基于新工科建設的“智能制造生產系統數字化驅動技術”課程建設與教改探索
——以上海建橋學院為例

董嘉偉 張迪 劉立華

上海建橋學院 上海市 201306

1 引言

《智能制造生產系統數字化驅動技術》是一門以數字孿生與仿真技術為主的課程，要在生產線上進行數字孿生，首先要進行設備同步，就是以真實的生產線為基礎，搭建一套虛擬生產線，通過對真實生產線上每一臺設備進行3D 建模，并將建好的3D 模型放置到場景內，實現真實生產線和虛擬生產線一一對應，然后進行數據同步，真實的生產線是通過PLC 驅動，讓設備實現一些既定動作，我們通過采集PLC 的數據，來驅動虛擬環境下相應的設備模型進行同樣的既定動作，實現真實設備與虛擬設備實時聯動，有了這些，我們就可以實現生產線的實時監控，監控人員只需要坐在控制室內，看著虛擬的生產線，就可以了解真實車間的實時狀態，不需要到車間進行巡視檢查，而且通過虛擬生產線的3D 可視化效果，能清晰了解到真實設備的實際生產狀況。

為應對新一輪的產業變革，教育部先后多次組織新工科建設研討會，形成新工科建設的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，提出了新工科建設整體發展思路。根據“教育部辦公廳關于公布首批‘新工科’研究與實踐項目的通知”要求，新工科建設相關高校應把握好新工科建設的內涵，統籌考慮“新的工科專業、工科的新要求”，創新教育模式。我國智能制造工程技術人才儲備不足，缺乏系統規范的人才培養體系和有效的人才培養模式，多為相近專業兼顧培養，其培養目標、課程體系、教學資源、師資隊伍等均未形成專業化和系統化，不能滿足智能制造產業的需求。

上海建橋學院地處上海市臨港新片區，其作為科創中心主體承載區，強勢發力智能制造，聚集智能高端產業，建設國際智能制造中心，以專業園區為載體，重大項目為抓手，功能平臺為支撐，積極推動技術應用和產業化。同時，上海市經濟和信息化委員會發布了“上海市智能制造行動計劃（2019-2021年）”，進一步推廣應用智能制造新模式，把高端制造打造成城市的新名片。

在“互聯網+”新時代，高等教育正處于從外延發展到內涵發展轉型的關鍵階段，教學資源庫是“互聯網+高等教育”的重要實現形式，必須要緊緊抓住內涵發展的主線，適應教育形態的革命，在人才培養的內涵發展上下功夫，不斷提高人才培養的質量，建設一流本科教育。建設優質教學資源庫，正是在這一背景下解決部分重點領域教學資源短缺關鍵痛點，推進新工科建設實施的一大舉措。

2 《智能制造生產系統數字化驅動技術》課程建設

《智能制造生產系統數字化驅動技術》課程有兩大部分組成，以數字孿生與仿真技術為主，以生產系統集成與調試為輔，其中數字孿生方向涉及內容包括：數字孿生建模、工廠規劃與仿真、工程規劃與仿真、可編程控制器程序設計、組態界面設計以及虛擬調試和人因工程等，使用的軟件包括Process Simulate 以及博途V16 等西門子數字孿生技術系列軟件，是一種基于控制邏輯事件驅動的虛擬仿真過程。生產系統集成與調試模塊主要對工站進行實際操作，并結合數字孿生技術實現虛實聯調的功能。通過本課程的學習，學生能在仿真環境中，學習設計完整的自動控制生產線，并能培養學生的獨立分析問題以及解決問題的能力。

