智能制造背景下的自動化特色專業課程體系重構

楊延麗，劉殊男

1.長春汽車工業高等?？茖W校，吉林長春，130013；2.長春科技學院，吉林長春，130600

0 引言

專業建設離不開課程體系的改革，而課程體系改革需要依托當前和未來的產業發展趨勢，在智能制造大背景下，自動化專業課程改革離不開智能制造背景下的技術路線和人才需求。通過分析當前智能制造發展現狀和人才培養問題，結合當下對人才的需求，本文通過專業課程交叉融合、新課程開發、虛擬實驗室建設等方式給出了課程體系重構的思路，從根本上解決了畢業生與企業專業技術人才需求的鴻溝，使得畢業生能夠快速地勝任企業工作，為未來的專業發展做好知識、技術儲備。

1 智能制造發展現狀及趨勢

目前國內許多高校都在著力建設智能制造與服務特色專業學科，如重慶工商大學機械工程學院依托重慶市的三特行動計劃，提出了專業群建設的思路，以錯位發展、優勢互補、學科融合、資源共享、培養科學創新團隊為舉措，構建面向智能制造與服務特色學科專業群、與“新工科”人才培養目標相適應的人才培養體系[1]。最近國內已經將人工智能、智能制造工程、智能科學與技術等一批專業列為新興專業。這些專業依托于信息技術與自動控制的發展，是傳統專業與現代需求相結合的產物。由中國電子技術標準化研究院編制的《2020年智能制造發展指數報告》中指出，在“十三五”期間，制造業企業在不斷向數字化、網絡化、智能化方向發展，企業的相關基礎設施建設、信息技術應用不斷向前推進。國家也相繼出臺了多項標準，如《智能制造能力成熟度模型》《智能制造能力成熟度評估方法》等，為制造業高質量發展、提升智能制造能力提供了參考和依據[2-3]。隨著智能制造技術的發展，要想建設自動化特色專業，必然要緊跟時代發展的步伐，使自動化的專業課程體系體現出新技術、新理論、新方法。在培養應用型人才及產業合作上，英國于2011年提出了“以學生為中心的教育體系”，并指出就業能力是大學申請者關注的首要因素，通過合理的課程設置及實施機制、產學合作與互動機制、專門制定就業能力培養計劃等來實現應用型人才的培養[4-5]。文獻[5]分析了工業自動化中應用的智能制造技術，這對我們在智能制造背景下培育優秀的工程應用型人才提供了好的思路。總之，建立基于行業標準的課程開發機制，進行大學課程創新，加強學科交叉融合，創新產學合作與互動機制是建設面向智能制造的自動化特色專業的必由之路。

2 當前自動化課程體系存在的問題

2.1 專業課程內容陳舊，與企業需求不匹配

當前智能制造領域發展十分迅速，文獻[6]給出了智能制造技術清單，整理出2035年的智能制造技術預見和路線圖，提出了包括面向產品設計和工藝的知識庫、離散智能工廠、智能建模與仿真技術、數字孿生技術、智能工業網絡等在內的27條智能制造技術清單，顯然智能化生產、網絡化協同、規?；ㄖ?、服務化延伸及數字化管理等多種新業態、新模式加速涌現，各種新技術組合成為主流應用模式，實現優勢互補。這些既是當前企業發展的關鍵技術，也是企業對人才的需求，而當前自動化專業人才培養方案的培養目標定位不合理、規劃期較短、綜合能力要求不全面，課程體系成果導向不夠、課程內容陳舊[7-8]，學生實踐能力培養不足，理論與實踐脫節，與當前企業所需的畢業生知識儲備、專業技術能力不匹配，急需對課程體系進行重構，形成以智能制造為特色的課程體系，服務于智能制造大局。

2.2 學科融合欠缺，特色不明顯

當前的自動化課程體系存在學科融合欠缺、專業課程注重各種專業基礎知識培養等問題，因此無明顯特色，不易樹立品牌形象，導致學生就業缺乏競爭力。鑒于此，應充分發揮智能制造學院各專業的優勢，深化學科之間的交叉融合，并融入新技術、新工藝、新方法，形成優勢學科專業，拓寬學生視野，以培養學生職業能力為核心，建設新的課程模塊，實現提高畢業生崗位勝任能力的目標，同時也能為學生畢業后五年的職業發展打下良好的專業基礎。

