應用型地方高校機電一體化系統設計課程群產教協同的課堂教學模式改革

胡紅生, 曹 堅, 周斌斌

(1. 嘉興學院 a. 機電工程學院; b. 圖書館， 浙江 嘉興 314001; 2. 嘉興技師學院， 浙江 嘉興 314001)

0 引 言

隨著互聯網技術、信息技術與微制造技術的飛速發展，人們的生活品質、制造業的制造技術、經濟發展體系都產生了極大的變化。近年來，環杭州灣城市群主動搶抓互聯網經濟、智能制造加速發展的歷史機遇，加快推進以信息化和工業化深度融合為主攻方向的智能制造，積極推進“浙江制造”的數字化、網絡化、智能化發展，智能制造產業孕育興起并初具規模。

地方高校肩負著為區域經濟發展培養人才的重要任務。在區域產業轉型升級的形勢下，如何結合地方高校人才培養的特點，培養出既符合地方經濟發展，又具有創新精神和工程能力的高素質工程技術人才，這是當前地方高校在工程技術人才培養模式改革中亟需探索的一個課題[1-2]。我校長期堅持“地方性、應用型、創新型”人才培養辦學定位，機電類專業依托區域汽車零部件產業、農林裝備產業及智能裝備產業企業和平臺資源，利用制造企業“機器換人”的契機，以機械設計制造及其自動化專業為龍頭積極探索機電類專業人才培養模式改革，以智能裝備設計制造為主要方向的專業群及其特色正在逐步形成，機電專業“智能制造”入選浙江省特色專業建設，與國家引導的新興產業發展方向正在逐步實現對接。工業4.0、中國制造2025對智能制造產業人才提出了綜合性、實踐性和創新性三大要求，為積極服務區域產業發展，培養地方社會亟需的智能制造產業工程師，項目組總結分析了傳統的機電一體化系統設計課程群教學體系存在的不足，重構與智能制造產業工程師相適應的知識、能力和素質培養目標，與行業企業開展合作構建面向工業4.0具有地方產業特色的智能制造產教融合基地，為人才培養提供平臺，積極探索與實踐產教協同模式下的課堂教學改革，全面提高產業工程師人才培養質量。

1 智能制造產業工程師人才培養現狀分析

當下，隨著新一輪科技革命和產業革命的興起，全球制造業領域正在發生顛覆性的變革。在此背景下，2015年我國智能制造產業產值在1萬億元左右，2020年有望超過3萬億元，年復合增長率約20%。根據“中國制造2025”的規劃，2020、2025和2030年工業機器人銷量的目標，分別是15萬臺、26萬臺和40萬臺，增長前景誘人。預計未來10年中國機器人市場將達6 000億元?！吨悄苤圃彀l展規劃(2016-2020年)》提出2025年前，推進智能制造實施“兩步走”戰略：第一步，到2020年，智能制造發展基礎和支撐能力明顯增強，傳統制造業重點領域基本實現數字化制造，有條件、有基礎的重點產業智能轉型取得明顯進展；第二步，到2025年，智能制造支撐體系基本建立，重點產業初步實現智能轉型；同時提出十大重點任務之一即明確打造智能制造人才隊伍。

智能制造讓傳統的機械制造發生深刻變革，以往機械制造的發展趨勢是細分化，其對人才的需求仍然限于機械行業內部。但智能制造則不限于技術本身，更多是應用的變化，這需要更多擁有跨學科背景的人才，既要懂得機械，又要熟悉電子、通信、互聯網等領域。這種復合型人才的儲備厚度也在一定程度上決定著區域智能制造行業的發展速度[3]。調查顯示，目前一方面是智能制造產業工程師人才需求飆升，一方面是人才供應奇缺，而在人才市場中還有許多低技術人才和大學畢業生未能就業；更為重要的是，智能制造產業工程師人才的大量缺口，已經開始制約相關技術領域的進展，成為產業發展的掣肘[4]。顯然，當代智能制造產業工程師人才培養的教學方式與社會需求間仍保持有相當一段距離。長三角區域的地方高校主要通過機電一體化系統設計課程群主干課程的教學實現機電類復合型人才培養目標，但長期以來，該課程群原有的主干課程教學大綱、課程體系、教學內容、教學方法已難以適應區域社會亟需的智能制造產業工程師人才培養的需要，主要表現為：

