數控應用新工程師培養的思考

朱弘峰， 崔 立

（上海第二工業大學工學部數字化制造工程中心，上海 201209）

0 引 言

隨著教育部《國家職業教育改革實施方案》［1］正式出臺和“卓越工程師教育培養計劃”［2］的發布和實施，人社部《職業技能提升行動方案（2019—2021年）》［3］及工業4.0概念、中國機械工程技術路線戰略［4］的提出，要求數控教學和實踐環節培養方法和技術平臺必須更先進、更完備，以保證學生所學知識和技能具有實用性、先進性和時代適應性。

所謂工業4.0是德國在新一輪科技革命和產業變革下針對制造業發展提出的一個新的戰略舉措。其核心特征是互聯。所謂互聯是指產品全生命周期內的管理數據、設計數據、生產數據、設備運行過程數據、狀態數據、服務數據等全方位的實時數據互聯?？梢皂憫蚍秶鷥鹊膫€性化訂單，實現遠程接單、全球調度、就近生產、迅速交貨的新型產銷模式。關鍵就是全面數字化。

生產制造數字化技術主要涉及數據采集、監控、機器人、數字孿生、切削過程實時分析、機床狀態管理6方面技術。其中，數控數字孿生技術推進了零件制造并行工程模式，即零件從設計到生產的虛擬準備和設備虛擬調試分頭進行，齊頭并進的工程模式。由于沒有地域和流程順序的限制，可能帶來新型全球工廠模式。其他技術也都具有革命性進步，如機器人執行數控加工程序、實時切削過程優化、遠程診斷、云數控等?？梢?，智能精密制造，數控技術應用是關鍵，同時也具有不可限量的發展空間。

教育部、人力資源社會保障部、工業和信息化部聯合印發的《制造業人才發展規劃指南》指出，高檔數控應用相關人才缺口在四百萬以上。對于這方面的人才，除了必須掌握新知識、新技能之外，還須熟悉行業概況，了解自身基本能力和職業勝任方向，具備以自身基本能力構建專業能力的能力，以適應快速變革的技術發展狀況。因此必須改變傳統數控應用課程的培養模式，重新分析職業標準和工程教育認證的達成標準，研發應用前景好的實際工程、創新性好、能力構建性強的培養情境和考核方式。這也是工程教育認證的新內容。

1 行業技術發展動向

1.1 數字孿生（虛擬）技術

目前行業技術的發展主要是數字化轉型，并且隨著數字化轉型的不斷深入，人工智能開始接管原來由人控制的生產進程，它們按照人的預設推進整個生產工程的狀態事件過程遷移。預設的依據是虛擬仿真。這要求數字環境下的虛擬過程和物理環境下的實際生產過程一致融合。數字孿生技術（即虛擬加工和虛擬調試）正在逐漸實現這樣的融合。同時，它所帶來的并行工程模式終將取代以項目推進的串行工程模式。這就是一種對整個生產力和效率的優化升級。重點就是虛擬仿真必須如實表現現實生產。就是要將生產中所有的過程和對象全部如實地數字化［5］。

1.2 （實體）設備技術

中國機械工程學會在《設備管理與維修路線圖》一書中明確指出設備管理、監測檢驗、故障診斷、設備潤滑、維護修理、更新改造，這6項制約我國智能精密制造發展并且必須實現突破的數字化集成技術的發展路線。同時還按時間序列提出不同時間節點的發展重點、技術發展路徑、實現時間等要素，提出了技術創新過程的不同階段和任務目標［6］。目前，設備使用與維修已有走向市場化、社會化、專業化、綠色化的發展趨向。若以上6項技術能夠數字化融通，設備乃至其功能模塊作為共享生產資料，可能面向社會不同的生產需求靈活組合，循環利用。生產企業將大幅減負，他們不需要再保有設備，也不需要擁有設備裝調維修的技術實力，設備的應用咨詢、租賃、維保、回收、翻新重組、技術培訓等業務全部交給專業的協同服務企業。當產品生命周期終結，由于設備可以在社會范圍重組再利用，企業協同聯盟不會再面臨重大設備成本損失。這就是數字化融通應用將要帶來的一部分社會效益。隨著人工智能等級的不斷升高，中國智造的未來還會帶來更多超越想象的發展。

1.3 人才培養的新任務

目前，機械行業職業能力評價考試站的首要任務就是緊密結合行業技術發展的最新動向，在人社部已有的相關職業標準和培訓方法的基礎上繼續研發，謀求新的發展。努力培養懂設備，懂管理，懂經濟社會，具有優良綜合能力和職業素養的新型技術人才或管理人才［6-7］。