3 課程體系重構

課程體系重構主要包括通識教育與學科基礎課程整合、與其他專業課程交叉融合、傳統方向專業課程的優化、仿真實踐創新平臺整合與綜合項目開發、創新實踐項目等。在扎實專業基礎課程、強化數理基礎的同時，增加數字化制造、數字化工藝過程仿真等課程的開發，引導學生初步掌握數字孿生在工控領域的應用，掌握先進的設計方法，通過學科間的交叉融合，使得學生所學知識能夠與智能制造需求相對接，并為五年內的專業發展提供較好的基礎保障。課程體系重構框架如圖1所示。

圖1 課程體系重構框架

3.1 通識教育與學科基礎課程整合

通識教育與學科基礎課程整合：將專業英語與大學英語整合成一門課程，豐富專業英語素材，引導學生養成良好的查閱文獻、閱讀文獻的能力；靈活設置該課程的學習區段，學生可在大學前兩個學年對其進行學習；其他通識課程不變。

3.2 學科交叉融合

根據中國制造業的需求，應將企業需要的最新技術、工藝、手段、設計方法引入課堂[6]，著力培養學生進行系統設計、分析和調試的能力。智能制造離不開自動化技術與其他學科、專業的交叉融合，根據學校自身的發展情況，應將自動化與計算機、網絡、電信及機電等專業進行交叉融合，定制選修模塊課程，學生可根據自身發展需求選擇各模塊課程，而這些專業課以考查課的形式進行考核。這樣既可以擴展學生的視野，也可以有效利用教師資源，增進不同學科之間的交流及合作。學科交叉模塊設置如下。

（1）運動控制模塊：主要將自動化技術與計算機技術相融合，將控制理論與實踐相結合，學生重點掌握數據結構、智能控制算法，并進行伺服控制系統及變頻器組成的控制系統軟硬件設計。該課程可以與傳統的電氣控制與PLC、PLC高級編程等課程相結合，形成接續關系，培養學生的運動控制系統分析設計能力。

（2）機器人模塊：機器人模塊需要學生掌握工業機器人及小型機械臂的應用基礎、安裝調試、操作基礎、離線編程技術、虛擬仿真等。上述內容均應以實踐為主，可以采取理實一體的方式，通過項目化教學實現教學目標。

（3）工業網絡模塊：學生能夠掌握工業以太網的技術背景、網絡配置、環網冗余網絡、無線通信、實時通信、防火墻通信、環間冗余網絡、虛擬網絡VLAN、組播實驗等，初步了解工廠網絡工程設計方案，具備網絡結構設計、工業信息安全策略設計、設備選型、系統實施及測試的能力。

（4）數字孿生模塊：以實現數字孿生為重點，實現自動化專業與機電專業交叉融合，讓學生系統掌握西門子工業軟件的應用，并以生產數字化為主題，引導學生掌握NX-MCD、TIA Portal、Tecnomatix Process Design及Tecnomatix Process simulate等軟件的使用，實現建模、仿真、虛擬調試、掌握AR/VR技術，使得學生具備數字化設計的基礎。數字孿生技術既可以鍛煉學生的產品數字設計能力，也可以減少實驗設備匱乏對開展實驗教學造成的限制，使得學生能夠從設計、仿真、加工、產品裝調等生產全過程去了解數字智造的內涵，從而提高學生的應用能力。

3.3 傳統方向專業課程優化

電機控制技術、自動控制原理、信號與系統等課程與Matlab仿真技術相結合，降低了公式推導要求，使得學生側重于應用科學的計算軟件去分析、驗證、設計控制系統，提高學生的應用能力。PLC課程摒棄原S7-200落后的軟硬件知識，采用基于s7-1500、S7-1200及TIA的軟硬件來設置課程，系統地幫助學生掌握最新的PLC軟硬件知識，并與NX、factory等軟件聯合使用，實現虛擬調試。經過在競賽的社團中引入這些先進的軟硬件試點，發現學生的興趣大大增加了，學生不僅能夠完成教師布置的任務，更能夠通過各種網絡、論壇資源對軟件的應用案例進行深入挖掘，極大地提高了學生的積極性，因此這種經驗可以通過課程改革、教材改革將成果惠及所有學生，總體上提高學生的學習氛圍及專業技能。

