新工科背景下應用型本科高校智能制造專業教學改革探索

摘"要：新工科背景下的應用型本科高校建設是推動教育強國建設的中堅力量，針對智能制造專業智能倉儲實踐課程存在的問題，圍繞應用型本科高校建設的具體要求，對傳統的智能倉儲實踐課程進行改革，建立了面向智能倉儲實踐課程的虛擬訓練平臺?；谥悄苤圃旎局R體系，融入自動化、控制、PLC等控制學科知識，打通交叉學科之間的壁壘，探索新工科背景下實踐教學的新模式，從而提升智能制造專業具有應用能力的復合型高端人才的培養質量。

關鍵詞：應用型本科高校；智能制造；智能倉儲；教學改革

一、概述

隨著全球經濟的快速發展和科技的日新月異，智能制造已成為世界各國競相發展的重要戰略領域。特別是在中國，國家高度重視智能制造產業的發展，提出了“中國制造2025”等一系列政策措施，旨在推動制造業轉型升級，實現產業結構優化。在這一背景下，培養具備創新精神、實踐能力和國際視野的智能制造專業人才顯得尤為重要。智能制造作為培養具備現代信息技術、自動化技術和先進制造技術等方面的綜合素質，能在智能制造領域從事設計、研發、應用、管理和服務等工作的高素質工程技術人才的專業，其興起和發展對于推動我國制造業的整體升級具有重要意義［1］。

然而，當前我國智能制造領域的人才培養仍面臨諸多問題。一方面，課程設置與實際需求脫節，教學方法單一，導致學生難以獲得真正實用的知識和技能。另一方面，產學研結合不夠緊密，缺乏足夠的實踐平臺和機會，使得學生的實踐能力和創新能力無法得到充分鍛煉［2］。這些問題不僅限制了智能制造專業人才的培養質量，也影響了我國智能制造產業的持續發展。因此，探索并實施一種符合新工科理念的智能制造專業教學改革，已成為當前教育改革的重要任務。此外，在新工科背景下，應用型本科高校作為培養高素質應用型人才的重要基地，承擔著培養智能制造領域急需人才的重任［3］。應用型本科高校應更加注重學生的實踐能力和創新精神的培養，以適應智能制造領域對高素質工程技術人才的需求。然而，當前許多應用型本科高校的智能制造專業仍屬于傳統教學［4］，過于注重理論知識的傳授，而忽視了對學生實踐能力的培養。這種教學模式不僅無法滿足智能制造領域對高素質人才的需求，也限制了學生的全面發展。

為了解決這些問題，本文以智能倉儲實踐教學為例，探索新工科背景下應用型本科高校智能制造專業的教學改革。智能倉儲是智能制造領域的重要組成部分，它涉及機械工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、管理科學等多個學科的知識和技術［5］。通過智能倉儲實踐教學，不僅可以提高學生的實踐能力和創新精神，還可以幫助學生更好地理解和掌握智能制造領域的相關知識和技能。本文先分析當前智能制造專業教學中存在的問題和不足，然后結合智能倉儲實踐教學的特點和需求，提出一系列教學改革措施和實踐路徑。這些措施包括優化課程設置和教學內容、改革教學方法和手段、加強師資隊伍建設和實踐基地建設等。通過這些措施的實施，旨在構建一個符合新工科理念的智能制造專業教學體系，提高學生的實踐能力和創新能力，為我國智能制造產業的發展提供有力的人才支持。

二、新工科建設背景下智能倉儲工程實訓平臺的不足

在新工科建設的背景下，智能倉儲工程實訓平臺作為培養智能制造領域高素質人才的重要載體，發揮著舉足輕重的作用，多所院校均開設了相關課程。但是在課程實際開設過程中，目前的平臺仍存在一些不足之處，主要總結為以下四個方面。

（1）技術更新迅速與實訓平臺滯后之間的矛盾較為突出。智能倉儲領域涉及的技術日新月異，包括物聯網、傳感器、無線網絡、自動化設備等。然而，許多實訓平臺在技術和設備更新方面存在滯后性，難以跟上行業發展的步伐。這導致學生所學的知識與實際應用存在差距，影響其實踐能力和創新能力的培養。

