打破知識壁壘
——智能制造工程專業建設探索

陳樹君，張自強

（北京工業大學 材料與制造學部，北京 100124）

智能制造是未來制造業發展的重大趨勢和核心內容，同時也是我國從制造大國向制造強國轉變的重要抓手。特別地，北京始終圍繞構建“高精尖”經濟結構發展制造業，依托京津冀區域優勢聯手打造世界級先進制造業集群。在龐大的智能制造產業需求牽引下，培養智能制造工程專業的高素質創新型人才迫在眉睫。教育部自2017 年開始審批開設智能制造工程專業，至今開設該專業的高校已達兩百余所，北京工業大學是較早開設智能制造工程專業的高校之一。

智能制造工程屬于新興專業，現階段，許多高校都對智能制造工程專業的建設提出了新思路、新方法，具有很好的借鑒意義。例如，吉林大學徐飛等針對于智能制造工程專業缺乏系統化實踐的問題，構建了“自動化+數字化”為核心的智能制造實訓平臺，可以提高學生解決復雜工程的能力，拓展學生對于創新實踐的視野。蘇州大學孫茜等從多學科交叉融合模式、開放式探究性教研一體化教學模式兩個方面對教學培養模式進行了探索性的研究，并對雙導師制度、產教融合模式等提出了探索性建議。此外，蘇州大學陳良等從新工科和工程教育認證的核心理念出發，探討了智能制造工程人才培養定位、專業建設框架、課程體系、支撐條件、機制創新等問題。新的研究成果的不斷涌現為智能制造工程專業的建設提供了寶貴的經驗。

智能制造貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有知識內容多、體系復雜、各環節聯系緊密等特點。為提高學生對智能制造體系的認知，提升面向多環節綜合能力，北京工業大學圍繞本專業“立足北京、輻射京津冀”的發展目標，結合智能制造特點和京津冀地區對智能制造領域專業人才需求，以典型產品為核心、以虛實結合為手段創新課程體系，同時鼓勵任課教師在科研上形成貫通機制，從而打破知識壁壘，提升學生綜合能力，旨在為京津冀地區輸送智能制造領域高素質創新型人才，同時為全國高校智能制造工程專業建設提供新的思路。

一、貫通課程體系，打造內容主線

（一）突出主線思維，利用核心產品提高知識依附性

隨著高校課程建設的不斷推進，課程內容豐富性、教學手段多樣性等方面都取得了很大進展。然而，多數情況下，由于不同課程的教師缺乏有效溝通，尤其是跨度較大的專業課程在知識內容上缺乏連貫性，學生學到了“知識”，而沒有學到“體系”，學生難以將不同專業課程的知識內容融會貫通。特別地，智能制造覆蓋產品生產全流程，由于學生缺乏對生產過程全局性的準確認知，難以在解決智能制造領域復雜工程問題的過程中將知識進行靈活應用。這與智能制造面向產品全生命周期的體系特點相悖，專業能力受到很大限制。

為此，北京工業大學結合智能制造特點，面向專業課程不斷強化主線思維，以某一核心產品的全生命周期為牽引，課程體系覆蓋其創意、設計、制造、生產管理和產品運維的產品全生命周期過程，通過為課堂教學內容設置“主線”，提高專業知識的依附性。例如，以口罩機為對象，各課程分別圍繞口罩機的典型機構數字化設計、機構力學性能建模及多目標優化、工藝設計及仿真分析、智能傳感器及控制系統工作原理等開展教學，如圖1 所示。一方面，知識傳授從傾囊相授變成了有的放矢，學生帶著實際問題去學習，目的性更強，實現了專業知識的即學即用；另一方面，由于不同專業課程所講授的知識都依附于口罩機這一對象，專業知識的連貫性得到很大提高，在一門專業課程中引入其他課程專業知識解決實際問題成為新常態。不同專業課程教師圍繞同一典型產品的交流，也有助于豐富課程內容，便于學生理解。通過打造課程主線，不僅讓學生學好專業知識，還能用、好用，并在不同課程中接著用，提升學生的綜合能力。

圖1 貫通式課程體系

（二）轉變實踐理念，兼顧對象唯一性與內容多樣性

現階段，競賽類、實習類等實踐方案不斷涌現，為學生提供了良好的實踐平臺。然而，對于智能制造工程專業而言，現有的實踐方案仍然存在以下問題：一是實踐內容大多只針對某一課程所涉及的知識內容，不同實踐內容對知識的覆蓋呈現碎片化，缺乏有效銜接，難以體現產品全生命周期的概念；二是未能讓學生通過實踐了解智能制造過程中所體現出的數字化、信息化、智能化的特點，可行性與前沿性未能有效融合；三是大部分綜合實踐環節均集中在某一時間段內進行，學生在畢業時解決復雜工程問題的綜合能力不強。

