新工科背景下智能制造工程專業虛實結合實踐課程體系的構建

浙江理工大學機械與自動控制學院 蔡高參 胡 明 陳本永 楊金林 王丙旭

智能制造是實現中國從“制造大國”向“制造強國”邁進的關鍵，而智能制造工程專業人才是推進智能制造發展的支撐和源動力。智能制造工程專業是先進信息技術與先進制造技術的深度融合，涉及數字化設計、智能加工與工藝、智能裝配、智能供應鏈、智能設計與分析、智能生產工藝、智能裝備數字控制與智能傳感、智慧工廠管理及智能服務等領域及技術，已成為當代工科的熱點專業之一。由此可見，智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業數字化、網絡化、智能化的主攻方向。通過智能制造，可帶動產業數字化水平和智能化水平的提高。在此背景下，智能制造專業人才的競爭必將成為國內外競爭的熱點。因此，把握新工科人才培養的機遇不僅可為國家重大專項研究贏得先機，還可實現對資源配置的優化。

因此，需要對其專業實踐課程體系進一步完善，并構建虛實結合的實踐課程體系，以提升專業的核心競爭力，培養適應新工科的新型復合人才。

一、智能制造工程專業實踐課程體系現狀

（一）智能制造工程專業現有實踐課程體系

截至目前，我國已有135 所高校設立了該專業。然而，因開設專業時間短，相應的專業課程體系還不夠完善，且智能制造工程專業的實踐課程體系大多參照傳統機械工程、機械設計制造及其自動化專業而設置，其對應的實驗室功能較為單一，缺乏綜合性、創新性實驗項目及功能，導致學生的主動參與度明顯不夠。

（二）智能制造工程專業實踐課程體系的不足

智能制造工程專業現有的課程體系還不夠完善，開設該專業的部分高校在專業實踐課程體系建設方面存在一些共性問題：一是現有專業實驗室功能較為單一，導致實驗室不具備虛實結合能力；二是創新教育落實比較困難，智能制造實踐環節學生主動參與度不夠；三是實踐教學過程中的工程背景弱化明顯，從而阻礙了智能制造工程專業的人才培養。為解決這些共性問題，迫切需要構建新的實踐課程體系。

二、智能制造工程專業虛實結合實踐課程體系的構建

為了更好地培養新工科背景下智能制造專業人才，需在考慮現有的相關實踐課程、實驗課程及實驗室條件下，合理構建專業實踐課程體系。若想改善智能制造工程專業的實踐課程功能單一、工程背景弱化的現狀，構建智能制造工程專業新的實踐課程體系需從以下幾個方面考慮。

（一）構建集智能加工、智能裝配、智能倉儲為一體的專業實踐課程體系

根據現有的設備資源，在原有的機械工程、機械設計制造及其自動化專業實踐課程體系的基礎上，構建集智能加工、智能裝配、智能倉儲為一體的專業實踐課程體系，培養學生能基于云計算、大數據、物聯網等前沿信息化技術解決智能制造領域的復雜工程問題。同時，根據智能制造工程專業培養方案，淘汰一些不符合新工科要求的實驗課程，并增加一些自主性、綜合性、研究探索性較強的實驗課程，以完善新的專業實踐課程體系，培養學生具有機械工程、控制科學與工程、計算機科學與技術等學科知識交叉融合、應用復合型高級工程技術人才。

（二）構建虛實結合的專業實踐綜合實訓平臺

根據所設置的智能制造工程專業實踐課程體系，構建具備虛實結合功能的綜合實訓平臺，學生可全程參與，能夠實現三類以上零件的混流自動加工及協作組裝，全程高度智能化，具備高柔性、高擴展性，具備二次開發及在線編程功能，并可進行在線模擬仿真，達到學生數控機床與編程實踐、數字化工廠仿真實訓之目的。

所謂虛實結合，虛是指虛擬仿真，學生可在構建的綜合實訓平臺上進行模擬仿真，在線模擬加工、裝配、倉儲、檢測等各個環節，提升學生對智能工廠及智能制造的整體概念，虛是實的前提和基礎；實是實踐，根據虛擬仿真的過程，學生可進行實際操作，選定具體零件在綜合實踐平臺上進行加工，體驗模擬的真實性、準確性。同時，構建這種互為聯系的虛實結合理念，對培養新工科背景下智能制造領域的人才具有很好的促進作用。

（三）構建師生共建模式下的綜合實踐運行平臺

所構建的智能制造專業虛實結合實踐運行平臺主要實訓項目包括以下內容：加工制造系統實訓（數控機床自動開關控制實訓、刀具選型與應用實訓、自動夾具安裝、調整與應用實訓、自動夾具控制實訓機器人與數控機床的自動上下料實訓、數控機床數據采集與監控實訓）、倉儲物流系統實訓（RFID 原理與應用實訓、工業機器人與輸送線自動上下料控制實訓、工業機器人遠程故障、監控與夾具安裝控制實訓）、視覺檢測實訓（視覺檢測系統的原理及操作使用、視覺檢測設備與機器人聯調）、信息管理系統實訓（工位信息終端應用實訓、系統運行狀態監控實訓）、系統自動化控制部分實訓（PLC 編程、網絡通訊實訓、上位機組態監控系統建立與應用實訓、人機界面的應用開發實訓）、系統集成應用實訓（機器人與數控機床集成案例應用實訓、機器人與檢測及清洗系統集成實訓、AGV 與機器人集成應用實訓、機器人與料倉集成案例應用實訓）、MES 系統應用實訓（機器人與檢測及清洗系統集成實訓、AGV 與機器人集成應用實訓、機器人與料倉集成案例應用實訓）、數字雙胞胎（數字孿生）實訓（智能生產線多生產要素協同規劃控制實訓、智能生產線物理信息系統數據交互轉換實訓、智能生產線數字孿生的虛實系統同步運行實訓）、大數據采集及工藝優化實訓（機床加工大數據采集實訓、大數據存儲及分析實訓、基于大數據的加工工藝優化實訓）、云數控實訓（云數控平臺基本原理及操作應用實訓、基于云數控平臺的機床“健康保障”“鐵人三項”應用實訓、基于云數控平臺和大數據應用的遠程故障診斷實訓）等內容，以達到學生為中心、學生高度參與的目的。該綜合實訓運行平臺作業流程如下圖所示。

綜合實訓平臺作業流程圖

（四）采取校企聯合、平臺+知名企業強強聯合的方式

強化智能制造綜合實踐過程中，為改善智能制造工程專業的實踐課程體系現狀所構建的虛實結合綜合實踐運行平臺應充分結合企業元素，采取校企聯合、平臺+知名企業強強聯合的方式，借助智能制造領域相關企業的優勢及工程背景，邀請企業人員全程參與構建專業實踐課程體系，或共建虛實結合的綜合實訓運行平臺，以彌補現有的實踐課程中工程背景弱化的不足，并達到強化智能制造綜合實踐課程體系中的工程背景之目的。

綜上所述，新工科背景下構建智能制造專業的實踐課程體系，培養面向國際、面向未來的智能制造領域高端人才，不僅要完善現有的實踐、實驗課程，還要構建具備虛實結合功能的綜合實踐課程體系，促使學生綜合掌握智能制造各方面的知識，全面提升學生的工程背景，從而培養出適應新工科環境的新型復合人才。