多層次混合式的先進制造技術實訓模式的探索與實踐

李全城，吳新良

（廈門理工學院現(xiàn)代工程訓練中心，福建廈門 361024）

一、研究背景

先進制造技術（Advanced Manufacturing Technology，AMT）相較于傳統(tǒng)的制造技術，有著高效率、高質量和快速響應市場變化能力等優(yōu)點，被全球許多國家視為21 世紀制造業(yè)變革的關鍵技術之一[1-2]。當今，AMT 已成為國內許多高校機類和近機類專業(yè)學生的必修課程，大多數(shù)學校也在實訓環(huán)節(jié)增設了AMT 相關的實訓課程。中國科學技術大學工程實驗教學中心通過增設金屬雕刻機和3D 打印機兩個實訓項目，讓學生體驗先進制造技術[3]；天津工業(yè)大學工程訓練中心把數(shù)控加工和特種加工實訓項目（數(shù)控雕刻和電火花線切割）融合一起開展先進制造技術實訓教學[4]；北華大學工程訓練中心根據(jù)CDIO 工程教育的模式，將數(shù)控、特種加工、機器人、精密測量、CAD/CAE/CAM 軟件等實訓項目貫穿于抽油機和無碳小車等產(chǎn)品的制作中，開展 AMT 實訓教學[5]。然而大部分高校在開展AMT 實訓教學方面依然存在著以下五個方面的主要問題。

1.由于對AMT 實訓的重要性認識不夠，普遍存在著“重數(shù)控，少先進”的思想觀念，導致投入到AMT 實訓的資金、人員和課時等相關保障措施相對較少。多數(shù)高校僅僅只是在工程訓練環(huán)節(jié)中有限地針對機制類專業(yè)的學生泛泛地開展了幾個AMT 實訓項目，而工程訓練課時本來就緊，這樣就存在著學時短、缺乏系統(tǒng)性、受眾范圍小等缺陷。

2.即使形式上重視AMT 實訓，但因其涉及技術內涵廣泛、多學科交叉，需要建設的內容沒有統(tǒng)一的認識，開設的實訓教學內容更是五花八門，導致實訓過程中標準不統(tǒng)一，內容不明確，重點不突出，難以達到良好的訓練效果。

3.“一刀切”的實訓教學模式。沒有針對不同學時、不同學科、不同專業(yè)的學生設置相適應的教學方案和教學內容。

4.由于先進制造設備昂貴，臺套數(shù)少，僅僅依靠實體設備進行實訓教學，效率不高，效果不理想。

5.實訓教學過程缺乏對學生整體工程觀的培養(yǎng)。各個AMT 實訓項目都是獨立地、零散化地進行，導致學生在實訓完所有項目后，對產(chǎn)品制造過程沒有一個完整的概念，所能想到的僅僅只是某一個實訓項目中的某一種加工方法，而實際產(chǎn)品制造卻是多種加工方法的綜合運用。

二、先進制造技術實訓教學改革和實踐

針對先進制造技術實訓教學過程中存在的這些問題，我校借助省級虛擬仿真實驗教學示范中心、省級實驗教學示范中心的教學條件和工程訓練教學體系，開展先進制造技術實訓模式教學研究與改革，統(tǒng)一重要性認識、明確實訓內容，完善線上線下混合式教學資源建設，實施因生施教的多層次課程設計，開展以項目為載體，課內課外、線上線下、虛實結合的實訓教學方式研究，構建了項目驅動的課內外混合式開放教學體系。具體實踐和改革內容如下：

第一，統(tǒng)一認識，確立AMT 實訓模塊；

第二，針對不同學生開展多層次的AMT 實訓教學模式探索和相關線上資源建設；

第三，開展AMT 實訓的課內外混合式開放教學模式探索實踐；

第四，設計AMT 實訓的教學實施方案。

（一）統(tǒng)一認識，確立AMT實訓模塊

在現(xiàn)代制造業(yè)朝著系統(tǒng)化、數(shù)字化、智能化和多學科交叉方向發(fā)展的背景下[6]，對于應用型本科院校來說，必須擺脫與高職院校相似的“重傳統(tǒng)數(shù)控，少現(xiàn)代先進”的訓練模式，對現(xiàn)有的工程訓練的實訓工種進行合理規(guī)劃，適當向先進制造技術項目傾斜，唯有如此，才能更好地培養(yǎng)面向“中國制造2025”的高端技能型人才[7-10]，提高學生就業(yè)適應能力。