2 數控數字化技術培訓

2.1 具體內容

(1)零件設計數字化。包括零件CAD、CAM設計；零件的物理性能、化學性能、機械性能等數字化建模仿真；零件生產工藝全數字化管理。

(2)生產調試數字化。包括生產過程和環節數字化抽象、虛擬調試、生產計劃準備和優化、方案瑕疵和設計錯誤的更正等。

(3)生產過程數字化。包括設備運行過程和狀態數據跨系統實時監控，生產過程全透明化運營等。

2.2 實踐環節

包括數據采集、現場總線、工業以太網、機床DCS監控、機器人數控化應用、虛擬加工、虛擬調試、切削過程實時分析、機床狀態管理等。對于工程教育本科，基礎實驗實踐仍是教學重點和根本。

2.3 培訓過程及存在的問題

培訓過程中存在的問題已經在工程教育認證過程中顯現出來。工程教育認證是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，可看成從畢業要求設定到達成的過程質量監控［8］。畢業要求矩陣實際反映培養計劃指導構建的職業能力空間，它由許多基本能力（可以看成能力的基向量）構成，是高維空間。人們的思維空間也可以是高維的。但生活的現實空間是三維的。施教過程實際就是教師將高維能力空間的教學對象投影到三維現實空間中，以相對低維的實體或信息形式呈現給學生。學習過程就是學生根據教學對象的低維呈現，結合自己已有的能力重構高維意識模型的過程，實現認識過程的第一次飛躍。應用或考核過程就是學生根據自己能力再次將高維意識模型呈現到三維空間的過程，實現認識過程的第二次飛躍。不同的老師和學生，他們的能力空間都是不同的。造成不同人對相同事物認識的差異，反復訓練后形成個性化習慣?？茖W的訓練產生正確的習慣，訓練不當后患無窮。因此工科教學必須持續改進，目的就在于用實踐引導不同學生產生正確的認識，然后理實結合，深化認識，構建能力。這是德國應用科技大學（Fachhochschule，FH）模式的經典教法。傳統課程的實踐環節只有一個，目的是為了理實對照，但沒有反復認識，增強和發揮學生自身基本能力的螺旋上升過程。傳統考試也只檢查認識對象在考試空間內的統一投射，對卷面反映與教學對象的一致程度進行比較，評分，卻從不評價學生的能力構建。總之，從培養目標設定到施教到考試到達成評估，四點不在同一個模型上，這就是傳統實踐教學的最大問題和持續改革要點所在。

2.4 教學改革相關思考

2.4.1 教學改革的重點

工程和技術是整體和局部的概念。技術構建了工程，能力構建了技術。嘗試分析工程中所用到的基本能力發現：工程問題大多數是技術問題；技術問題最科學的解決方法是矛盾隔離法［9］；不同的人對相同的技術矛盾有不同的看法，因此他們會采用不同的手段逐步解決問題。又因為，人的手段是由若干基本能力構建出來的。所以工程問題解決路徑的選擇就是人的能力構建，也是能力構建達成考核的依據。追溯能力構建的考核能解決教、考不統一的問題。當前工科教學改革的重點就是引導貼近技術問題解法組合的能力構建創新。目前國內已有一定經驗［10］。

2.4.2 教、考實施的主體

新工程師培訓必須進行基礎學科知識、基本工程知識、原廠技術等教學；展開技術矛盾分析、解決方案探索、考慮社會商業環境的工程系統構思、實施運維等能力培訓。面對全國數百萬計的全日制本科學生和機械行業員工的新數控應用職業能力培訓及考評任務，目前唯有工科全日制本科才有能力、有條件、有體量承擔培訓實施任務。也只有行業職業能力評價考試機構才有資格聯合高校有計劃、有組織地實施系統化的職業能力認證考試。高校和行業之間需要一個完善統一的考、教體系。

2.4.3 課程體系綱要

作為國際工程教育改革的最新成果，CDIO模式（即工程構思、設計、實施、運行conceive，design，implement，operation），可滿足巨大的培訓體量和突破傳統項目模式的培訓要求，是新工科課程體系設立的理想依據。工程教育認證的畢業要求可同時作為本科辦學和行業職業能力評價考試的組織開展指導依據。實際上，CDIO的能力綱要和工程認證的畢業要求幾乎是完全統一的，CDIO的能力綱要可以看成是對工程認證畢業要求的展開解釋，即具體培訓內容的綱要。而工程認證畢業要求則可以看成是學生學業考試綱要和學校辦學評估綱要。表1、2所示CDIO和工程認證最核心部分的對照比較。表中的能力綱要和畢業要求指標就是社會和企業對新工程人才的能力要求。

2.4.4 超越和突破

隨著機械行業全面數字化升級的推進，數字孿生技術、機器學習技術等新技術正在悄然突破以項目為單位的工程模式。注意到工程模式的突破源于解決方案組合方式的變革。數字化工程人才的培養也應該抓住能力構建方式的培訓。只有緊扣行業技術應用需求的變化，對基本能力的訓練進行優化和增強，同時兼顧解決方案的整體構建。教學方法才會取得超越和突破。

3 新工程師培養方案

3.1 能力構建方案簡介

作為工程師的職業能力，工程能力包括技術能力和管理能力。職業能力的構建是從基本能力開始的。為了適應全面數字化快速變革，需要重新分析數字化機電工程師的基本能力及培養方式。