（2）實訓平臺缺乏足夠的靈活性和適應性。智能倉儲的自動化流程往往比較固化，不易應對復雜多變的物流需求。同樣，許多實訓平臺在設計時過于注重標準化和統一化，缺乏針對個性化需求的靈活性。學生在面對實際復雜問題時，難以靈活運用所學知識進行解決。

（3）智能倉儲涉及大量機器設備和機器人操作，一旦發生安全事故，后果不堪設想。然而，許多實訓平臺在安全管理方面存在漏洞，如設備維護不及時、操作規范不明確等，增加了安全事故的風險。

（4）實訓平臺的師資力量和教學資源有限。智能倉儲領域需要高水平的管理人員來操作和維護，而許多實訓平臺在師資力量方面存在不足，缺乏具有豐富實踐經驗和專業知識的教師。同時，教學資源也相對匱乏，難以滿足學生多樣化的學習需求。

綜上所述，需要在新工科智能制造專業人才培養方面，建立一套智能倉儲虛擬教學系統，打通專業知識之間的壁壘，并將學科內知識靈活交叉應用，形成教學案例，豐富教學內容和教學形式，有效提升學生解決復雜工程問題的能力，并滿足智能倉儲課程實踐訓練的要求。

在新工科建設下，智能倉儲實訓平臺對培養高素質智能制造人才至關重要，多所院校已開設相關課程。但現有平臺存在以下不足。

（1）智能倉儲技術快速發展，而實訓平臺更新緩慢，導致學生知識與實踐脫節。

（2）實訓平臺設計標準化，難以適應復雜多變的物流需求，限制學生解決實際問題的能力。

（3）智能倉儲涉及大量機器設備和機器人操作，許多實訓平臺在安全管理方面存在漏洞，如設備維護不及時、操作規范不明確等，增加了安全事故的風險。

（4）師資力量薄弱，教學資源匱乏，難以滿足學生多樣化學習需求。

因此，需建立智能倉儲虛擬教學系統，融合專業知識，豐富教學內容與形式，提升學生解決復雜工程問題的能力，滿足實訓要求。

三、面向新工科建設的工程實訓平臺建設

（一）智能倉儲虛擬平臺總體建設架構

無錫學院自動化學院已經建立了面向智能倉儲創新實踐的虛擬訓練平臺，該平臺主要包括底層模塊單元、智能倉儲系統和教學體系三個部分。底層模塊單元分為硬件單元、軟件單元和人機交互界面三部分，主要由貨架、堆垛機、PLC控制器、傳感器、滾筒線和人機界面組成，系統控制采用PLC作為控制器，利用傳感器實現人機界面對倉位狀態的實時監測；智能倉儲系統通過系統自動模式下對倉庫位置的判斷實現對堆垛機的自動尋址功能，利用人機界面在手動模式下，實現對堆垛機的手動操作和手動尋址。堆垛機的作業使用伺服電機和氣缸進行控制，通過伺服放大器和伺服電機控制堆垛機的X軸和Z軸定位和位置移動，通過氣缸控制堆垛機的機械爪伸縮和升降；本實踐教學平臺設計的虛擬仿真教學系統主要包括智能倉儲系統模型搭建、立體倉庫上下料工作流程設計與PLC編程、堆垛機尋址功能設計和人機交互界面設計四個方面的教學內容。智能倉儲實踐教學體系架構如圖1所示。

（二）業務流程設計

本平臺設計有存物和取物兩種工作模式，在手動模式下兩種工作模式只能由手動操作人機界面按鈕來完成；在自動模式下，PLC系統會根據當前所選擇的運行模式按圖2的流程圖運行。其中，存物工作流程為堆垛機從上游接駁滾筒線取出物料，由系統進行倉位選擇，堆垛機再前往所選擇的倉位，到達位置將物料放入倉庫，堆垛機再回到接駁滾筒線處；取物工作流程為系統選擇有物料在倉的倉位，再由堆垛機前往所選擇的倉位，到達位置后，取出該倉位的物料，前往下游接駁滾筒線，到達接駁滾筒線后，將物料放置到接駁滾筒線上。