北京工業大學積極轉變實踐理念，打造智能制造工程實踐教學平臺，覆蓋典型產品設計、加工、制造全流程。同時，實踐環節的設置與理論課程內容一一對應，結合實踐教學平臺，實現了不同實踐內容之間的貫通。當所有專業實踐課程結束后，學生可完成口罩機主體部分設計與裝配，并控制口罩機進行口罩的加工。不同課程實踐環節的連貫性大幅提高了學生對不同知識的掌握，提升了學生解決綜合工程問題的能力。與此同時，實踐對象的唯一性并不影響設計思路的創新性與設計方案的多樣性。例如，在產品數字化設計實踐環節，學生可針對口罩機的上下料機構、裁切機構等開展不同方案的創新設計，提出不同的改進方案，機構創新的同時也引導學生在傳感與控制等多環節進行創新實踐，最終兼顧實踐對象的唯一性與內容的多樣性。這一實踐方式也大幅提高了學生的學習興趣。

（三）實現虛實結合，提高專業貼合性與學習便捷性

智能制造具有數字化、網絡化、智能化的特點，新技術手段在智能制造產線上的應用，使得傳統的教學方式已經無法適應先進制造領域的發展。為此，將新一代信息技術應用于智能制造工程專業的課程教學當中，利用虛實結合的教學手段，不僅有利于提高專業的貼合性，使得學生在產品設計、性能分析等環節掌握數字化雙胞胎等虛擬仿真技術，還能夠提高學生對于知識的理解與認識。

在能力培養方面，智能制造工程專業要求學生能夠以數字化方式對產品制造過程乃至整個產線進行虛擬仿真，從而提高產品研發、制造的效率。因此，采用“虛實結合”的手段完成產品及產線的設計、生產、管理等環節是學生所必備的專業能力。為此，利用網絡協同制造軟件集群，在機械、電子、大數據分析、制造執行、工廠自動化、工藝工程等方面完成專業內容的虛擬仿真，由此建成機構設計與仿真、工藝設計與仿真、試驗測試與仿真等集成的虛擬工具鏈，支撐“設計仿真—數字制造—試驗測試—實物制造”的新教研模式。

在教學方式方面，北京工業大學依托國家虛擬仿真實驗教學項目“典型機械產品鑄造成形虛擬仿真”，圍繞專業課程體系，打造多維度、多場景虛擬教學平臺，通過虛實相結合的教學模式，提高學生對專業知識的理解。一方面，通過在虛擬場景中展示典型產品及產線的設計過程、工藝流程、綜合性能等，使學生對智能制造各環節有了直觀的認識；另一方面，通過展示同一場景下典型產品的設計、生產、管理等進行教學，實現對不同課程內容的融會貫通，與基于主線思維的教學體系相融合。此外，利用虛擬場景對智能制造領域前沿技術進行展示，利用現有條件最大限度地培養學生的科研能力與創造力。

二、凝聚科研方向，形成集群優勢

（一）建設科研集群，著力實現教學科研目標一致性

新時代教育教學發展的背景下，需要將科研與教學做到有機結合，一方面，科研是全新的教學內容的來源，為教學內容不斷注入新的活力；另一方面，教學作為有目的、有計劃培養人的活動環節，將為科研提供不竭的人才力量。然而，如果教師單純地將現有科研案例在課堂中進行講授，很容易與主線化的教學內容相悖，并且學生很難找準教師在該案例中所講授的知識內容在整個智能制造系統中的位置，從而造成科研與教學內容脫節。

為此，在智能制造工程專業建設中，提出建設科研集群的思路，即鼓勵不同專業課程的授課教師實現科研方向與所授課程的內容相一致。同時，不同專業課程的教師也將在科研上形成實質性合作，圍繞智能制造領域中的同一項目開展科學研究。一方面，教師能夠在課堂教學中將科研動態與教學內容真正做到相融合，不斷豐富教學內容，并在教學當中潛移默化地與其他課程內容產生聯系，進而強化“主線思維”，推動專業的建設；另一方面，科研方向的轉變有利于教師在新的領域內發揮更大的優勢，加強不同教師在科研上的合作，圍繞智能制造在產品、商業、工廠等不同環境形成聚集效應。通過上述方法，可圍繞產品全生命周期實現教學與科研目標的一致性，同時激發學生的學習熱情，引導學生學以致用，提升學生對本領域前沿問題的認識與探索，最終真正達到培養“人”的教育本質。

（二）深化導師制度，鼓勵學生參與科研提升創造性

智能制造貫穿產品生產全流程，所涉及的環節較多，僅通過課上講授無法使學生全面深入地掌握相關知識。為此，圍繞智能制造工程專業“把學生培養成為富有創新精神和實踐能力的高素質復合型工程人才”的培養目標，利用豐富的教學和師資資源，設置了本科生導師制，鼓勵學生在課堂學習之外，積極參與到導師的科研工作當中，引導學生更多地結合教師科研方向，提高對智能制造相關知識的理解與掌握，增進師生交流，全面提升學生培養質量。