(1) 課堂教學內容知識體系老化、更新緩慢，課堂教學過程工程缺失。傳統制造業轉型升級和兩化融合時代背景下，機電一體化系統設計課程群課程教學體系已遠遠不能適應應用型創新人才培養的目標。部分課程如液壓與氣動、傳感器與檢測技術等課程所講授的液壓與氣動元件、測量方法和測量儀器在數字化生產線、智能化工廠已很少采用，而目前現代化生產線上所使用執行元件、全自動化智能化測量儀器和方法在課程內容中又沒有體現，導致學生到工作崗位以后難以運用所學知識。很多專業課程中所講授的教學內容在當下的企業中也基本不采用，而現在正在使用的一些加工制造設備、工藝方法在課程內容中沒有體現，培養的學生知識結構體系沒有與時俱進，及時更新，亟需進行課堂教學內容的全面調整和改革；機電一體化系統設計課程實踐環節教學內容基本上10～20年沒有根本上變化，部分原因是專業教師存在一定的惰性和教師工程能力有所欠缺。例如，在機械裝備課程設計中，多年來的設計內容都是“減速器設計”，而現在的制造業以及未來的智能工廠和智能化制造生產線上所采用的機器人、3D打印機、自動化生產線等體現未來制造業發展趨勢的工程設計案例沒有及時更新到實踐教學環節中去。課堂教學脫離企業生產實際，課堂教學內容不以自動化生產線的設計、制造、調試、檢測等真實任務作為教學載體，無法實現“教、學、做”的一體化，學生的專業技能和綜合素質也得不到有效提高。學生“面對困難、解決困難”能力和態度在課堂教學中受制于課程知識體系約束，不能順應時代發展，嚴重影響了課堂教學質量和人才培養素質、知識和能力。

(2) 產教融合、校企協同育人下課堂教學改革滯后。地方高校人才培養，亟需發揮行業、企業、科研機構、社會組織等多元主體人才培養的主體作用，共同制定人才培養標準和開發技術標準，共同培養人才，共同引領行業發展。智能制造、“互聯網+制造”其本質是實現工業生產全生命周期的智能化，它的背后不是機器、設備或是網絡，而是校企共建產教深度融合實訓平臺，共同開發技術設備，共同用于生產和教學，確保教學內容與技術更新同步，保證教學設備與生產性設備同步更新。長期以來，地方高校機電類人才培養受制于傳統的教育體制，重視理論教學和知識傳授，行業、企業、社會組織未參與人才培養。課堂教學模式單一，理論推導多，導致知識灌輸、學生被動認識；缺乏富有工程實踐經驗的師資隊伍，學生創新能力培養不夠。機電一體化系統設計課程群知識能力的綜合性、系統性和應用性特點，僅僅通過課堂教學是遠遠無法達到教學目標。如機器人平臺是開展工程教育的一個良好載體，有利于學生獲得寬闊的基礎、專業視野和工程實踐能力[5]。課程群工業機器人課程教學需要授課師資精通機器人關鍵理論、技術及應用，因此強化產教融合，推行“車間課堂”應用工程師教育模式，讓學生在學校就得到了現場工程師的完整訓練，實現學生與工程師之間“零距離”的工程實踐銜接。

(3) 課堂教學與地方傳統行業企業實際結合少，積聚地方特色創新創業不明顯。隨著未來制造業的不斷轉型升級，地方社會對智能制造人才的需求將越來越迫切。目前地方高校智能制造人才培養體系主要側重于機械設計、加工、測量和制造方面的知識體系構建，學生普遍對機器人、計算機控制、互聯網+制造等知識領域的掌握程度較薄弱，培養的人才知識面普遍較窄，難以適應未來工業4.0對制造業人才的要求。智能制造人才更加注重知識體系的綜合性、交叉性，所涉及到的教學內容僅依靠課堂講授遠不能滿足需求。因此，需要充分利用數字化生產線、智能化工廠的實際生產場景，將生產過程實時傳輸到課堂，在課堂教學中，讓學生能對實際的生產過程進行初步認知，并能通過互聯網，實現企業的技術人員對課堂學生進行實時生產的遠程授課，也可以通過其他方式先將企業生產過程記錄下來，再在課堂中對生產過程進行具體分析。這種以問題為導向、以工程案例為導向的課堂教學改革，通過課堂教學內容的創新，將不斷提高學生的積極性和主觀能動性。同時需要充分利用差異化競爭優勢，立于與地方支柱產業和新興產業，加強與特色行業企業的緊密聯系，邀請相關行業企業總經理、總工結合企業發展歷程實際，在課堂教學中釋義創新、創業的本質。