然而，先進制造技術涉及技術范圍廣，涉及的實訓項目多，建設資金、師資人員和課時等條件又有限，那么如何在這些有限的資源下，開展系統(tǒng)性的AMT 實訓是首要解決的問題。我校根據(jù)《中國制造2025》[11]的相關要求，結合現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢和AMT 的本質特征分析，認為系統(tǒng)化的AMT 實訓要包含先進制造工藝、自動化和綜合性的特征，并據(jù)此明確具體的AMT 實訓模塊，包括：先進制造工藝（產(chǎn)品輔助設計制造CAD/CAM、數(shù)控車銑加工、激光和電加工等特種加工、3D 打印增材制造）、自動化（機器人、PLC）和綜合性（柔性制造系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)線、VisualOne 智能工廠仿真系統(tǒng)），如圖1 所示。

圖1 先進制造技術實訓教學體系

據(jù)此，近些年，我校先后投入了1000 多萬資金陸陸繼續(xù)采購了數(shù)控車床、數(shù)控加工中心、線切割機床、電火花、五軸加工機床、3D 打印機、工業(yè)機器人、激光加工機床和柔性生產(chǎn)線等先進制造實體設備[12-13]，與此同時，成立了由一批具有扎實的專業(yè)理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗的實驗師、高級實驗師和高級技師組成的先進制造實訓部，專門負責AMT實訓教學，這些舉措有力地推動了AMT 實訓教學的順利開展。

（二）針對不同學生構建多層次的AMT實訓教學模式并建設相關網(wǎng)上資源

參加工程訓練的學生涵蓋了我校全體本科學生和兄弟院校金工實習的學生，她們來自不同年級、不同專業(yè)，而且她們的知識水平、專業(yè)特點、實踐能力也各不相同，因此AMT 實訓中，要針對不同年級和不同專業(yè)的學生設置相適應的實訓教學內容和教學方案。我校依托已有的工程訓練教學體系，根據(jù)不同專業(yè)的特點和要求，適當補充開放性實驗、公選課、學科競賽、科研項目、校企共育等方式，建立了從“基礎認知—技能訓練—綜合創(chuàng)新”多層次的AMT 實訓課內教學模式，每個層次的實訓內容設置以增強學生專業(yè)認知，提高學生實踐能力、綜合素質、工程意識和創(chuàng)新能力為原則，電火花加工、數(shù)控車銑加工、3D 打印、工業(yè)機器人、激光加工、PLC 和柔性生產(chǎn)線等先進制造技術訓練項目根據(jù)需要融入各個層次。同時AMT 涵蓋技術內容較多，僅靠如開放性實驗、工程訓練等形式的計劃課內學時，無法滿足相關知識和能力的培養(yǎng)，我校依托數(shù)字化設計制造虛擬仿真平臺，建設網(wǎng)上教學資源和虛擬仿真實驗環(huán)境，滿足學生課外對不同技術模塊的認知和探索性學習。

1.AMT 基礎認知模塊：面向低年級學生開設，參考原來的工程訓練教學大綱和先進制造技術內容，主要在現(xiàn)有數(shù)控車銑加工、電火花加工、3D 打印的實訓模塊基礎上根據(jù)不同專業(yè)合理增設工業(yè)機器人、激光加工、PLC 和柔性生產(chǎn)線等模塊。與此同時，建設了相關網(wǎng)絡課程等網(wǎng)上教學資源，方便學生課外時間的學習和認知。

2.AMT 技能訓練模塊：主要面向近機類和機類專業(yè)學生或經(jīng)過基礎認知層次訓練的其他專業(yè)學生，其中近機類專業(yè)學生在現(xiàn)有《數(shù)控技術實訓》的基礎上，可根據(jù)不同專業(yè)，從3D 打印、工業(yè)機器人、激光加工、PLC 和柔性生產(chǎn)線等先進制造技術實訓模塊中合理增選2-3 個模塊作為學生實訓項目，還可通過開設面向全校學生的開放性實驗和公共選修課等形式彌補現(xiàn)有課時的不足。同時，為檢驗認知層次和公選課的AMT 實訓效果，中心定期面向全校舉辦工程訓練基本技能大賽，并在大賽中增設先進制造技術環(huán)節(jié)。最后建設了相關的網(wǎng)上教學資源和虛擬仿真實驗環(huán)境（如聯(lián)合廈門麥思睿科技有限公司和廈門萬久科技有限公司分別開展數(shù)字化工廠虛擬仿真和柔性生產(chǎn)線虛擬仿真等相關案例建設），滿足學生課外時間的學習和虛擬仿真實踐要求。