導師制采用教師-學生雙選方式，選配的導師不僅能夠做到為人師表、愛崗敬業，且均為智能制造工程專業的任課教師，科研方向與智能制造關系緊密。導師不僅能夠在學業規劃、職業規劃、人生規劃等方面給予學生指導性意見和建議，更大的優勢體現于實現課堂教學與課后教學相結合，通過圍繞相關科研工作，加深學生對專業課程的理解，培養科研意識與工程能力，提高對智能制造全流程的了解。通過導師制的不斷推進，課程的“主線思維”將進一步深化。同時，在智能制造過程中，教師還可以根據學生的特點，就某一類或某幾類問題進行更深層次的交流，鼓勵學生圍繞一個問題進行深耕，最大限度地使得學生獲得自己想要學習的知識，實現個性化培養。這不僅提升專業能力與創新能力，有利于學生從不同角度理解智能制造的內涵，而且能激發學生的專業興趣，找準自身定位，為今后的發展奠定了良好的基礎。

（三）教學反哺科研，課程建設提高教師主觀能動性

在智能制造新專業的建設過程中，教師需要投入大量的精力進行培養方案的撰寫、授課內容的準備等工作。教學的投入也會對教師的科研起到積極的促進作用，提升科研水平與創新能力。

一方面，在“主線式”教學體系下，教師需要對智能制造上下游環節進行深入了解，才能夠講好自己所負責的課程。通過與其他教師進行交流、到智能制造企業現場參觀調研、閱讀相關文獻等方式，授課教師可對產品全生命周期有全面了解，對于所講授的課程內容在智能制造全流程中的定位有清晰的認識，在提升教學質量的同時，對于圍繞智能制造所進行的科研工作有很大的幫助，使得教師從更廣闊的視角更深入地把握自身科研方向，提高主觀能動性。另一方面，學生在學習的過程中所提出的問題會激發教師新的思考，為教師的科研注入新的靈感。此外，學生在軟件學習、仿真分析等新知識、新軟件的學習方面具有優勢，可以真正地在科學研究中發揮出自己的特長。教學與科研的相輔相成促進二者共同發展，形成良性循環，使得教師在智能制造領域真正做到教學水平高、科研能力強。科教融合體系如圖2 所示。

圖2 科研與教學融合體系

三、智能制造工程專業建設成效顯著

（一）打造“四維”課程體系，建設智能學習工廠

北京工業大學基于上述專業建設思路，圍繞智能制造工程專業建立了包含制造工藝、制造性能、制造裝備、制造產品四個維度的課程體系，覆蓋一件典型產品的創意、設計、制造、生產管理和產品運維的產品全生命周期。同時，打造智能學習工廠，包含工藝設計、性能分析、加工制造、運維管理等產品生產全流程。以工藝流程和功能分類匯集成島，在校內以靈活物流連接成線、成系統，以信息化技術形成跨區域的協同制造模式，使其在工程實踐教育、工業應用上具有更大的適應性，更完整地表達柔性制造、智能制造的內涵。通過以口罩機、保溫杯等典型產品為主線，實現了教學內容與實踐體系的貫通。

（二）科學研究形成合力，建設優勢師資隊伍

北京工業大學材料與制造學部依托十四個研究所，全力打造智能機械研究院，以智能制造領域科研項目為依托，引導教師圍繞所講授的課程內容進行深入挖掘，匯聚了一批科研方向與課程內容高度融合的青年教師，實現了科研團隊與教學團隊的統一。科研上的交流促進了不同課程內容的高度銜接，同時引導學生將基礎知識與前沿內容相結合，學生的個人能力得到了快速提升。隨著課程與實踐體系的不斷完善、科學研究的不斷深入，北京工業大學智能制造工程專業的師資隊伍的優勢不斷凸顯。同時，積極開展師資培養與教學評定等工作，青年教師在智能制造工程新專業的教學水平得到了長足進步。

（三）校企聯合實現共建，打造專業教學平臺

北京工業大學智能制造工程專業與西門子工業軟件（上海）有限公司在人才培養、師資培訓、技術服務和科學研究等方面展開全面合作，通過引進西門子智能制造先進網絡協同制造軟件集群，打造具有北京工業大學特色的智能制造教學與科研平臺，推動教學方法與教學手段改革，為“雙一流”建設注入新活力。同時，圍繞京津冀智能制造發展目標，努力建立網絡協同制造技術創新中心，努力將北京工業大學打造成為京津冀網絡協同制造的大腦，成為北京新的名片。

四、結束語

智能制造工程是近幾年開設的新興專業，如何建設好該專業，不斷培養出適應我國裝備制造業發展趨勢的高素質創新型人才是亟待解決的問題，這也是新工科建設的目標之一。為此，北京工業大學圍繞京津冀在先進制造業方面的集群優勢，不斷開展專業建設與探索。在課程方面，通過為不同學年的課程內容打造“主線”，提高了知識的依附性與一致性，并利用虛實結合的教學手段，提高了學生的認識能力與學習興趣；在科研方面，不斷凝聚科研方向，形成集群優勢，實現了青年教師在教學與科研上相統一，豐富教學內容、提高科研靈感的同時，結合導師制實現了深度與廣度相結合的個性化培養。最終在課程體系、科教融合等方面打破知識壁壘，實現了教學體系的融會貫通。現階段，北京工業大學在智能制造工程專業建設方面已經取得了一系列成果，未來不斷發揮專業建設優勢，以培養出符合國家發展戰略的高素質創新型人才。