技術能力源自觀察能力、分析能力、學習能力、實踐能力、創新能力。圖1所示是新工程師技能構建方案。引入了既貼近技術問題本質又易于數字化轉型觀察分析對象，使整個培訓更適應未來發展。此圖按輻射方向，可看成從各基本能力（培訓方法）培養目標的分支展開；按環形方向看，最內兩圈是基本能力及相關拓展培訓，最外兩圈分別是CDIO一級和二級能力綱要。能力培訓方法和二級能力綱要可在一定范圍內交叉對應（即，可旋轉圓盤）。教學設計時，從基本能力（最內圈的一個對象）開始，向外逐次選取一種培訓方法，依次與相關一級能力范圍內的二級能力目標進行排列組合，分析各種手段培訓各項能力的教學意義和施教內容，可梳理出完整的課程體系，并可因人而異選用不同能力構建路徑，實現因材施教。因CDIO能力綱要和工程認證畢業要求高度對應，此方案亦適用于工程認證培訓。對于職業資格能力評價，培訓過程也是一致的。

表1 CDIO能力綱要與工程認證畢業要求對照案例（構思與設計部分）

管理能力源于規劃、統整能力、決策能力、執行能力、協調能力、溝通能力、培訓能力、統馭能力等。對于管理方面基本能力的拓展培訓已有大量行之有效的培訓方法，同樣可按上述方法找到CDIO能力綱要中的對應目標。這里就不重述了。

3.2 具體培訓方法設計簡述

機電工程師最關心的技術問題無非就是設計目標、構件結構、動態穩態性能、邏輯過程等。設計目標來自需求分析，分析結果一般能解釋為技術矛盾。所謂技術矛盾是指技術系統中兩個參數之間存在的相互制約，在提高技術系統的某一參數時，導致了另一個參數的惡化而產生的矛盾。增強有利性能，犧牲其他性能，即為工程解；消除矛盾，使兩方面都得到增益，為創造性發明解［9］?？臻g結構分析解決零件形體構造、傳動路線、裝配結構、裝配關系，裝拆邏輯等問題。產品設計成果最終落實為結構，因此結構分析還可引申出裝配及加工工藝方法和操作技巧方面的技術要點。從實體結構中體會各方面的技術關聯，可看透完整的產品設計脈絡。系統模型分析是用數學模型分析控制系統或運動過程動態性能和穩態精度的常用手段。其分析結果是產品性能或裝調效果評價的主要依據，也是技術矛盾工程解的量化體現。狀態事件分析是一種復雜邏輯控制系統建模方法［11］，現在數控技術應用領域有新的應用，可準確地描述系統的狀態、事件、狀態遷移條件和遷移過程之間的關系。特別適用于過程邏輯狀態分析和異常狀態分析［12-13］。

例如，在圖1中，轉動圓盤，將“技術矛盾分析”和“A1”（認識和系統表述問題）兩項對應起來，表示展開矛盾參數在技術系統調整過程中相互影響現象的觀察訓練，然后系統性地描述出確切的技術矛盾本質及其表現。此后再轉動圓盤，將“技術矛盾分析”與“A2”（建立模型）對應，表示從TRIZ技術矛盾矩陣中找出對應的矛盾關系，建立模型，然后可查表找到技術矛盾的解。適合這條路徑培養的學生可勝任技術系統調整和研發工作。又如，若將“狀態事件分析”與“A1”對應，表示展開控制過程狀態隨著事件遷移轉變的觀察，然后準確地描述狀態遷移的時機和條件。再將“狀態事件分析”與“A2”對應，可建立狀態事件控制的邏輯模型……，此路徑培養離散自動控制及故障診斷維修能力。用同樣的方法，在各項一級綱要范圍內交叉組織，列出所有可能展開的教學內容。借助數字化工具展開排查、組合，教學與追溯，可以建立完善的數字化培訓教學體系及學員成長基因檔案。這不僅可以解決考、教統一問題，而且還能改進職業標準，直接解決校企之間人才供求配對問題。

表2 CDIO能力綱要與工程認證畢業要求對照案例（實施和運行部分）

圖1 工程師能力培養構建方案

為順應實際應用需求，培訓方法設計的關鍵在于底層技術的研發與應用。新技術要具有較寬適應性。例如，要研究狀態反饋控制系統穩定性問題時，狀態事件分析只改變觀察對象，不改變觀察方法，仍適用。又如將上述科研投入教學，直接構成全新實驗課程，同樣適用［14-15］。

4 結 語

在全面數字化轉型和快速變革的技術發展環境下，面對大量新型技術人才或管理人才的培養任務，當前工科教學改革的重點就是引導最貼近技術問題解法組合的能力構建創新。高校和行業之間需要一個完善統一的考、教體系。采用最先進的基礎技術，展開能力構建培訓，完善教學體系，可同時滿足工程教育培養目標達成和職業資格能力培訓的要求。基礎技術的研究、發展和教學應用是關鍵。