3.AMT 綜合創(chuàng)新模塊：主要面向高年級參加過基礎認知和技能訓練的學生，訓練內容包括學科競賽、科研項目、校企合作培訓等。采取以學生為主，教師指導為輔的訓練模式，鼓勵學生利用先進制造設備加工作品參與如機器人競賽、3D 打印大賽、PLC 競賽、工程訓練競賽、大學生創(chuàng)新項目、教師的橫向縱向科研項目、校企共育（依托校企共建的智能制造聯(lián)合實驗室進行[14]）等實踐活動，通過設計方案解決實際問題進一步檢驗AMT 實訓效果，并以此為依據(jù)調整平時實訓的重點和方向。同時建設相關網(wǎng)上教學資源和虛擬仿真實驗環(huán)境，實行實驗室24 小時開放，滿足學生課外實訓教學和創(chuàng)新制作的需要。

（三）開展AMT實訓的課內外混合式開放教學模式探索

為滿足學生課外實訓教學和創(chuàng)新制作的需要，探索在多層次實訓模式的基礎上，引入課內外混合式開放教學實訓模式作為補充。該實訓模式以學生為主體，通過課程網(wǎng)站教學資源、虛擬仿真平臺和實驗室開放管理系統(tǒng)的建設和使用，建立開放性教與學的互動機制、管理機制和評價機制，為進一步提高學生主動訓練的積極性、安全性和創(chuàng)新能力營造良好的實訓環(huán)境。

我校工程訓練中心依托省級虛擬仿真實驗教學示范中心和省級實驗教學示范中心，建立了課程網(wǎng)站、虛擬仿真平臺、實驗室開放管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和相關硬件設備，也完善了AMT 實訓課外開放教與學的互動機制。首先，中心通過課程網(wǎng)站、中心網(wǎng)站等網(wǎng)絡平臺發(fā)布可供學生隨時下載使用的AMT 實訓相關的課件、操作視頻等資料。其次，學生利用PowerMill 軟件、鳳凰創(chuàng)壹虛擬仿真平臺、VisualOne 智能工廠虛擬仿真平臺等開展網(wǎng)上虛擬仿真訓練，同時中心以省級虛擬仿真實驗教學中心驗收為契機，推進中心立項的1 項省級虛擬仿真實驗教學項目和3 項校級虛擬仿真實驗教學項目的建設和利用，進一步完善了先進制造技術網(wǎng)上教學資源和虛實結合實訓模式。最后，當學生完成線下實體實訓等所有項目以后，能夠在中心開設的互動交流平臺上，可在線提出AMT 實訓的相關問題和意見建議，也可對指導教師提出建議，通過這種閉環(huán)反饋機制，進一步改善教學效果。

為加強AMT 實訓的開放管理，我校進一步推進實驗室開放預約管理系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)的完善建設和使用，特別是繼續(xù)推進了中心先進制造設備相關實驗室的門禁系統(tǒng)、刷卡取電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的完善建設。因此，在這些系統(tǒng)的配合下，當中心先進制造設備處于空閑時間段，本校學生就可以在網(wǎng)上提出使用申請，經(jīng)中心管理老師審核通過后，學生只需刷校園卡就可按約定時間進出實驗室和使用設備，老師也可通過監(jiān)控系統(tǒng)對學生進行實時動態(tài)監(jiān)控，從而真正實現(xiàn)24 小時開放管理。

同時，為驗證和提高該種教學模式的教學效果，研究構建三位一體的評價機制即學生評價（線上師生互評平臺）、督導團評價和教學成效評價（競賽成績反饋評價、用人單位企業(yè)評價）。

（四）設計AMT實訓的實施方案

總體教學規(guī)劃確定后，還要設計具體可行的實施方案來保證教學目標的順利完成。針對AMT 項目參訓學生多、臺套數(shù)少的情況，我校摸索出一系列具體的實施方案。一是依照AMT 設備的安放地點和臺套數(shù)，將先進制造設備劃分成五個分項目。數(shù)控車和數(shù)控銑為單元1；電加工和3D 打印為單元2；PLC 為單元3；協(xié)作機器人和工業(yè)機器人合為單元4；激光加工和柔性生產(chǎn)線作為單元5。每個單元的設備有獨立的安置場地，同一單元內的不同工種也有各自單獨的實驗室，一班學生分成2 ～3 組，每組約二十幾人，如此劃分不僅可以避免不同實訓項目學生聚集一起，而且每個單元可接受1 個班學生，五個單元就可同時容納五個班學生開展訓練，大大提高了設備利用率和實訓效果。二是五軸加工機床和PowerMill 軟件可作為先進制造實訓的一個緩沖，如果AMT 項目某臺設備突發(fā)故障，該組學生可調整到PowerMill 實訓，這樣AMT 實訓將會更加靈活有保障。三是要求實訓老師要“一崗多能”，每人需至少具備兩項AMT 實訓項目的指導能力，以保證新增教改的順利落實。

