智能制造背景下機械類專業試驗教學改革的研究

孫坤鵬，李吉成，楊麗紅，羅月芳

（1.云南工商學院智能科學與工程學院，云南 昆明 650201；2.云南昆船機械制造有限公司，云南 昆明 650201）

1 我國智能制造背景概述

智能制造是基于新一代信息技術和先進制造技術的深度融合，貫穿于設計、生產、管理和服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自適應和自學習等特征，旨在提高制造業質量、效益和核心競爭力的先進生產方式[1，2]。《“十四五”智能制造發展規劃》明確指出到2025年，70%規模以上制造業企業基本實現數字化和網絡化；智能制造裝備、工業軟件技術水平和市場競爭力顯著提升；建設一批智能制造創新載體和公共服務平臺[3]。

智能制造包括產品設計、生產制造、生產管理、運營管理和工業互聯網等多個關鍵場景[4]，從高等教育的角度來看，智能制造相關產業主要涉及機械工程、電子科學技術、信息與通信工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、儀器儀表科學與技術和生產管理等多個學科[5]。隨著我國智能制造業發展的不斷深入，智能制造相關產業對人才質量的需求也隨之不斷提升，對高等教育提出了新的要求，特別是與智能制造相關的新工科專業。機械類專業高校畢業生是支撐智能制造相關產業高質量發展的重要人才隊伍之一，但目前我國部分高校機械類專業教學方式與方法很難為智能制造相關產業培養所需的人才，特別是在試驗教學方面，對智能制造人才培養的支撐較為薄弱[6]。

2 智能制造背景下機械類專業試驗教學存在的問題

2.1 人才培養目標與智能制造相關產業的需求存在一定差距

智能制造是一個多學科融合的領域，其對復合型人才的需求較大，如技術融合型人才、跨學科融合人才等[7]。智能制造不僅對人才的技術性技能有較高的要求，而且對人才的非技術要求也有了一定的要求。目前部分高校機械類專業的人才培養目標較為單一，未能將智能制造相關產業所需的人才較好地融合到人才培養目標中，與人才培養目標對應的教學內容和教學方法也存在一定的問題[8]。

2.2 缺乏智能制造背景下綜合性試驗教學環節

機械類專業傳統的試驗教學環節主要有以下幾個方面：第一，課程本身配套的課程試驗，如機械制圖課程試驗、力學課程試驗、機械設計課程試驗、液壓與氣壓傳動課程試驗、電工電子課程試驗和電機控制課程試驗等；第二，實踐課程，如金工實習、專業實習等[9]。在傳統實踐模式下，學生能對某個課程進行較為深入的學習和理解，但是由于缺乏多課程、多學科的綜合性實踐，很難形成有效的專業知識體系；其次，學生的自主學習能力、溝通協作能力以及自主創新能力沒有得到較為充分的引導和訓練；再次，由于機械類專業需要掌握的課程內容較多，難度較大，人才培養方案中很難有足夠的課時開設交叉學科的課程，缺少交叉學科內容的傳統試驗很難引導學生學習交叉學科的相關知識。

2.3 試驗教學設施亟待更新

試驗教學是機械類專業人才培養不可或缺的要素之一[10]。絕大部分高校都已經建立了與課程相匹配的實踐試驗設施，有些學科發展較好的學校還建設了一定規模的創新中心，但是由于建設時間較長，多數設備只能滿足基本的教學要求，無法滿足智能制造相關的試驗和訓練的要求[11]。同時，由于機械類專業試驗教學設備價值較高，專業建設經費相對緊張，導致設備更新較為緩慢[12]。

3 基于智能制造全過程的試驗教學改革

3.1 智能制造全過程簡述

智能制造全過程環包括設計流程、制造流程、管理流程、運營流程和工業互聯網等5個部分。設計流程可分為設計仿真、工藝設計和生產工程3個環節，制造流程可分為設備執行、生產控制、生產操作和生產管理等4個環節[13]；管理流程可分為產品訂單管理、生產計劃管理、供應商及其產品管理、生產管理、品質管理、交付銷售和客戶支持等環節；運營流程是指產品出廠以后的生命周期流程管理；工業互聯網則是將設計流程、制造流程、管理流程和運營流程有機的融合在一起，實現各個流程的互融互通、協調工作和高效生產，智能制造過程見圖1。

圖1 智能制造全過程示意圖Fig.1 The schematic diagram of the whole process of intelligent manufacturing