2.1 課程框架設計

本門課程以培養學生工程思維、協作性思維、系統性思維、分析思維為主，以培養個人技能與態度、創造性思維、實踐性思維為輔。通過多元的教學目標，提升學生的價值、知識、能力與素質。《智能制造生產系統數字化驅動技術》課程框架主要分為三個方向，分別是思維養成、專業應用與工程實踐。思維養成主要培養學生的基礎理論知識，對模型的創建、布局裝配、操作定義有一個基本的了解。專業應用則是在課程中使用成熟的項目模型，為學生講述相關行業中的設備運行原理，并且展示我們是如何通過PS 與PLC實現相關數字化驅動技術的。而工程實踐中包含項目實踐與開放性大作業，其中項目實踐是成套的項目模型，學生需要利用所學到的知識，將項目模型進行定義設計、智能對象創建、信號綁定等，還需要在博途軟件中進行驅動程序編寫與聯調。極大地培養了學生的工程能力，通過開放性大作業，讓學生自行選擇主題方向，并與同組的學生進行分工合作，以培養學生的協作能力與創造性能力。通過混合式學習、移動式學習、沉浸式學習、協作學習與案例學習，最終實現目標，達成評價，同時課程資源的建設將持續改進。

2.2 從OBE-CDIO 到新工科建設

OBE-CDIO 工程教育實質上是培養未來工程師的創新教育框架，包括12 條CDIO標準和380 多條CDIO 能力大綱。標準是實施OBE-CDIO 工程教育綜合改革實踐和評估的準則，能力大綱則對學生在專業知識之外的能力和職業素質提出較全面的要求。這一教育模式回答了“工程師需要具備哪些知識、能力和態度”以及“工程教育如何使學生具備這些知識、能力和態度”兩個核心問題。

新工科建設是在“卓越工程師教育培養計劃”的基礎上，提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃，具有反映時代特征、內涵新且豐富、多學科交融、多主體參與、涉及面廣等特點，新工科建設需要高校與行業進行深入接觸，了解企業需要什么樣的人才，同時，高校需要邀請企業人士參與到高校的人才培養模式中。探索建立新工科建設的新理念、新標準、新模式、新方法、新技術、新文化，實現從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉向支撐引領。

2.3 多媒體資源建設

依托超星學習通平臺建設在線開放課程，推進數字資源、優秀師資、教育數據共建共享，開展線上線下混合教學，深化教法改革，實施教師分工協作模塊化的教學模式，推動課堂改革，改變學生學習習慣和行為模式，促進學生自學、泛在和個性化學習。同時超星學習通平臺能起到檢測監督學生學習狀態，并發起線上討論的作用，對于這類內涵新且豐富、多學科交融、多主體參與、涉及面廣等特點的課程而言，具有非常好的效果。

2.4 能力等級劃分

結合多媒體資源建設的優勢，本課程將采用案例教學法將實驗劃分成初級、中級和高級3 個階段等級，每個階段所需要具備的能力也各不相同。

初級階段是課堂中所講述的知識點，包括軟件的安裝、工程的新建與保存、數據模型的導入、裝配仿真、設備定義、機器人仿真，其主要目的是為了解決裝配規劃與驗證、機器人與自動化規劃驗證。裝配規劃與驗證主要用于規劃驗證產品在裝配過程中是否存在錯誤，是否存在干涉碰撞的情況，把產品、資源和工藝操作緊密結合起來，分析產品裝配的順序和工序順序，驗證裝配工裝夾具的動作，產品裝配流程仿真、驗證產品裝配工藝性，以達到及早發現問題、解決問題的目的；機器人與自動化規劃驗證則是用于創建機器人和自動化制造系統的共享工作環境，不僅能處理單個機器人和工作平臺，也能處理多個機器人協同的情況，還能滿足完整生產線和生產區域的仿真及驗證要求。

中級階段將進一步學習機器人路徑規劃、生產線仿真模式下CEE 模式控制與PLC 模式控制、物料流表設定以及各項信號的設定，并通過PLCSIM Advanced 軟件實現可編程控制器程序集成控制與調試虛擬設備的能力，進一步增加機器人與自動化程序編寫的能力。其中除了本課程所設計到的工藝過程控制仿真軟件Process Simulate 之外，還需要掌握博途PLC 編程軟件的程序設計能力以及觸摸屏界面設計的能力。

