新工科建設中智能制造課程的實踐教學

（南京工程學院江蘇省智能制造裝備工程實驗室 江蘇·南京 211167）

1 智能制造課程的時代背景與現狀分析

隨著世界范圍內第四次工業革命—“智能時代”的到來，新一輪科技和產業革命隨之產生并發展。智能制造是《中國制造2025》的主攻方向，也是我國從制造大國轉型為制造強國的根本途徑，智能制造的發展不僅需要專業型人才和跨學科人才，更需要具有交叉學科背景的系統級人才。同時，我國高等工程教育提出發展和建設“新工科”的“五新”要求：“要樹立創新型、綜合化、全周期工程教育‘新理念’，構建新興工科和傳統工科相結合的學科專業‘新結構’，探索實施工程教育人才培養的‘新模式’，打造具有國際競爭力的工程教育‘新質量’，建立完善中國特色工程教育‘新體系’。”

2015年3月，中國工信部發布的《2015年智能制造試點示范專項行動實施方案》提出“智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征，可有效縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗。”可見，智能制造賦予新工科跨越學科界限和產業邊界的新內涵，是新工科建設的主陣地，對新工科人才提出新要求：使其具備智能制造復合融通的知識體系、基于智能制造互聯互通的關聯能力、技術創新＋人文情懷的核心素養。

因此，智能制造課程有必要成為高等院校本科生的一門通識課程，尤其是工科類學生，開啟學生對智能制造的興趣、了解智能制造的發展現狀和意義、熟悉智能制造的關鍵技術、掌握智能制造體系架構和智能工廠的架構，使不同專業的學生具備與智能制造技術應用或研發的專業素養，以適應新工科建設的新要求。

目前，高等院校開展的智能制造課程主要有兩種形式：第一，將智能制造課程的內容分解融合到相關專業課程內，例如“智能化工”、“智能制造+材料”、智能制造融入飛行器設計等；第二，獨立開展智能制造課程，設置的課程名稱主要有《智能制造導論》、《智能制造技術基礎》，目前出版的參考教材見表1。第一種形式教學使學生的專業課程知識更為深入，能夠把握專業領域在智能制造背景下的發展現狀，但是較難全面理解智能制造體系；第二種形式增加了一門新課程，能夠使新工科學生全面理解智能制造體系，掌握智能制造課程的基礎知識，降低了學生將智能制造與專業課程貫通融合的難度。筆者認為獨立開設智能制造課程更適應智能制造的時代要求，更好培養新工科人才。通過2019年第一學期開設并完成《智能制造導論》的教學工作后，對智能制造課程的實踐教學進行了研究和總結，主要從教學內容、教學方法、與專業課程的融合進行分析探討。

表1：智能制造課程參考教材

2 智能制造課程的教學內容

《智能制造導論》的課程性質為選修課，供全校本科生選修，參考教材為李曉雪等人編著的《智能制造導論》，主要參考資料為《國家智能制造標準體系建設指南(2018年版)》。課程共設置32個學時，16個教學單元（2學時/單元），其中前15個教學單元主要為講授課，剩余1個教學單元為考核答疑課。教課內容和教學單元分配如圖1所示，主要內容包括五章，采用“總—分—總”的邏輯關系將課程內容有機結合，首先講解智能制造概述，通過智能制造體系架構的智能制造標準體系結構引出第二、第三章內容，分別講解智能制造裝備、智能賦能技術，然后通過第四章的智能工廠將第二章、第三章的內容以及第四章前部分內容結合，構建智能工廠的架構，最后第五章講解智能制造的直接目的，即智能服務。

《智能制造導論》作為不同學科交叉滲透的復合型課程，教學內容相當廣泛，主要是拓展學生的知識面，優化知識結構，教學內容具有寬、淺、新、精、趣、綜合等特點。例如，對工業機器人，首先引入Boston Dynamics公司的最新智能機器人Atlas，激發學生興趣，進而講授機器人的種類、作用，基本構成和技術指標等，注重實用性知識的講解，忽略較為復雜的機器人運動、控制等涉及較深數學知識的理論；講解制造執行系統時，重點講授制造執行系統的作用，結合專業技術人員的崗位講述該系統將工廠的人、機、物、料有機結合的基本過程。

