智能制造背景下機械專業實驗教學探索

張衛芬 李永梅 董祥國 嚴紅霞

摘 要：在當前智能制造背景下，學生在多學科交叉的專業知識、產品研發、解決復雜工程問題等方面的能力需要提高，對機械專業實驗教學提出了新的需求。針對目前機械專業實驗教學存在的主要問題，文章提出了實驗教學體系建設思路，即建立“多層次、系統化”的實踐能力培養體系，更新實踐教學內容，加強校企協同育人，增加實驗教學學時，強化集中實踐環節。文章根據智能制造需求，設計實驗教學項目，并進行了實例分析。文章針對機械專業實驗教學進行了探索，為新時期培養高素質應用型人才提供借鑒和參考。

關鍵詞：智能制造;機械專業;實驗教學

0? ? 引言

隨著新科技革命和產業變革的時代的到來，智能制造成為制造業發展的重中之重，在此背景下，傳統的培養方案、課程體系、課程內容、教學方法、教學模式等要與智能制造相關領域的新知識的快速發展相協調，教育模式要能適應智能制造產業發展的需要。學校除了要培養學生具有寬厚的自然科學、數學和工程科學基礎之外，還需提高學生在多學科交叉的專業知識、產品研發、解決復雜工程問題等方面的能力。實驗教學是高等教育中人才培養的重要組成部分，更是培養人才實踐能力、創新能力的重要方式與方法。如何適應智能制造的需求，讓實驗教學主動適應新技術的變革，提升學生的創新精神和實踐能力是亟待解決的問題[1]。

1? ? 機械專業實驗存在的主要問題

工科專業的特點是實踐性強，實驗環節在教學中占有舉足輕重的地位。開設足夠的教學實驗是培養學生動手能力、創新能力和解決工程實際問題能力的重要手段[2]。目前實驗教學存在以下問題。

（1）驗證性實驗為主。許多實驗流于形式，大部分實驗以驗證性實驗為主，驗證理論課程知識，而創新性實驗和綜合性實驗所占的比例較少，且實驗設備更新較慢，授課內容比較陳舊，對工程應用的拓展較少，具有工程背景的實驗較少，無法滿足智能制造下行業的需求，也無法提高學生的工程實踐能力和創新能力。

（2）校企融合不夠。高校和企業之間相互交叉融合程度較低，高校需要企業提供相關的實驗實踐訓練的機會，企業需要高質量的人才，但目前這一現狀較難協調。

（3）實驗學時較少。目前實驗所占學時較少，如東南大學成賢學院機械設計課程，總學時64，但實驗只有6學時，僅能滿足基本教學需求。這就導致學生的實際動手機會較小，學生無法從實驗中獲得實際工程能力培養的訓練機會。

目前來看，傳統實驗無法滿足針智能制造對人才培養的需要，為培養學生的工程能力、綜合能力和創新意識，基于學院機械專業人才的培養現狀，進行如下探索。

2? ? 實驗教學體系建設思路

在智能制造背景下，對機械與信息相結合的人才需求增長迅速，學校提出了機械專業信息化改造，創辦了數字化制造學院，并從 2015 級開始從培養目標、培養方案、課程體系、師資保障、實驗課程等方面進行逐年修訂，形成了具有鮮明特色的辦學模式。實驗課程與行業單位對接，根據行業的發展需求制定了相應的實驗課程，按照新工科的人才培養要求，探索機械專業實驗教學項目，讓學生能盡早接觸學科前沿內容，培養學生理論與實踐相結合的能力，提升機械專業學生的人才培養質量[3]。

（1）建立“多層次、系統化”的實踐能力培養體系。從通識教育課實驗、專業基礎課實驗、專業主干課實驗、專業方向課實驗、集中實踐環節5個環節展開實踐教學，通過課內實驗、課程實訓、課程設計、項目實訓、技能實訓、綜合性實驗、畢業設計等環節，輔以學科競賽、技能訓練、大學生創新項目等開放性實習實驗，搭建基本技能培養層、綜合能力培養層、工程應用能力培養層和創新能力訓練層的“多層次、系統化”實踐能力培養體系，保證學生實踐能力培養的層層遞進。

（2）校企深度融合的協同育人體系建設。與克恩里伯斯（太倉）有限公司、南京埃斯頓機器人工程有限公司、蘇州富強科技有限公司、西門子工業軟件（上海）有限公司、蘇州奧杰? ?汽車技術股份有限公司、無錫華洋滾動軸承有限公司等 22 家企業建立穩定的運行良好的校外實習基地。聘請企業師資團隊參與指導學生實踐實訓、畢業設計等。此外，培養計劃的制訂充分聽取企業、兄弟院校的建議，力求人才培養與企業需求相匹配。

（3）設置模塊化的實踐環節，實踐教學內容與時俱進。通過及時追蹤行業的發展變化，及時更新實踐教學內容。根據不同職業崗位所需要的知識能力結構設置了機電一體化、汽車工程兩大模塊的實踐環節，緊跟工業機器人和新能源汽車發展趨勢，調整實踐教學內容，引導學生關注行業前沿動態，培養學生職業拓展能力，取得了良好的成績。同時，積極鼓勵教師開展實踐教學改革，及時更新實踐教學內容，一方面緊密結合生產實際，跟蹤新技術、新工藝的發展步伐，整合實驗內容，開設貼合企業生產實際的實驗項目;另一方面，鼓勵教師將科研引入教學，把科研成果與實踐教學內容結合起來，編寫實驗講義，不斷更新和完善實驗教學內容。

