面向工業4.0需求的機械制造類本科教育課程體系探討

◆韓奉林 嚴宏志

面向工業4.0需求的機械制造類本科教育課程體系探討

◆韓奉林 嚴宏志

從工業4.0的技術內涵著手，提出工業4.0時代機械制造行業從業人員的知識和能力特殊要求。分析當前高校機械制造專業課程體系，并針對性地提出WJ4Z（W，網絡；J，集成；4Z包括制造、自動、智能、治理或管理）課程體系結構，可為我國高校機械制造專業培養計劃的修訂提供參考。

工業4.0；機械制造；課程體系

1 前言

在經歷過全球金融危機之后，各發達國家意識到制造業乃是立國之本，紛紛制訂發展先進制造業的國家戰略計劃，如德國的“工業4.0戰略”、美國的“先進制造發展戰略”、英國的“英國工業2050戰略”、日本的“機器人新戰略”、韓國的“制造業創新3.0戰略”等。其中影響最大的當屬德國的“工業4.0戰略”。我國也結合國情建立了中國版的“工業4.0”戰略計劃——“中國制造2025計劃”[1]。

做強制造業的基礎和關鍵在人才。為配合國家層面的發展戰略，迎接制造全球化競爭的挑戰，培養符合工業4.0需求的機械制造行業人才是擺在高等院校面前的急迫任務。

我國機械制造專業課程體系起源于蘇聯，隨著信息技術在機械制造行業的不斷滲透，課程體系也在不斷變化。目前已基本符合自動化制造（工業3.0）的需求，但對于工業4.0的前瞻性仍然不夠，許多工業4.0的核心內容在課程設置中未充分體現。

本文將從工業4.0的技術內涵及對人才知識和能力的需求著手，梳理國內知名高校的機械制造類課程體系，分析目前培養計劃的不足，并探討面向工業4.0的機械制造本科教育課程體系的構建。

2 工業4.0的技術內涵及對人才的需求

工業4.0是基于德國高度發達的業軟硬件系統及高素質的勞動者的基礎上，將制造“由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式”，并通過信息世界與物理世界的高度融合，以及三項集成（縱向集成、端對端集成、橫向集成），實現一種智能化的、社會化的生產模式[2]。

工業4.0首先要求底層的制造單元高度自動化，并具備一定的智能；其次尤其強調網絡技術的全面滲透，特別是建立物理信息系統（CPS，Cyber-Physical Systems），實現制造過程的實時感知、高效協作，從而達到制造資源的高效調配；同時制造企業的邊緣將更加的模糊，具備很高柔性的小型企業將構成制造業的主體，它們通過“互聯網+”的方式相互協作，滿足多變靈活的市場需求。

工業4.0實施的前提是具備高素質的勞動者。工業4.0時代的機械制造從業者除了需要具備傳統的機械制造專業知識外，還需具備如下知識和能力。

先進的管理方法和技術手段工業4.0的技術支持和目前國內“大眾創業、萬眾創新”的經濟發展趨勢將造就更多的小微企業。一方面，小微企業中技術與管理人員往往兼于一身，要求人人懂管理；另一方面，企業間廣泛的橫向集成，也對企業的管理提出更高的挑戰。因此，工業4.0時代，從業者管理知識廣度和深度都顯得更為重要。

先進的管理理念總是要通過信息管理和分析平臺落地實現，因此，ERP、大數據等信息管理和處理手段是提升企業管理水平的有力工具。

系統集成能力 工業4.0通過萬物互聯、信息相通，使得處于制造活動中的設備、物料、人員構成一個復雜的強耦合系統。處于制造系統中的各種技術、設備、物料資源、人員配置等要素需要通過有機的集成，才能使得總體制造系統發揮最大效能。

3 現有機械制造類本科生課程體系分析

通過對清華大學（2014—2015版，代號Q）[3]、上海交通大學（2015級，代號S）[4]、浙江大學（2014級，代號ZJ）[5]、華中科技大學（2014版，代號H）[6]及中南大學（2012版，代號ZN）[7]機械制造方向本科生培養計劃的調研，發現現有課程體系可劃分為如下板塊。

1）傳統機械制造類課程：包括機械制造工藝學或機械制造基礎、互換性與技術測量、制造裝備設計、材料加工原理等機械制造專業的基本知識，基本所有院校都有開設。

2）先進制造技術類課程：代表性課程包括激光加工概論（Q）、精密與特種加工（Q、ZN、H）、先進制造技術（H、ZH）、微納制造導論（Q）等。

3）制造自動化類課程：代表性課程包括數控技術（H、ZN）、自動化制造系統（ZJ）、計算機輔助制造或數控編程（H、ZN）、機器人學（Q、S），以講解數控技術、自動化控制、機器人原理與應用為主。

例2：在Rt△ABC中，AB=5，AC=3，AC延長線上有一點D，AD=8，點P以1單位/s的速度從D點運動到A點，點Q以2單位/s的速度從A點向射線AB的方向運動，當其中一個動點停止運動時，另外一個隨之停止運動。試探究：幾秒時，△APQ為直角三角形。