在實訓內容和教學方法方面，也做了一些細致的設計。第一，AMT 實訓不但要讓學生接觸和了解前沿的先進制造技術細節(jié)，更應培養(yǎng)他們整體的工程思維。設計各項目的內容時，要遵循“以項目為驅動”，以制作一個完整的產(chǎn)品為載體，貫穿整個實訓過程的方針，例如，為了調動學生的興趣，我們以制作“無碳小車”為載體，貫穿工程訓練的整個過程，同樣，在各項AMT 實訓中，我們也把制作“智能小車”貫穿整個AMT 實訓中，如激光加工可加工小車的零件，打標機可打標學號，3D 打印可制作小車備用件等，讓各個分項目訓練合成一個有機的整體。第二，針對各個AMT實訓項目的特點，要采取相適應的教學方法。如激光加工和3D 打印這兩個分項目具有較強的直觀性和可操作性，參加實訓的學生興趣很大，我們要優(yōu)化講解內容和流程，把更多的時間留給學生們動手操作。柔性生產(chǎn)線由于實體占地面積大，集成度高，學生很難從全局掌握，可采用虛實結合的教學方法，通過虛擬仿真軟件塑造學生整條生產(chǎn)線的全局思維，結合實體實踐，達到以虛補實、虛實結合的教學效果。第三，有些實訓項目，雖然以演示為主，但要求指導老師注意調動學生們的主觀能動性，實訓前要求學生預習并布置一些思考題，讓學生們帶著問題進行訓練，提高實訓效果。第四，在具體訓練中，可引入思政教育，介紹我國先進制造技術與世界發(fā)達國家的差距，培養(yǎng)學生的責任意識，激發(fā)學生們的學習熱情。第五，針對不同專業(yè)的學生，介紹與他們專業(yè)相關的先進制造技術，拓寬學生們的知識面，啟發(fā)學生們的創(chuàng)新思維。

三、教學改革成效

經(jīng)過實踐和完善后，我校多層次課內外混合式的先進制造技術實訓開放教學模式形成了一套有效的教學運行管理機制，取得了初步效果。

1.統(tǒng)一了對先進制造技術實訓的認識，明確了具體實訓項目，讓AMT 實訓有了標準可依。

2.大大擴展了學生的學習時長，激發(fā)了學生的學習興趣，調動了學生課內課外的學習積極性，提高了學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力，提升了先進制造的實訓教學效果。近些年我校現(xiàn)代工程訓練中心培養(yǎng)了許多熟練掌握先進制造設備的學生，這些學生不僅在省部級的大學生工程訓練大賽和創(chuàng)客大賽等比賽中屢獲佳績，也在大學生創(chuàng)新訓練項目中積極進取并發(fā)表了一些論文和專利。在第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中我校獲全國一等獎1 項，全國三等獎3 項；在第七屆福建省大學生工程訓練綜合能力競賽中獲一等獎6 項，二等獎3 項，三等獎8 項；在第八屆福建省大學生工程訓練綜合能力競賽中獲特等獎2項，一等獎1 項，三等獎5 項。截至目前，中心培養(yǎng)的學生參與了《基于PLC 和KUKA 機器人的圓料車削自動生產(chǎn)線的設計》等20 多項的大學生創(chuàng)新項目，發(fā)表了10 多篇論文和申請授權了40 多項專利。

3.我校工程訓練中心的相關課程和教學質量得到了檢驗和提高，中心的課程和教學分別獲評省級一流課程和省級教學成果一等獎。

四、結束語

我校從現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢和AMT 的本質特征分析，統(tǒng)一了AMT 實訓的重要性認識，明確了系統(tǒng)化的AMT 實訓要包含先進制造工藝、自動化和綜合性三個特征，構建了多層次、項目驅動、線上線下、虛實結合的課內外混合式AMT 實訓教學體系，該體系打破了課內與課外、時間與空間、理論與實驗的界限，擴展了學習時長，提高了實訓效果，為其他高校先進制造技術實訓基地的建設及其實訓教學提供一定的借鑒和參考。