智能制造工程新工科專業制造技術類課程體系構建及課程思政建設*

蔡高參 王丙旭 李紅軍

（浙江理工大學機械工程學院 浙江杭州 310018）

所謂智能制造，是一種集自動化、智能化和信息化于一體的制造模式，是信息技術，特別是互聯網技術與制造業的深度融合、創新集成。基于此，智能制造是實現中國從“制造大國”向“制造強國”邁進的關鍵，而智能制造工程專業人才是推進智能制造發展的支撐和能源動力。作為新工科專業的代表之一，智能制造工程專業涉及數字化設計及制造、先進制造、信息系統控制、增材制造等領域知識，而增材制造（3D打印）技術屬于智能制造領域內非常具有代表性的先進制造技術手段之一。其中，增材制造（3D打印）技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層掃描并打印的方式來構造物體的技術，已成為新工科的熱點專業之一。由此可見，智能制造工程專業開設增材制造（3D打印）技術相關課程已成為當下工科類高校的發展趨勢，也是時代發展的必然。而大力發展增材制造（3D打印）技術也是我國今后一段時期推進“中國制造2025”的主攻方向之一。因此，在此背景下，培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的智能制造領域相關科學技術人才，離不開增材制造（3D打印）技術相關人才的培養；而構建新工科背景下先進制造技術類課程體系對于推進智能制造領域人才培養具有十分重要的現實及戰略意義，也是建設制造強國和創新型國家的重要前提和基礎。

因此，需要對智能制造工程專業制造技術類課程體系進一步完善，構建以增材制造（3D打印）技術為主線的先進制造技術類理論課程體系，并輔以具備虛實結合功能的實驗/實踐教學環節、必要的獨立實踐環節，以提升該新工科專業的核心競爭力，并培養適應新工科環境下智能制造領域內的新型復合人才。

一、智能制造工程專業制造技術類課程體系現狀

1.智能制造工程專業現有的制造技術類課程體系

截至2022年，我國已有 264 所高校設立了智能制造工程這一新工科專業。然而，因開設該專業的時間相對較短，與該專業相匹配的制造技術類專業課程體系還不夠完善，且其制造技術類的課程體系大多參照傳統機械工程、機械設計制造及其自動化專業而設置，大多以“鑄造技術”“鍛壓技術”“焊接技術”“粉末冶金”技術等為主要講述內容的《成形制造技術基礎》課程為專業基礎課程，再加上《金屬切削原理與機床》（或《金屬切削原理與刀具》）《機械制造工藝學》等課程，以及以“數控加工技術、激光加工技術”等先進制造技術為主要授課內容的《現代加工制造技術》課程為主體而構成的制造類理論課程體系，并配以一定課時的課內實驗/實踐教學環節。因以傳統制造技術基礎為主要授課內容，且其對應的專業實驗室功能較為單一，其缺乏綜合性、創新性的課內實驗/實踐教學環節及功能十分單一，導致學生上課時的主動參與度明顯不夠，進而造成學生聽課不認真、基礎知識點掌握不牢靠，從而不利于新工科環境下智能制造領域專業技術人才的培養。

2.智能制造工程專業現有的制造技術類課程體系的不足

因基本以傳統機械工程專業、機械設計制造及其自動化專業制造類課程體系為基礎，當前，高校智能制造工程專業現有的制造技術類課程體系還不夠完善，其對新工科背景下智能制造領域人才的培養未能滿足社會發展的需求。而在設置了智能制造工程專業的高校中，雖有少數高校已開設了《增材制造技術》《3D打印技術基礎》等智能制造類相關課程，但其整體理論課程體系并不完善，且其對應的實驗/實踐類課程體系建設方面存在一些共性問題：一是現有課程教授理論知識而無法做到理論與實踐相結合；二是創新教育落實比較困難；三是因傳統制造技術基礎類課程占用課時較多，而導致智能制造實踐性環節學生參與度不夠；四是實踐教學過程中智能制造領域的工程背景弱化明顯，從而阻礙了智能制造工程專業增材制造領域相關技術人才的培養。

