化專業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，以智能制造及人工智能領(lǐng)域快速發(fā)展為契機(jī)，從自動化專業(yè)課程體系重構(gòu)與教學(xué)方法改革，指導(dǎo)仿真及實(shí)踐平臺建設(shè)，最終形成以服務(wù)智能制造為特色的自動化專業(yè)建設(shè)方案。雖然應(yīng)用型本科教育與職業(yè)本科教育不同，但有許多相通之處，課程體系重構(gòu)思路也可作為電氣自動化技術(shù)專業(yè)職業(yè)本科教育的一個(gè)參考。