3.2 以智能制造產業需求為導向的人才培養方案修訂

分析我國智能制造產業發展現狀以及走勢，調研企業對智能制造人才的需求，確定人才培養目標。以人才培養目標為導向，結合本校學生的基本情況，制定合理的人才培養方案。應注意以下幾個問題：第一，人才培養方案是否能在培養學生技術能力的同時對非技術能力進行有效培養；第二，人才培養方案中的基礎課程是否能滿足學生持續續發展需求；第三，人才培養方案中的試驗教學內容能否在夯實學生專業知識的基礎上引導學生自學更多交叉學科的知識；第四，人才培養方案中試驗教學內容的綜合性能否滿足智能制造相關產業的需求；第五，人才培養方案中試驗教學內容應該分為基礎性試驗和綜合性試驗。

3.3 智能制造背景下試驗教學內容的改革

為了更好地發揮試驗教學的作用，在人才培養方案中將試驗教學分為基礎性試驗和綜合性試驗2個部分，見圖2。其中，基礎性試驗主要指的是單個課程專業試驗，綜合性試驗主要指的是跨課程、跨學科的試驗。對于基礎性試驗內容，應適當改革學生按照試驗指導書進行試驗的傳統試驗教學方式，應適當編排試驗內容，引進先進的教學理念，激發學生對試驗課程的興趣，提高學生自主探索試驗的積極性；引導學生認真觀察試驗現象，科學嚴謹的撰寫試驗分析報告，培養良好的學習、工作和科研習慣。對于綜合性試驗內容，根據智能制造全過程場景設計試驗項目，并且根據人才培養目標將智能制造全過程試驗內容分為重點試驗和普通試驗，對于重點試驗，學生在完成試驗之后，應該對其試驗的技能有一個充分的認識，同時對于試驗相關知識有一個較好的認識，并能開展相關知識的自主學習；對于普通試驗，學生完成試驗后，能較為扎實的掌握試驗內容，并且對試驗相關知識有一個基本的了解。

圖2 試驗教學內容劃分Fig.2 The division of experimental teaching content

3.4 智能制造背景下試驗教師隊伍的改革

目前，高校試驗指導教師多為校內教師，校內教師具有豐富的試驗知識和教學經驗[13]，但是由于智能制造領域技術發展迅速，校內試驗指導教師的知識體系與企業現實需求可能存在一定的差異，在傳遞智能制造行業新知識方面可能存在一定困難。校企融合型教師隊伍是將企業骨干技術人員引入課堂，為學生傳授行業或者企業最新的技術動態，引導學生積極探索未來所從事行業的知識與技能。試驗教學引入校企融合教師隊伍改革，有利于學生接觸到行業最新的知識和技能，同時與企業型教師溝通，有利于學生了解未來自己行業的需求，激發學習興趣，更有利于學生從實戰的角度對知識進行學習和掌握。

4 虛實結合的智能制造全過程的試驗教學場景構建

部分高校現有實驗室雖然不能滿足智能制造相關產業的人才培養需求，但是實驗室及設施仍具有很大的價值[14]，仍能反應智能制造某個環節的相關內容，因此在現有實驗室的基礎上進行改造升級，能在有限的經費投入下達到較好的智能制造全過程實驗教學場景的構建。但是，由于智能制造涉及了多個學科的試驗項目與場景，普通高校很難有能力建成一個所有環節均是由現實設備構成的試驗平臺，虛擬實驗室作為目前常用的一種教學手段，其通過將試驗內容編制成計算機運行的仿真系統供學生進行試驗，解決了現實試驗中的多個問題，也能很好解決智能制造全過程試驗教學場景構建過程中的問題。

目前常見的虛擬試驗類型有3種：第一，基于PC端的虛擬仿真試驗，該類型試驗是將試驗軟件系統置于PC端內，學生通過鼠標和鍵盤控制試驗過程，通過PC端顯示器來觀察試驗結果；第二，基于虛擬現實技術的虛擬仿真試驗，該種試驗需要PC端和虛擬頭盔共同實現，PC端負責運行試驗系統，虛擬頭盔則負責現實三維全景試驗結果的成像并對試驗過程進行控制；第三，基于混合現實技術的虛擬仿真試驗，混合現實技術能將虛擬的試驗景象與現實景象進行融合顯示，提高了虛擬試驗的沉浸感。

5 結語

在《“十四五”智能制造發展規劃》指導下，我國智能制造產業將得到進一步發展，提升對人才質量的需求。文章從機械類專業試驗教學的方面入手，分析了目前高等教育試驗教學存在問題，并從教學內容、師資隊伍和試驗室教學場景3個方面提出了改革建議，作為智能制造背景下機械類專業試驗教學改革的參考。