圖1：教課內容和教學單元分配

3 智能制造課程的教學方法

《智能制造導論》采用的教學方法主要有課堂講授法、紀錄片賞析與討論、課堂提問與測試、項目調研與展示等，采用多種開放式方法激發學生學習的興趣，引導學生了解智能制造現狀，使學生掌握智能制造基礎知識，培養學生工程應用的意識。

3.1 課堂講授法

利用PPT、教材、教案等材料直接講授課程內容，注重聯系社會熱點和生活實例，重點講解相關技術的基礎理論和應用，弱化專業性較強的知識點，激發學生學習興趣，活躍課堂氣氛，促進學生對知識的掌握。例如講解工業云技術時，以“5G”通訊技術為切入點，進而結合課程知識展開討論和講解，使學生學習智能制造知識的同時，知悉世界科學技術的發展動態。

3.2 紀錄片賞析與討論

首先根據教學單元的授課內容提出引導問題，通過播放與之對應的紀錄片，如超級工廠系列《Boeing747》《TeslaModel S》，大國重器第二季《贏在互聯》《智造先鋒》《創新體系》，超級裝備《智能裝備》等，選取紀錄片中的片段（十分鐘左右）播放，進而對涉及的課程內容進行開放式討論，學習課程知識的同時加深認知國內外制造業的現狀。

3.3 課堂提問與測試

課堂內容有相互交融的地方，對已講內容進行提問，幫助學生復習；當涉及智能機器人、增材制造、云計算等時代科技時，對學生采取引導式提問，加深學生對新課程內容的理解以及智能制造對生活的影響。對重點內容進行課堂測試，學生動筆書寫，鞏固對所學內容的識記。

3.4 項目調研與展示

采用項目教學法，學生根據專業知識或興趣愛好組成一個5人左右的調研團隊，對智能制造領域內容進行調研，在課堂上完成10分鐘的成果展示，包括PPT匯報、實物解說、黑科技介紹等，培養學生學以致用和團隊合作的能力。

3.5 課程考核形式

《智能制造導論》的考核主要包括以下方面：

（1）學習過程考核。考核學生的出勤情況、學生在課堂討論中的表現情況，以及課題測試，所占成績比例為30%；

（2）調研報告。考核學生項目調研的成果展示情況，根據成果的與智能制造課程的相關度、新穎性、實用性等方面進行評價，所占成績比例為20%；

（3）課程論文。根據課程講授內容，結合自身專業，選擇智能制造課程的某一項技術理論或應用，撰寫一篇3000字以上的結課論文，論文性質包括綜述、研究性論文、方案設計、感想或展望等，要求格式規范、主題鮮明、論證有據、圖文并茂，具有適當的參考文獻，所占成績比例為50%。

4 智能制造與工科專業課程的融合

《智能制造導論》是一門多學科交叉融合的課程，智能制造與其他領域相輔相成，涉及的領域有機械、電氣、材料、計算機、通信、醫學、管理等，選課學生的專業主要包括機械工程、電氣工程、能源工程、材料、工程管理等。隨著“智能時代”的到來，不同的專業課程或多或少地增加一部分與“智能”相關的知識，例如檢測與傳感技術課程中增加了智能傳感器的知識點，材料科學課程中增加了智能材料。智能制造的教學內容主要為智能制造領域關鍵共性技術的基本知識，為學生學習專業課程中智能制造有關的知識奠定基礎，提升專業課程深度的同時減輕教學難度。例如在智能制造課程里面講授了增材制造技術，為機械制造技術、材料成型技術等專業課程里面的相關知識奠定了基礎，學生能夠由基礎知識到專業應用漸進式學習，不僅降低了理解學習的難度，而且鞏固了對增材制造的掌握。

5 結束語

結合新工科建設的要求，通過《智能制造導論》的實踐教學，為了更好開展智能制造課程的教學，給出以下建議：

（1）智能制造課程的教學內容重在基礎知識，讓學生知悉我國智能制造的社會背景和發展水平，了解世界科學技術的發展方向；

（2）智能制造課程的教學方法需適應時代要求，多選擇社會熱點為實例，激發學生學習興趣，提升學生學以致用的意識；

（3）智能制造課程應為專業課程奠定基礎，促進智能制造在機械、電氣、計算機、通信、醫學、管理等諸多學科的應用，提高學生融融貫通的能力。