高級階段將需要掌握具備利用虛擬三維技術進行工廠布局設計，對工廠產能、物流進行分析和優化，能在工廠正式施工之前，提前發現工廠設計中可能存在的問題和缺陷，避免企業的損失能力，即工廠設計及驗證優化能力；同時能結合實際產線進行虛實聯調能力，完成真正意義上的數字孿生技術。此階段將不再課堂上進行，依托超星學習通，給學生提供豐富的學習資源，教師只需提供答疑服務即可。

2.5 融合課程思政元素

理學與工學類專業課程要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。

本課程屬于工科類專業課程，要注重強化學生的工科倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

3 具體教學改革措施與實施效果

《智能制造生產系統數字化驅動技術》的課程建設實施采用雙主線的教學模式、三階段的教學設計以及多形式的教學活動作為指導方針，進一步提高學生對本課程的參與度。

3.1 雙主線教學模式

雙主線模式將理論與實踐有機融合，課內進行知識傳授、課外進行項目設計。以過程引導課程，課程的知識點通過課程項目的載體展開并得到應用。教師將作為引導者和陪伴者，在課內外指導學生，學生將作為工程實踐的主體，以小組的形式自主完成項目。

3.2 三階段的教學設計

課前學生通過超星學習通的學習，進行看視頻、做練習，確保提前了解課程中所需要使用的軟件功能，課程中進行測試、習題分析、針對性講解、討論，課后進行作業布置與下講預習。

3.3 多形式的教學活動

由于課程涉獵面廣，概念較繁雜且抽象難懂，目前主要以案例教學法開展教學，但有限的90 分鐘課堂時間里學生完成多元教學內容難度較大，因此學生除了可以利用課余時間進行超星學習通的學習以外，還可以利用空余時間參加不定期舉行的學習活動，上海建橋學院機電學院每個學期都會舉辦多次與數字孿生有關的學習活動，利用假期時間進行啟發式教學與項目式教學，讓很多學生能夠提前學習或者鞏固知識點。該項舉措不僅有效利用了學生的課余時間，還能提高學生的學習熱情。

同時每學年我們學校會舉辦相關校內競賽《智能制造生產系統數字化驅動大賽》，邀請學習過相關課程的同學參加競賽也邀請還未學習過的同學自行加入超星學習通學習后參加競賽，以便學生在學完相關課程后能繼續對相關技術持續的深入學習，激勵學生進行自主學習，推動學習方式的深度變革。同時校內競賽成績優異的同學將受邀參加校外競賽繼續深造學習，如中國大學生機械工程創新創意大賽智能制造大賽、“四大品牌”職業技能大賽、全國技能大賽世賽項目全國機械行業選拔賽等。

在這些活動過程中，學生除了能得到校內的各項資源，如素質拓展學分、假期培訓等，還將獲得來自企業的培訓以及實習機會，大大提升了學習動力，我校在近兩年相關賽項中取得了不錯的成績，獲得過智能制造大賽全國總決賽綜合成績二等獎、多賽項單項一等獎的成績，有效的激發了學生們的積極性。

3.4 評價多元耦合

學生的成績構成將分為以下六大模塊：

課程項目的過程性評價（10%）：評判人為教師評價+校內外工程師評價+學生互評；

課程項目的結果性評價（20%）：評判人為教師評價+工程師評價+學生互評+組內成員互評（個人貢獻因子）+校內其他師生+行業專家+校友。通過項目答辯和項目展示，各方參與，評分評獎；

線上學習測試（10%）：平臺學習的討論參與和測試，檢查學生基本概念的學習情況；

線下學習練習（10%）：每周的實驗都需要布置作業，及時批改，返回給學生；

基本應用測試（15%）：以基本概念的應用為主，檢驗學生課堂基本內容的學習情況；

綜合應用測試（35%）：測試課堂知識的綜合應用和靈活應用。

4 結語

教育的核心是育人，而育人的核心是育德，在進行知識教育的同時，我們也要加強課程思政的融合，在習近平總書記思想指導下，將中國智造、工匠精神、團結協作、學術誠信、知行合一融入課程之中，將蘊含的大量思政元素和課程教學有機融合，春風化雨，潤物無聲，激勵學生德智體美勞全面發展。