地方高校肩負著為區域經濟建設服務的重要任務。環杭州灣區域的寧波、杭州為“中國制造2025”國家級試點示范城市，嘉興、湖州等區域為省級試點示范城市。隨著互聯網基礎的不斷發展和大眾創業、萬眾創新的新格局，環杭州灣區域制造業發展面臨巨大壓力，對地方高校傳統制造業人才的培養提出了更高的要求。我校長期堅持以“地方性、應用型、創新型”人才培養為辦學定位，近年來積極引進地方龍頭企業加入到產教融合中，以人才共育、資源共享、共同實施實踐教學環節等途徑，實現智能制造應用型人才“雙主體”模式培養。產教融合中始終堅持以地方產業實際需求為導向，不斷強化專業建設與地方產業、行業發展的契合度和依存度，課堂教學時刻與產業接軌。面對區域產業結構調整和優勢特色產業發展實際，面對地方產業亟需的“機器換人”技術應用人才的現狀，學校積極探索智能制造人才培養模式改革，逐步形成以機械設計制造及其自動化專業為龍頭，以智能裝備設計制造為主要方向的浙江省特色優勢專業群。機電一體化系統設計課程群課程組經過5年探索實踐，提出了應用型地方高校機電一體化系統設計課程群產教協同的課堂教學模式改革，力求構建起與智能制造人才知識、能力和素質培養目標相適應的課程群課堂教學體系，構建起與學生基本能力、工程能力和創新能力相適應的多層次、多模塊產教基地，全面提高人才培養質量。

2 機電一體化系統設計課程群課堂教學模式改革

隨著互聯網技術、信息技術以及微制造技術的飛速發展，人們的生活形式、制造業的生產模式以及經濟體的發展模式都發生了巨大的變化。最近幾年，3D打印技術、智能化生產、人機互動等創新技術得到了極大的進步及其融合發展，尤其是現代科技與互聯網相互融合，對工業形成了重大的影響，使人們的生活和生產方式得到了徹底的改變，并使整個工業生產體系提升到一個全新的水平[6]。隨著技術的不斷進步，傳統的課堂教學模式已經不能滿足技術技能型人才的培養要求，改革課堂教學內容、方法，加強培養學生的實踐能力是實現地方高校應用型創新人才辦學特色的根本途徑。因此，產教融合，聯合制定智能制造人才培養標準，聯合開發課程，共同組織實施教學過程，培養滿足企業需要的應用型現場工程師。但長期以來，地方高校機電類專業機電一體化系統設計課程群課堂教學中存在內容陳舊、實用性不強、教學方法單一等問題，課程群綜合性、系統性和應用性特點未能真實反映，人才培養框架及雙師雙能教師應具備的能力和態度不能匹配應用型智能制造人才培養標準，課堂教學不重視發展學生“面對困難、解決真實問題”的能力和態度。

機電一體化系統設計課程群課堂教學是以“應用”為其本質，課堂教學目標必須面向工程實際，教學內容應來源于生產，以對學生應用理論知識分析、解決實際工程問題的能力進行培養。近年來，機電一體化系統設計課程群課程組針對主干課程系統性與工程性強的特點，進行教學模式和教學內容的改革與實踐，通過課堂教學與專業實驗相結合、課堂教學與生產實習相結合以及創建豐富多彩工程案例，彌補傳統課堂教學的不足。機電一體化系統設計課程群課堂教學模式改革主要歸納為三方面：

(1) 以工程化能力為本位的智能制造應用型創新人才培養課堂教學體系重構。隨著未來制造業的不斷轉型升級，對應用型創新人才的需求將越來越迫切。機電一體化系統設計課程群主干課程教學質量的高低，直接影響了智能制造工程師培養中知識體系的完整性和能力的適應性。智能制造人才更加注重理論知識的工程化、系統性、交叉性和綜合性，涉及到的教學內容僅依靠傳統的課堂講授遠不能滿足需求。一方面，課程組針對教材內容比較陳舊，與實際生產脫節，不適應智能制造教育的新要求這一突出問題，通過與嘉興機械工業聯合會、嘉興市機器換人產業聯盟以及天通控股股份有限公司、嘉興加西貝拉壓縮機有限公司等區域龍頭企業合作，分別對區域內數字化生產線、智能化工廠主要生產設備、生產工藝進行總結提煉，將新型的計算機視覺裝置、典型的驅動元件、檢測與自動化儀表應用實例作為教學案例，嵌入到主干課程課堂教學內容；同時編寫教材，將主要理論知識與典型應用有機結合，并采用彩色插圖予以說明，課程群各門課程前后呼應，有效融合；另一方面，綜合實踐環節、實訓環節，以工程案例為導向，不斷提高學生的積極性和主觀能動性。將3～4名學生按不同項目，以小組的形式分配到非標準自動化設備產業企業，以企業主導產品為對象，完成從產品的方案確定、三維建模、工程分析、工藝設計到最后的裝配調試系統訓練。

