工業4.0與智能制造新形勢下自動化創新型人才培養

劉 洋， 謝勝利， 蔡述庭， 杜玉曉， 王永華

(廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

高校擔負著人才培養、科技創新、社會服務和文化傳承的四大基本職能。人才培養是首要任務。工業革命是現代文明的起點，也是人類生產方式的根本性變革。人類經歷了四次工業革命，如圖1所示[1]。近年來，德國、美國、日本等發達國家先后提出制造業振興計劃。其中以德國“工業4.0” 戰略影響最大。我國政府也非常重視制造業發展，正在實施“中國制造2025”戰略。因此，高校必須緊貼時代脈搏，把握工業4.0智能制造新形勢，順勢而為，深化人才培養模式改革。本文以工業4.0智能制造人才素質和能力要求為出發點，依托工業4.0汽車智能制造實驗基地，借助校企合作的實習基地和協同育人平臺，開展自動化創新型人才培養模式的探索和實踐。

圖1 四次工業革命的發展過程

1 工業4.0

2013年4月，在漢諾威工業博覽會上，德國“工業4.0工作組”公布了研究報告《保障德國制造業的未來：關于實施“工業4.0”戰略的建議》，其目的是借助發揮德國制造業的傳統優勢，掀起新一輪制造技術的革命性創新與突破，引領第四次工業革命，確保德國制造業的未來始終處于領先地位[1-2]。

所謂工業4.0[1-2]，即依托機器對機器技術(M2M)、物聯網技術(IoT)與信息技術的大力發展，通過網絡與信息物理系統(CPS)的融合，以個性化、多樣化、復雜化的顧客需求為主要目的，充分利用智能制造、動態定價、價值分享協議等方式，將資源、信息、物品與人進行不斷連接，盡可能有效提供制造端直通用戶端的“端到端解決方案”的一種全新的生產組織模式，進而大力促進制造業向智能化轉型。

工業4.0既不宣傳具體的產品，也不宣傳具體的技術，更沒有宣傳解決方案，而是宣傳一種新的生產過程，一種新的生產模式，它是一個新的工業時代。

如圖2所示[1-2]，在工業4.0架構中，1個網絡是指信息物理系統，它強調物理過程與信息間的反饋，是計算和物理過程的整合集成，它是在環境感知的基礎上，綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。讓物理設備實現計算、通信、控制、遠程協調和自治的功能。它的4大主題是[1-2]：①智慧工廠，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現。②智能生產，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動、3D打印以及智能制造等技術在工業生產過程中的應用等。③智能物流，主要通過互聯網、物聯網、物流網，整合物流資源，充分提高現有物流資源供應方的效率，而需求方，則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持。④智能服務，依靠智能化信息化技術，無需人工直接參與，由系統全方位提供產品服務。

從圖2可知，工業4.0最顯著的特點是互聯、集成、大數據[1,2]。具體表現在：生產設備互聯、設備產品互聯、虛擬現實互聯、萬物互聯；以企業價值鏈和業務流程整合的橫向集成，以企業內部的縱向集成，從用戶端到生產端的集成。具有產品數據、運營數據、價值鏈數據、外部數據等大數據的融合。

圖2 工業4.0的框架結構

2 中國制造2025

改革開放以來，我國制造業持續快速發展，有力推動工業化和現代化進程，顯著增強綜合國力，支撐世界大國地位。但與世界先進水平相比，中國制造業大而不強，在自主創新能力、資源利用效率、產業結構水平、信息化程度、質量效益等方面差距明顯，轉型升級和跨越式發展的任務緊迫而艱巨。

2015年5月，中國政府發布了《中國制造2025》[1-2]，提出要通過特殊政策和制度優勢，突出創新驅動，依靠和發展高端裝備制造業，打造中國品牌，形成中國創造，推出中國質量，完成中國由制造大國向制造強國的轉變。《中國制造2025》是中國版的“工業4.0”規劃。報告明確，堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針；堅持“市場主導、政府引導；立足當前、著眼長遠；整體推進、重點突破；自主發展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標。它明確了要以促進制造業創新發展為主題，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向[1-2]。

工業4.0與智能制造對人才能力提出新的更高的要求，強調企業員工的跨學科知識能力和綜合應用能力[3]。員工除了具有專業能力外，還必須具備計劃、協調、溝通、管理等社會能力和自我學習的能力。這意味著教育培訓要打破傳統教育分門別類的界線，要根據工業生產實際需求進行靈活組合和深度融合，培養跨界、復合型、具有系統思維的創新型人才[4]。

3 人才培養新理念新模式

在工業4.0時代，智能制造涉及多個學科、橫跨多個專業。《中國制造2025》要求培養既有理論知識，又有現場實踐，既掌握本專業技能，又有跨專業能力的創新型、復合型人才。因此，要打破傳統實驗教學模式，開創實驗教學新方法，樹立人才培養新理念，培養會技術、懂管理、重服務、能創新的自動化專業人才[3]。如圖3，構建了“基礎課實驗室+工業4.0綜合實驗基地+企業實習平臺”倒三角形、三位一體、多層次、多角度的實驗實習人才培養新模式，突出了強基礎、重綜合、會應用、能創新的特點[4]。基礎實驗教學強化基礎，培養基本能力，綜合實驗突出綜合，企業實習平臺著重應用和創新，三者既相互獨立，又相互支撐，各有側重，又成為一體[5-6]。