為解決這些共性問題，迫切需要構建新的制造技術類課程群，并輔助以新的實驗/實踐教學環節以構成新的制造技術類課程體系，突出制造技術的智能化、時代化及信息數字化，以更好地促進智能制造領域復合型技術人才的培養。

二、智能制造工程專業先進制造技術類綜合課程體系的構建

為了更好地培養新工科背景下智能制造領域的專業人才，需在考慮現有的相關理論、實踐/實驗課程及專業綜合實驗室條件下，合理地構建先進制造類專業課程體系。若想改善智能制造工程專業現有的制造類課程體系傳統成形制造技術基礎授課學時偏多、理論與實踐不能有效結合、智能制造工程背景弱化明顯、學生主動參與度不夠的現狀，構建智能制造工程專業新的先進制造技術類課程體系需從以下幾個方面綜合考慮。

1.構建傳統制造技術基礎+先進制造技術+增材制造技術為主線的制造技術理論課程群

為適應新工科、智能制造工程專業增材制造技術領域技術人才培養的需求，新的制造技術類課程體系建設方案如下：結合現有的傳統制造技術基礎課程，新增先進制造技術以及增材制造（3D打印）技術課程，構建集傳統制造技術基礎理論、先進制造技術、增材制造（3D打印）技術于一體的制造技術類理論課程體系，培養學生既能基于傳統減材制造、等材制造技術為基礎，又能綜合運用現代加工制造技術及增材制造（3D打印）技術，并基于云計算、大數據、物聯網、數字化制造等前沿信息化技術解決智能制造領域的復雜工程問題。

所構建的智能制造工程專業制造技術類理論課程群應包含以下課程：

（1）傳統制造技術基礎：以“鑄造”“鍛壓”“焊接”等經典成形制造技術為基礎的《機械制造技術基礎》課程，精簡、縮短相應課時為12學時；融合“金屬切削原理”及“機械制造工藝學的”《加工制造技術基礎》課程，縮短相應課時為16學時；輔以相應的課內實驗/實踐教學環節4學時。

（2）先進制造技術：以數控技術及編程、激光加工技術、電子束加工、超聲波、高能束加工等技術為主的《現代加工制造技術》課程，精簡相應課時為16學時；并配以數字孿生系統為主的獨立實驗/實踐教學環節，實現虛實結合功能。

（3）增材制造（3D打印）技術：以增材制造（3D打印）技術工藝為主要授課內容，重點講述立體光刻技術/光固化成形（SLA）、選擇性激光燒結技術（SLS）、疊層實體成形（LOM）、熔融沉積成形（FDM）、三維印刷成形（3DP）等理論技術原理，精簡授課學時為16學時，并配以16學時的課內實驗/實踐教學環節，訓練學生三維建模、數字化模擬仿真及桌面型3D打印設備打印典型零件過程，增強學生對增材制造（3D）打印技術的理解。

（4）智能制造概論：主要講述內容有：①以高度概括的形式講述智能制造的基本概念、智能制造內涵、主要特征、技術優勢、應用及發展趨勢；以物聯網、信息物理系統、工業大數據、傳感器技術、人工智能技術、網絡安全系統等為主的智能制造關鍵技術；②以產品全生命周期管理系統（PLM）、制造執行系統（MES）、信息物理系統（CPS）、企業資源計劃（ERP）等為主要架構的智能制造系統；③智能制造工藝，以制造工藝為主線，講述智能設計技術、智能制造裝備、智能生產線及智慧工廠；④工業機器人系統，包含機械系統、控制系統、傳感系統、軌跡規劃與編程等內容；⑤數字化制造技術，主要包括產品數據的數字化處理、逆向工程技術、虛擬制造技術等。理論授課20學時，并配以12學時的課內實驗/實踐教學環節。