(2) “課堂教學與生產實踐相結合”的課改模式，逐步實現產、學、做一體化。為逐步集聚學校機電類專業的自身傳統、行業特色和地域特征，加速形成獨特的相對優勢和影響力，課程群課堂教學改革應瞄準企業生產實踐，積極探究教、學、做的一體化。課程群利用產教融合基地耐思電氣、亞特電器等創新型企業軟、硬件資源，將企業新產品研發實踐并行轉化為產教融合項目，學生“邊學邊干”，實現以學生為主，老師為輔的教學形式，使得實驗實踐教學與工程實踐已不再簡單作為知識學習平行線，學生對所學知識的理解和應用從理論層次上升到實踐層次。如課堂教學知識點不單使學生熟知典型機電一體化元器件以及設備的基本原理，形成機電一體化技術的思維理念，而且還能根據實際情況對機電一體化元器件型號進行合理選用，將部分元器件組合機電一體化系統，實現特定的功能。課程群在10多年教學過程中，先后挖掘了混合式電動自行車、高精密藍寶石研磨機、波輪式洗衣機系統設計、汽車生產線自動化輸送線、主被動康復訓練機等一批典型的企業創新項目。這些項目均為工程案例，且強調了機械和電氣的有機結合，學生從開始方案設計、零部件設計計算和仿真、控制編程和實物制作等方面都親自參與、親自動手，整個過程使學生從不知到有知，從有知到熟練，從項目中鍛煉了學生的設計能力，也提高了學生創新創業能力[2]，挖掘了學生的潛能。

(3) 車間變教室、生產裝備變實驗實訓裝置、工程師變主講教師的課堂教學資源外延式拓展。機電一體化系統設計產品觸及生產中各個方面，其內蘊和重點只有在機電產品的設計實踐中才能真正領會。近年來，環杭州灣區域眾多高新技術企業積聚了一批高技術人才，企業的車間和實驗室更新了一批高端裝備，通過承擔企業自動化生產線項目，結合課程需要開展課堂教學，才能有效克服課程群“雙師雙能型”教師比例偏低，實踐教學環節組織形式較為松散、指導能力不足問題。課程群利用區域內嘉興禮海電氣科技和泰恩彈簧等企業的數字化車間、智能化工廠生產現場，借助于AR、VR及網絡技術，將企業數字化生產車間變教室，讓課堂教學環境與生產車間相融合，同時部分講授內容直接放置于生產現場“面對面”教學，如電液伺服系統的設計，直接在某公司液壓破碎錘生產現場開展理論和實驗教學；為克服實驗設備更新慢和投入不足問題，利用產學共建的方式共建各類先進生產裝備100多套，不僅服務于教學，同時服務于企業生產，實現了雙贏。

圖1為校企合作共建的放置于企業車間生產現場的各類典型智能裝備，包括高精度多功能六關節機器人、電子線圈自動化生產系統、集成電路外觀質量智能化檢測設備等。同時，借力于企業的智力資源，聘請一批企業工程師站講臺，傳授典型智能裝備、智能產品所用到的知識和技術內容。圖2為機器換人專家組工程師為學生講授軟磁行業某型號智能裝備設計開發的流程，學生在車間接受現場工程師課堂訓練。

3 機電一體化系統設計課程群課堂教學改革效果

地方高校機電一體化系統設計課程的課堂教學改革應樹立能力與素質為重，知識、能力、素質協調發展的教學理念，實施以產教結合的模式對課堂教學進行一體化改革，培養企業亟需服務于生產一線的應用型、創新型、綜合型人才。機電一體化系統設計課程群經過10多年課堂教學實踐，開展了項目化為載體的產教融合教學模式改革，主動對接區域優勢特色行業企業、社會組織，多方共同梳理課程群的特色方向，制定智能制造工程師人才培養知識、能力標準，共同制定課堂教學方案，共同建設智能制造與機器人應用教學團隊，共同實施教學計劃，真正實現產教融合。