傳統課程改革離不開教材的改革，學?？筛鶕嶋H情況，與企業合作共同開發教材。如在校企合作中，機器視覺是學生實習就業的熱門方向，企業提供了實訓的設備，并在學生實習前對學生進行專業的機器視覺培訓，且為了使學生建立基本的機器視覺思想，還開發了部分機器視覺案例，實現多功能數據采集、人機交互及智能識別系統，培養了學生的軟硬件開發工具應用能力。這些案例可通過校企融合進行優化完善，形成系列化教材，使得新工藝、新技術、新方法能夠融入其中，與企業需求相對接，更加注重對學生能力的培養，且提高了與企業的需求對接程度。

3.4 仿真實踐創新平臺整合與綜合項目開發

課程的改革離不開平臺建設和項目的開發，學校應充分利用現有資源進行整合以形成以仿真實踐為主的創新平臺，并根據新的課程標準要求開發綜合性的實驗項目。

如對我校高級智能測控綜合實驗臺、工業數字化網絡實訓平臺、智能家居測控平臺、機器視覺采集平臺、模塊化工程機器人套件、“探索者”機械原理套件、工業機器人實訓系統、在線虛擬機器人仿真軟件、工業自動化3D虛擬仿真控制系統、機器人控制套件等平臺系統進行整合，開發相應的綜合實踐項目模塊，可分為通用模塊及個性化定制模塊，以此既能滿足學生通用知識及技能的培養，也能根據學生的興趣進行個性化培養。建設仿真平臺時，需要建設與新課程體系相匹配的虛擬仿真平臺，這類仿真平臺可與已有課程配套使用，也可以配置好NX等軟件服務于新開設的課程，通過仿真平臺實現虛實結合，培養學生的工程設計思維，提高實踐技能。

3.5 專業學科競賽模塊開發

專業學科競賽是培養學生綜合素質的一個途徑，能夠很好地培養學生自主學習能力、創新能力及專業知識的綜合應用能力，培養學生百折不撓的精神。根據以往經驗，能夠參加學科競賽的學生人數覆蓋率并不高，因此，將學科競賽引入教學中是將大賽的成果推廣和惠及所有學生的一個重要途徑，也是以賽促學、以賽促教、以賽促改的重要途徑，可根據學校實際軟硬件建設條件，結合各競賽特點單獨設置相關模塊，在大學第三學期開始推行，根據各學科競賽安排進行特色課程模塊化建設。如三菱電機杯全國大學生電氣與自動化大賽，涉及伺服電機、變頻器、FX-5U系列PLC、編程、畫面設計、電氣制圖、設備裝調、虛實同步等多方面的知識，教師可將該項目進行整合，學生可分組對項目進行學習、創新和探索，這樣既可以讓學生對整個項目實施過程有深刻認識，提高其參與這些競賽的能力，更能夠培養學生的工程設計思維，提高學生實踐技能，鍛煉學生的意志及團隊協作能力，拓寬學生視野，為學生未來的就業及深造打下基礎。同樣也可將西門子中國智能制造挑戰賽引入課堂。西門子智能制造挑戰賽分為多個賽項，高?？筛鶕嶋H情況選擇相應的賽項開發相應的模塊，如離散運動控制、離散自動化、協作機器人、信息化網絡化等賽項，這些賽項轉化為教學模塊能夠有助于更新教學內容，如電氣控制與PLC課程，教師可以由原來的S7-200更改為S7-1200及S7-1500，軟件也由STEP7更改為更為強大的TIA，通過將競賽引入課程，有助于提高學校的軟硬件建設水平，將大賽成果惠及更多的學生，提高學生的綜合實踐能力和工程應用能力。

4 結語

立足應用型本科教育，建設具有特色自動化專業需要從課程體系重構上入手，將智能制造與自動化相關專業理論與技術提取出來，結合我校實際及同類高校自動化專業的發展經驗，以智能制造及人工智能領域快速發展為契機，從自動化專業課程體系重構與教學方法改革，指導仿真及實踐平臺建設，最終形成以服務智能制造為特色的自動化專業建設方案。雖然應用型本科教育與職業本科教育不同，但有許多相通之處，課程體系重構思路也可作為電氣自動化技術專業職業本科教育的一個參考。