2.構建集三維建模、數值模擬仿真、數字孿生綜合實驗為一體的制造技術類虛實結合實驗/實踐課程群

根據所構建的智能制造工程專業制造技術類理論課程群，并加入具備虛實結合功能的實驗/實踐教學環節及獨立實踐課程，使學生具備傳統制造技術基礎+數字化三維建模+智能模擬仿真+數字孿生等虛實結合能力，用于培養智能制造領域先進制造類綜合技術人才。

在現有的具備虛實結合功能的綜合實訓平臺上（圖1）進行理論及實驗/實踐教學，使學生全程參與，并在綜合實踐時，能夠實現產品三維模型的建立，利用SolidWorks等三維建模軟件對產品進行三維模型的設計；通過ANSYS Workbench Additive仿真軟件，對產品的加工過程進行熱應力耦合計算，評估打印質量，優化支撐結構；利用數字孿生技術，對現有模型進行多物理量、多尺度、全方位的掃描識別，在虛擬中完成映射，從而實現產品加工過程的虛擬仿真。整個設計、建模、模擬加工過程借助計算機的自動計算及虛擬仿真來實現，具備精確化、可靠化、智能化特征，達到學生掌握數控機床編程與模擬仿真相結合、數字化工廠數字孿生仿真實訓之目的。

圖1 智能制造生產線綜合實訓平臺

所謂虛實結合，虛是實的前提和基礎，指虛擬仿真，學生可在現有的綜合實訓平臺上進行模擬仿真，在線模擬所設計產品在加工過程中的形態變化，提升學生對智能工廠及智能制造的整體概念；實是實踐，根據虛擬仿真的過程，學生可進行實際操作，選定具體零件在綜合實踐平臺上進行加工，體驗模擬的真實性、準確性及可靠性。同時，構建這種互為聯系的虛實結合理念，對培養新工科背景下智能制造領域的復合型人才具有很好的促進作用。

此外，根據智能制造工程專業的培養方案，結合新工科的特征，培養智能制造領域復合型人才，需淘汰一些不符合新工科要求的傳統實驗/實踐教學環節及獨立實踐課程，并增加一些自主性、綜合性、智能性、研究探索性較強的綜合實驗/實踐課程、獨立實踐課程，以完善新的專業實踐課程體系，培養學生具有機械工程、控制科學與工程、計算機科學與技術等學科知識交叉融合、應用復合型高級工程技術人才。

3.構建師生共建的虛實結合綜合運行平臺二次開發教學新模式

根據智能制造工程專業現有的綜合實踐運行平臺（圖1），結合新工科的培養需求，對該綜合實驗平臺進行二次開發。開發過程中，要求做到師生共同參與，教師從企業需求實際出發，為學生提出軟件編程設想；學生從自身愛好及特長著手，進行實訓平臺的二次編程開發。所構建的智能制造專業增材制造技術虛實結合運行平臺二次開發教學模式主要實訓項目包括以下內容：三維建模的實訓、模型參數調整的實訓、產品尺寸的優化實訓、鍛造、鍛壓、沖壓、拉伸的模擬仿真實訓、產品創新式設計實訓、產品前處理模擬實訓、打印參數設計實訓、打印路徑設計實訓、支撐設計實訓，模擬中產品的拓撲優化實訓、模擬產品結構線性靜力實訓、模擬產品力學靜態載荷實訓、模擬產品優化目標實訓、模擬產品拓撲優化不同約束條件下的產品質量、體積實訓、模擬產品片體模型處理實訓、模擬點陣結構的分析實訓、模擬內置點陣結構實訓、產品可靠性分析實訓、模擬產品預熱實訓、模擬產品熱處理實訓、模擬打印的激光功率、掃描速度、掃描間距、基板溫度對產品質量的影響實訓、研究增材制造過程的微觀機理實訓、觀察熔池特性、孔隙預測、溫度歷史、微觀結構預測的變化實訓、對產品后處理實訓，進行實驗驗證實訓，以達到學生為中心、學生高度參與的目的。經過師生共同參與下的二次開發，該智能制造綜合實訓運行平臺作業流程如圖2所示。