圖1 校企合作共建教學型生產設備

課程組開展的項目化、產教融合課堂教學改革，得到了區域行業企業優勢硬件資源和一線產業工程師的智力資源大力支持，通過持續摸索、精心組織、小范圍試點和教改班推廣，取得了3個方面的突破：

(1) 課程群5門主干課程制訂了標準的項目化案例庫。為使得案例庫同步于技術的發展，制訂了項目化案例收集來源、案例庫規劃、案例庫的成果形式與課堂教學效果評價等多個方面規范文件。遴選了一批地方企業生產的智能裝備產品，包括關節機器人、直角坐標式機器人、桁架式機器人、焊接工業機器人、智能沖壓機器人、立式加工中心、電機定子柔性自動化生產線、全自動光學檢測機、雙面研磨拋光機等，按照標準二次加工處理為項目化案例；校企共建了一批生產型實驗實訓智能裝備，放置于企業車間，不僅服務于生產，同時服務于教學；傳感器與測試技術、液壓與氣動兩門課程先后入選省精品課程和第一批省精品在線開放課程，課程組1位主講教師入選省教學名師、2位主講教師入選校教學名師，同時充分發揮區域龍頭企業實踐經驗豐富的高水平工程專家和管理人員參與課程群實踐教學，開展學生工程能力的評價。

(2) 重構了一批在企業車間實施的課堂教學內容(見圖3)。課程組與加西貝拉壓縮機有限公司、浙江生輝照明有限公司、浙江晶科能源有限公司、福賽軸承(嘉興)有限公司等區域龍頭企業合作共建了數字化生產線、智能化工廠產教融合基地，對上述企業的壓縮機數字化制造車間、基于制造執行系統(MES)的智能協同制造車間、基地配套自動化倉儲中心、軸承磨加工自動化生產裝配線均進行了開放式、可持續發展的實踐教學環境改造，并設計了機電傳動控制、柔性制造系統、立體倉庫、伺服系統設計、加工中心、機器人和機電系統總體設計共計6個主題教、學、做一體化車間教學內容，主講教師由企業總工擔當(見圖4)，機電傳動控制、測試技術、機電一體化系統設計等5門課程根據教學內容關聯性和上述企業車間的環境，在企業車間開展不少于2～3次課堂教學。

(3) 將產教融合貫穿課堂教學全過程，課程群開發了以“智能裝備系統綜合實訓”為代表的企業課程。為了讓學生在學校就能得到與企業工程師同等的訓練，減少學生與一線工程師之間的技能差距，以期達到“無縫隙”的工程實踐銜接[7]，課程組利用產教融合基地軟硬件資源，一方面大膽嘗試 “工匠精神”培養；另一方面圍繞機電系統裝備調試——工業機器人應用——柔性制造系統方面生產設備和作業環境構建了系統的實踐教學平臺，開展項目化專題教學。產教融合模式下的課堂教學改革，形成了包含頂崗實習、智能產品創新設計、工程師創業經歷宣講、智能生產技術和智能產品設計專題報告等形式多樣化的、協同支撐的立體化課堂教學體系，為學生提供了更為寬闊的大工程背景，解決了目前地方高校人才培養與企業人才需求存在不同程度上的脫節矛盾。

圖3 龍頭企業開放式實踐教學車間、倉庫

4 結 語

面對中國制造2025時代背景和環杭州灣產業發展的新格局，產教融合的開放式課堂教學改革給傳統的機電類人才培養模式和課堂教學提出了很多新問題、新挑戰。在保障機電類專業人才培養規定的必要規范和要求的基礎上，機電一體化系統設計課程群課堂教學改革面向企業車間、面向智能制造生產過程、面向智能產品設計，實現了車間變教室、生產裝置變教學裝備、工程師變主講教師的“三轉變”。針對地方優勢特色產業發展亟需的智能制造人才培養，強調以工程實踐為中心重構課堂教學內容，通過課堂教學與智能產品設計相結合、課堂教學與智能制造生產實踐相結合，將典型的工程案例和地方企業的工程項目融入到主干課程課堂教學中去，通過產教融合創建了理論、實驗、視頻、討論、設計等豐富多彩、有特色的應用型創新型課堂教學形式，提高了學生應用知識解決工程問題的能力，主動對接區域行業企業轉型智能制造產業工程師人才培養需求，培養了500余名智能制造產業工程師，助推了地方產業升級。智能制造工程師人才培養成果及其影響力表明：機電一體化系統設計課程群課堂教學模式的改革，方向正確，成效顯著。

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