（三）堆垛機尋址功能設計

在系統中堆垛機需要實現自動尋址和手動尋址功能，使用PLC中的變址寄存器可以實現該項目的。變址寄存器除了具有儲存數據的功能以外，還具有與其他軟元件相組合，從而改變所組合的軟元件內部值的功能。當變址寄存器與其他軟元件組合時，只需要改變變址寄存器的值就可以改變與變址寄存器組合的軟元件。因此，本系統的尋址功能是使用變址寄存器來實現的。根據數據寄存器分配表，將變址寄存器與數據寄存器進行組合，將倉位的位置信息寫入數據寄存器當中，再改變變址寄存器的數值就可以實現控制系統的尋址功能。

（四）教學內容設計

本實踐教學過程結合產學研的特點，將實際企業調研與智能制造系統展示與研發相結合，通過生產實際反哺教學過程，將科研子課題拆分設計成具有一定難度和挑戰性的教學案例模塊，最終形成完整的實踐教學過程，具體實踐內容見下表。

結語

在新工科理念的深刻引領下，應用型本科高校在推動教育強國建設中的作用愈發凸顯，特別是在智能制造專業人才培養方面承擔著重要使命。針對當前智能倉儲實踐課程存在的資源限制、操作風險及跨學科知識融合不足等瓶頸問題，本文依托應用型本科高校建設的具體要求，對傳統智能倉儲實踐課程進行了深度改革，創新性地構建了面向智能倉儲實踐課程的虛擬訓練平臺。該平臺以智能制造基本知識體系為基石，深度融入自動化、控制理論、PLC編程等控制學科知識，有效地打破了交叉學科之間的壁壘，探索出了一條新工科背景下實踐教學的新路徑，旨在全面提升智能制造專業具有應用能力的復合型高端人才的培養質量。通過智能倉儲虛擬訓練平臺的深入應用，學生可以在高度模擬的工業環境中，綜合運用多學科知識解決復雜工程問題，其工程實踐能力、團隊協作能力、創新思維與問題解決能力均可以得到顯著提升。同時，該平臺的靈活性與可擴展性，使其能夠根據技術革新與社會需求的變化，及時調整教學內容與難度，確保人才培養始終與產業發展趨勢保持同步。此外，智能倉儲虛擬訓練平臺的成功實踐，也為其他應用型本科高校智能制造及相關專業的實踐教學改革提供了參考。在新工科背景下，高校應持續創新教學理念與方法，強化實踐教學環節，注重跨學科知識的深度整合與交叉融合，以培養出更多能夠適應未來產業發展需求、具備卓越創新與實踐能力的復合型人才。

參考文獻：

［1］陶能如，陳諾言，蔡頌，等.“新工科”背景下智能制造專業產教融合育人模式探索與實踐［J］.內燃機與配件，2024（13）：153155.

［2］龐在祥，張邦成，孫中波.虛實結合的智能制造實訓平臺構建與研究［J］.黑龍江教育（理論與實踐），2022（07）：8587.

［3］劉文軍，羅穎，劉淑英，等.校企三共協同培育“新工科”人才模式探索與實踐［J］.電腦知識與技術，2024，20（13）：156158.

［4］張朝陽，吉衛喜，彭威，等.新工科背景下車間工程實訓平臺建設研究［J］.教育現代化，2020，7（19）：116117+126.

［5］趙東杰，郭童潔，孫慧芳.基于虛擬仿真技術的“智能物流系統”課程教學方法創新與實踐［J］.物流技術，2022，41（04）：136139.

基金項目：2021年江蘇省高等教育教改研究立項課題，新工科背景下地方高校自動化專業應用型人才培養模式研究（課題編號：2021JSJG064）；2023年度江蘇省高校教育信息化重點研究課題，新工科背景下虛擬仿真平臺在多傳感器數據融合實驗教學中的應用（課題編號：2023"JSETKT040）；2023年度教育部產學合作協同育人項目，多傳感器數據融合實踐平臺與特色人才培養課程體系建設（230906747084517）；2023年度高校哲學社會科學研究一般項目，“多元文化，協同育人”理念下新工科專業實驗室特色文化塑造及功效的研究（2023SJYB0911）

作者簡介：蘇璇（1994—"），女，漢族，山東濰坊人，博士，講師，主要研究方向：教育現代化實踐、智能制造技術與系統。

*通信作者：孫雪（1989—"），女，漢族，遼寧沈陽人，博士，講師，主要研究方向：教育現代化實踐、智能加工技術。