圖3 實驗實習人才培養新模式

3.1 基礎課實驗教學中心

實驗教學部承擔全校公共基礎課的實驗教學任務。自動化專業的“數字電子技術”“模擬電子技術”“電路基礎”“計算機原理與應用”“C語音程序設計”“大學物理”等公共基礎課，在實驗教學部基礎課實驗教學中心完成。根據不同課程特點，采用傳統實驗教學方式，引入開放式實驗教學模式，通過基礎性、驗證性的實驗項目，幫助學生理解基本原理，掌握基礎知識，培養基本能力，實現知識、能力、素質三個層次的轉化和提升[8]。

3.2 工業4.0智能制造實驗基地

近年來，許多高校為了適應新的工業革命帶來的變化，著手建立工業4.0實驗基地[9]。自動化學院為了加強自動化專業建設，推進高水平大學建設，投入近2 000萬元，組建了廣東工業大學——西門子工業4.0智能制造實驗基地。基地的建設對于培養學生綜合應用能力和創新能力具有重要意義。

汽車工業是最典型的智能制造行業。該實驗基地包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝等汽車生產四大工藝流程。涵蓋了企業資源計劃(ERP)、產品生命周期管理(PLM)、生產制造執行系統(MES)、質量監控、數控機床、3D打印、工業機器人、氣動技術、PLC、人機交互HMI、射頻技術RFID、工業網絡技術、驅動控制技術等。如圖4所示，根據設備不同功能和實驗教學的需求，工業4.0智能制造實驗基地劃分為3個實驗室。其中西門子集成自動化中心作為基礎應用體系，功能強大、內容豐富，為培養自動化應用型、復合型、創新型人才提供了良好的條件。

工業4.0智能制造實驗基地高度模仿真實工廠，主要工藝相同，關鍵設備相同，控制策略相同。采用實驗基地教學這種方式，將生產車間搬到教學課堂，讓學生將專業理論與工業應用情景進行完美融合。以培養和提高學生實際工程應用能力為目標，依托工業4.0智能制造實驗基地，緊緊結合理論教學內容，開發一系列個性化、層次化、模塊化的自動化綜合實驗項目。所有實驗教學環節采用導師制、研究型實驗、項目驅動式和實驗室開放式管理模式，學生網上預約實驗，自主開展綜合性應用，充分利用實驗基地教學條件和教學資源[8,10-11,16]。

圖4 工業4.0智能制造實驗基地組成

3.3 校企協同育人平臺

在開展校內實驗教學改革的同時，自動化學院以高校—企業—政府三方合作的形式，在校外建立了多個企業實習基地，創造性地實施“三進三升”人才培養新模式[12-13]。即學生從大一階段就開始專業相關的實習實踐活動，進工廠、進企業、進實驗室，使得他們的分析能力、工程實踐能力和創新能力得到3次顯著提升。在大一期間，進工廠、進企業、進實驗室主要都是觀摩，加深對自動化專業和行業的感性認識；在大二期間，進工廠、進企業開展短期專業實習，或者進實驗室做輔助性科研工作；在大三期間，進工廠、進企業開展深度專業實踐和定崗實習，或者進實驗室成為項目骨干，甚至獨立開展科研工作。這將為學生就業、創業或者繼續讀研深造打下良好的基礎。

為了保證學生“三進”工廠和企業，能夠快速地適應各種崗位的要求，達到“三升”目的，指導教師也要“三進”企業，免費擔任企業技術顧問，與企業導師一起制定人才培養方案，開發企業課程，設計具體的工程實踐項目，開發和研究教學案例，著重培養學生解決復雜工程問題的能力。

我校是廣東省高水平大學重點建設高校之一，自動化專業是省名牌專業，并于2013年入選教育部“卓越工程師培養計劃”。以“大工程”為視角，構筑自動化工程師的知識結構，重點培養學生的工程意識、工程素質、工程實踐能力、工程設計能力及工程創新能力[14-16]。我院大力推進和實施自動化專業“卓越工程師培養計劃”，廣泛開展校企合作，建設了“廣東工業大學—雅樂思創新應用中心”等5個國家級省級校外實踐教育中心、2個國家級產業基地、2個省級工程中心、18個長期簽約合作的校外實習基地等，共27個協同育人平臺和12個校企聯合實驗室[12-13]。這些平臺整合了企業工程實踐教育資源和人力資源，實踐了“三進三升”校企深度融合的自動化創新型人才培養模式。

4 結 語

在工業4.0與智能制造新新形勢下，我院組建了工業4.0智能制造實驗基地，校內開展實驗教學改革，校外創造性開展“三進三升”校企合作的人才培養模式，成績斐然，學生的創新創業積極性被極大激發。兩年來，我院學生獲得授權專利20余項，在全國“挑戰杯”大賽、北美數學建模、國際機器人大賽、全國大學生電子設計競賽、“飛思卡爾”智能車競賽、全國仿真大賽、中國機器人大賽等一批國內外大學生創新競賽中均取得佳績，獲獎共計200余人次。在全國工程教育專業認證和教育部本科教學工作審核評估中，自動化專業人才培養模式得到專家的一致好評。實踐表明，“三進三升”為培養自動化創新型人才提供了有效的途徑。因此，要培養應用型、復合型和創新型自動化人才，必須緊緊把握工業4.0智能制造這個時代主題，強化基礎課實驗教學，充分利用工業4.0智能制造實驗基地，大力實施“卓越工程師計劃”，深入開展“三進三升”校企深度融合的自動化創新型人才培養模式。