圖2 綜合實訓平臺作業流程圖

4.構建校企深度結合模式下的制造技術類實踐課程體系

在強化智能制造工程專業制造技術類課程綜合實踐過程中，為改善智能制造工程專業現有實踐課程體系的不足，所構建的虛實結合綜合實踐課程體系應充分結合企業元素、企業需求及企業特征，采取校企聯合授課模式，借助智能制造領域相關企業代表，如杭州喜馬拉雅信息科技有限公司的增材制造（3D打印）相關技術優勢、專用3D打印儀器設備資源及工程實踐背景，邀請企業工程師全程參與構建智能制造工程專業制造技術類實踐課程體系，以彌補現有的實踐課程中智能制造領域工程背景弱化的不足。在這種校企深度結合模式下授課時，校內教師主講理論基礎知識，企業工程師現場/在線講解增材制造（3D打印）技術相關實踐課程，結合具體零部件的3D打印過程，實現對學生的綜合能力培養與提升，并增強學生對增材制造（3D打印）技術的掌握與應用，達到強化智能制造綜合實踐課程體系中的工程背景之目的，真正做到了產學合作，同時也促進了產學合作協同育人目標的達成。

5.開展新工科背景下制造技術類課程體系課程思政建設

根據課程思政的內涵及特點，課程思政在本質上是一種教育，目的是為了實現立德樹人。另外，課程思政也是一種教育教學理念、一種思維方式。從某種角度而言，所有的課堂都要有育人的功能，新工科背景下的課堂更應如此。基于此，所構建的制造技術類課程體系不能只講專業技術理論及實驗/實踐課程的學習，應同時開展課程思政建設。其中，傳統制造技術基礎課，應培養學生在學習傳統基礎知識過程中具備追求卓越的創新精神；先進制造技術課，應培養學生具備精益求精的品質精神；增材制造技術及智能制造概論課，應培養學生具有大國工匠的民族自豪感，具有干一行愛一行的愛崗敬業的職業精神。

此外，根據新的課程體系授課，要注重教學方法的不斷探索、實踐和創新。在企業工程師授課過程中，高校教師要結合企業實際及時地發掘課程思政元素，以討論的形式傳遞給學生；在授課時，要結合企業的具體案例、現場實際案例講解抽象的知識點，并用哲學的觀點闡述其基本理論。

課程思政建設，同樣需要創新教學方法，并及時添加最新素材。在授課過程中，應以“實例+互動+結合科研+課后反饋”相結合的方法實施課程思政建設，并在現有的教學素材基礎上，及時添加最新素材，如人工智能、數字孿生等在課程章節知識點中的應用，既可吸引學生注意力，又做到了與時俱進。實例用于引出具體的思政元素，互動環節進一步解釋思政元素的實際意義，將知識點與相關科研實踐相結合可佐證創新精神、創新理念的現實意義，結合課后學生的反饋意見，可對課程的教學進行總結與反思，便于后續對課程思政建設進行必要的改進與創新。

綜上所述，新工科背景下，構建智能制造工程專業制造技術類課程體系，培養面向國際、面向未來的智能制造領域高端人才，不僅要完善現有的理論及實踐/實驗課程群，而且還要對虛實結合功能的綜合實踐運行平臺進行二次開發，并構建校企深度結合的實踐類課程授課模式，同時對該課程體系進行課程思政建設，促使學生綜合掌握智能制造各方面的知識，全面地提升學生的工程背景，并幫助學生樹立正確的社會主義核心價值觀，從而培養出適應新工科環境的智能制造領域新型復合人才。