（4）增加實驗教學學時，強化集中實踐環節。重視實踐教學，學時比例提高，實踐教學學時占總學時的比例為 39.1%。集中實踐環節多以設計性、綜合性、創新應用型實驗或課題為主，有獨立的實踐教學大綱、獨立的教材或實訓指導書且單獨計算學分和成績，有完善的集中實踐環節考核體系。集中實踐環節綜合性比較強，運用一門課程多個知識點或者多門學科知識，解決一個比較復雜的問題，主要考查學生對專業知識的綜合應用能力和系統解決問題的能力。

3? ? 智能制造背景下機械專業實驗教學項目設計—以“機電控制綜合實踐”為例

“機電控制綜合實踐”是一門應用性、實踐性、綜合性很強的實驗課程，在學習過程中，需邊學理論邊實踐，教學過程中，以理論為輔、實踐為主，多訓練學生的分析、動手能力，授課與實驗交叉進行，以邊講解、邊實踐的模式引導學生學習，講授與操作結合，之前的課程實驗主要有控制流程圖繪制、機械結構設計、PLC 程序編制、整體控制系統設計、聯機調試等項目任務。為提高學生機械、信息、機器人專業交叉融合的復合能力、工程能力、發現問題與分析解決問題能力，本實驗擬增加以下幾個實驗項目。

3.1? 工業機器人噴漆實驗項目

工業機器人噴漆實驗項目布局如圖1所示。該實驗項目模擬工業機器人對零件進行噴漆的過程。上料的形式采用雙工位交替上料，實現不間斷連續生產功能，一個工位噴涂過程中，另一工位同時換料，提高噴涂效率。機臺左右兩工位單獨設置操作按鈕（啟動、急停按鈕），機臺設有三色燈，用于在系統出現故障時進行聲光報警提示。機臺罩殼可視化，方便人員隨時監控噴涂狀態。進料窗口做成自動開閉形式，防止油漆濺出。通過此項目的訓練，學生可掌握工業機器人的工作坐標的建立、運動參數、運動軌跡編程等內容。此外，此平臺可對學生進行一些創新實訓，如送料平臺通過改進，利用電機驅動，工件可實現 360°旋轉，可實現邊噴涂邊旋轉功能，符合實際生產需求。

3.2? 工業機器人碼垛實驗項目

工業機器人碼垛實驗項目布局如圖 2 所示。本實驗項目是按照江蘇省機器人大賽進行設置的，該實驗項目模擬工業機器人對零件進行碼垛的過程。機器人將指定物料區貨物取出，在碼垛區域完成指定形式的碼垛，在完成基本碼垛形式后，方可進一步完成部分的碼垛形式，同時，機器人通過視覺系統進行不同顏色物料的識別，然后進行碼垛。通過此項目的訓練，學生除了可掌握工業機器人進行碼垛工作的原理、過程之外，還可了解視覺識別在現今生產線中的應用。

3.3? 工業機器人組裝實驗項目

工業機器人組裝實驗項目布局如圖3所示。本實驗項目的目的是完成殼體和電阻的裝配，替換人工，實現電阻組裝、點膠，模擬了實際生產功能。在此實驗項目中，學生可了解組裝的生產過程，每一個功能模塊的作用，如載具輸送線，其運載方式通過線體和兩端撥桿氣缸實現循環送料，相比直接用托盤載具供料的方式，可以減少運載載具的數量;點膠機采用三軸伺服點膠結構，定位精準，采取雙膠槍的點膠方式，提高點膠效率;電阻抓手采用一次抓取多個進行壓裝的方式壓裝電阻。通過此項目的訓練，學生可掌握一條成品生產的過程，也可按照產品需求進行改進，如上下料裝置等可作為大學生創新訓練項目，激發學生的學習興趣，打開學生的思維，按照生產需求完成相關設計。

通過上述項目的補充，加強了“機電控制綜合實踐”的完整性，將 PLC 技術、現場總線技術、機器人技術、伺服控制技術等進行融合，有利于后續綜合性、設計性實驗的開展，有利于對學生綜合能力的培養和創新意識的訓練，在構建多學科交叉融合的實驗體系中做了有益的嘗試，增加了學生對工程實際的認知，鍛煉了學生解決工程實際問題的能力。

4? ? 結語

在智能制造背景下，培養學生的工程實踐能力、創新設計能力是機械專業學生培養中的重要一環，對實驗的要求也更為嚴格，構建系統化的、融合多課程的實驗教學體系能夠使學生在動手能力、分析解決問題能力等方面得到綜合訓練。因此，加強校企合作，改進實驗條件，能夠大大提高學生的學習效率，促進學生的自我學習，增強學生解決復雜問題的能力，為智能制造背景下機械專業應用型人才培養提供條件。在今后的實驗教學改革中，學校更要把握好時代發展需求，更新機械專業實驗教學項目設計，對機械專業應用型人才的實驗教學進行探索，適應智能制造發展需求。

[參考文獻]

[1]仝月榮，陳江平，姜艷霞.“新工科”背景下以智能技術為牽引重構工程實踐課程體系[J].實驗技術與管理，2020（37）：33-38.

[2]陳硯，單泉，馬廉潔，等.新工科建設下機械設計基礎實驗教學改革及實踐[J].機械設計，2020（S2）：242-244.

[3]朱麗麗.培養機械工程創新應用型人才的實踐教學探索[J].黑龍江教育（理論與實踐），2020（7）：81-82.

（編輯 王永超）