4）管理及信息化類課程：代表性課程包括生產計劃與控制（S）、質量管理與控制（ZJ）、制造自動化與信息化系統（S）、制造過程信息管理系統（Q）等。

5）特殊行業制造類課程：講解特定專業的制造工藝和裝備，如現代汽車制造（S）、柔性電子制造技術基礎（H）等。

通過上述的梳理，對比工業4.0的人才需求，發現仍存在如下問題：

1）網絡技術幾乎是空白，雖然有的院校在其他課程中略有提及，但作為工業4.0制造系統中的神經系統，顯然對計算機網絡、物聯網技術重視程度不夠；

2）管理方法與技術手段仍是短板，雖然有院校開設了相關專業，但存在前后續課程承接不當，課時不足的問題；

3）強調局部單體技術，在系統集成方面不足。

4 面向工業4.0需求的機械制造WJ4Z本科教學課程體系構建

從工業4.0的技術內涵及人才的要求出發，結合現有課程體系，提出WJ4Z課程體系結構，如圖1所示。

在該課程體系中，制造（Z）課程、自動控制（Z）課程、智能感知及控制（Z）課程、管理（治理，Z）課程構成4Z單元技術課程模塊，4Z通過網絡（W）技術，采用系統論的方法有效集成（J）。制造（Z）課程是基礎，包括傳統冷、熱加工工藝與裝備，以及新興的制造原理和方法；自動控制（Z）課程包括計算機控制、數控原理等；智能感知及控制（Z）課程包括機器視覺、人工智能、大數據處理等；管理（治理，Z）課程包括制造企業管理方法及信息化輔助手段；網絡（W）技術課程包括工業網絡、物聯網、互聯網思維等內容；集成（J）是貫穿于各模塊教學中的總體系統方法論。

WJ4Z課程體系與現有體系的主要區別在于：

1）把原來處于邊緣地帶的網絡技術放在與制造類、自動化類等課程同等重要的位置，突出其在制造中的重要性；

2）加強智能感知與控制技術的教學內容，推動以自動化為代表的工業3.0人才培養向以智能化為代表的工業4.0人才培養發展；

3）進一步明確管理方法與信息技術在機械制造類學生的知識體系中的重要地位，為培養復合型人才奠定基礎；

4）強調集成，突出總體觀。

圖1 機械制造WJ4Z本科教學課程體系

5 實施WJ4Z課程體系的注意事項

1）由于總的學時數有限，需要做到有增有減，內容編排上保留基本和核心內容，一些特別專業化的內容可適當削減或改為自學；

2）體系內的管理、智能感知、網絡等教學模塊應與相關專業的內容、教學方法不同，應突出機械制造的行業背景，不宜全面攤開，以免造成內容太多，重點不收斂；

3）由于新增的網絡、智能感知等內容要與計算機科學專業有所不同，因此要加強特色教材編寫工作，同時也要加強教師的自身知識體系的完善。

6 結語

國家發展，人才先行。培養滿足工業4.0發展需求的機械制造行業人才是“中國制造2025”順利推進的重要保障。由于課程體系從計劃到實施具有一定的滯后性，因此，本文前瞻性地從工業4.0的技術內涵出發，總結了工業4.0時代機械制造行業的人員需求，針對性地提出WJ4Z課程體系，以期為我國高校機械制造類專業的培養計劃修訂提供一定的參考。

[1]延建林,孔德婧.解析“工業互聯網”與“工業4.0”及其對中國制造業發展的啟示[J].中國工程科學,2015(7): 141-144.

[2]朱鐸先,胡虎.工業4.0:錯過互聯網革命的大國反思[N].人民郵電,2015-06-29(5).

[3]清華大學.2013—2014學年度本科課程介紹[EB/OL]. [2014-10-30].http://www.tsinghua.edu.cn/publish/newthu/ newthu_cnt/education/pdf/201410.pdf.

[4]上海交通大學.機械動力類:機械工程2015級培養計劃專業類課程[EB/OL].[2015-9-18].http://electsys.sjtu.edu.cn.

[5]浙江大學.2014級機械工程專業培養方案[EB/OL]. [2014-10-21].http://ugrs.zju.edu.cn/attachments/2014-10/01-1413858337-1010980.pdf.

[6]華中科技大學.華中科技大學本科專業人才培養計劃:機械科學與工程學院[EB/OL].[2014-10-30].http://jwc.hust. edu.cn/show/article/articleShow?id=2463&type=fwzq_pyjh_0 %20.

[7]中南大學.2012版中南大學本科專業培養方案（中冊）2[EB/OL].[2013-1-9].http://bksy.csu.edu.cn/info/1026/1773. htm.

A Discussion on Construction of Courses System for Mechanical Manufacturing Major Oriented to Requirements of Industry 4.0

HAN Fenglin,YAN Hongzhi

The technical connotation of industry 4.0 was discussed and the knowledge and ability requirements of the practitioners in mechanism manufacture industry in the industry 4.0 time were proposed. The current course system of the mechanical manufacturing engineering of domestic universities were analyzed. A WJ4Z course system was put forward. It is expectant to provide reference for the revise of the training plans of mechanical manufacturing engineering.

industry 4.0;mechanical manufacturing;course system

G642.3

B

1671-489X(2016)02-0084-03

作者：韓奉林，中南大學機電工程學院講師，博士，研究方向為機械制造及其自動化；嚴宏志，中南大學機電工程學院教授、副院長，博士，研究方向為機械制造及其自動化（410083）。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.084