智能制造工程新工科專業(yè)制造技術(shù)類課程體系構(gòu)建及課程思政建設(shè)*

蔡高參 王丙旭 李紅軍

（浙江理工大學(xué)機械工程學(xué)院 浙江杭州 310018）

所謂智能制造，是一種集自動化、智能化和信息化于一體的制造模式，是信息技術(shù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與制造業(yè)的深度融合、創(chuàng)新集成。基于此，智能制造是實現(xiàn)中國從“制造大國”向“制造強國”邁進的關(guān)鍵，而智能制造工程專業(yè)人才是推進智能制造發(fā)展的支撐和能源動力。作為新工科專業(yè)的代表之一，智能制造工程專業(yè)涉及數(shù)字化設(shè)計及制造、先進制造、信息系統(tǒng)控制、增材制造等領(lǐng)域知識，而增材制造（3D打印）技術(shù)屬于智能制造領(lǐng)域內(nèi)非常具有代表性的先進制造技術(shù)手段之一。其中，增材制造（3D打印）技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層掃描并打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，已成為新工科的熱點專業(yè)之一。由此可見，智能制造工程專業(yè)開設(shè)增材制造（3D打印）技術(shù)相關(guān)課程已成為當(dāng)下工科類高校的發(fā)展趨勢，也是時代發(fā)展的必然。而大力發(fā)展增材制造（3D打印）技術(shù)也是我國今后一段時期推進“中國制造2025”的主攻方向之一。因此，在此背景下，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的智能制造領(lǐng)域相關(guān)科學(xué)技術(shù)人才，離不開增材制造（3D打印）技術(shù)相關(guān)人才的培養(yǎng)；而構(gòu)建新工科背景下先進制造技術(shù)類課程體系對于推進智能制造領(lǐng)域人才培養(yǎng)具有十分重要的現(xiàn)實及戰(zhàn)略意義，也是建設(shè)制造強國和創(chuàng)新型國家的重要前提和基礎(chǔ)。

因此，需要對智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類課程體系進一步完善，構(gòu)建以增材制造（3D打印）技術(shù)為主線的先進制造技術(shù)類理論課程體系，并輔以具備虛實結(jié)合功能的實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、必要的獨立實踐環(huán)節(jié)，以提升該新工科專業(yè)的核心競爭力，并培養(yǎng)適應(yīng)新工科環(huán)境下智能制造領(lǐng)域內(nèi)的新型復(fù)合人才。

一、智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類課程體系現(xiàn)狀

1.智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有的制造技術(shù)類課程體系

截至2022年，我國已有 264 所高校設(shè)立了智能制造工程這一新工科專業(yè)。然而，因開設(shè)該專業(yè)的時間相對較短，與該專業(yè)相匹配的制造技術(shù)類專業(yè)課程體系還不夠完善，且其制造技術(shù)類的課程體系大多參照傳統(tǒng)機械工程、機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)而設(shè)置，大多以“鑄造技術(shù)”“鍛壓技術(shù)”“焊接技術(shù)”“粉末冶金”技術(shù)等為主要講述內(nèi)容的《成形制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程為專業(yè)基礎(chǔ)課程，再加上《金屬切削原理與機床》（或《金屬切削原理與刀具》）《機械制造工藝學(xué)》等課程，以及以“數(shù)控加工技術(shù)、激光加工技術(shù)”等先進制造技術(shù)為主要授課內(nèi)容的《現(xiàn)代加工制造技術(shù)》課程為主體而構(gòu)成的制造類理論課程體系，并配以一定課時的課內(nèi)實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。因以傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)為主要授課內(nèi)容，且其對應(yīng)的專業(yè)實驗室功能較為單一，其缺乏綜合性、創(chuàng)新性的課內(nèi)實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及功能十分單一，導(dǎo)致學(xué)生上課時的主動參與度明顯不夠，進而造成學(xué)生聽課不認真、基礎(chǔ)知識點掌握不牢靠，從而不利于新工科環(huán)境下智能制造領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。

2.智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有的制造技術(shù)類課程體系的不足

因基本以傳統(tǒng)機械工程專業(yè)、機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)制造類課程體系為基礎(chǔ)，當(dāng)前，高校智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有的制造技術(shù)類課程體系還不夠完善，其對新工科背景下智能制造領(lǐng)域人才的培養(yǎng)未能滿足社會發(fā)展的需求。而在設(shè)置了智能制造工程專業(yè)的高校中，雖有少數(shù)高校已開設(shè)了《增材制造技術(shù)》《3D打印技術(shù)基礎(chǔ)》等智能制造類相關(guān)課程，但其整體理論課程體系并不完善，且其對應(yīng)的實驗/實踐類課程體系建設(shè)方面存在一些共性問題：一是現(xiàn)有課程教授理論知識而無法做到理論與實踐相結(jié)合；二是創(chuàng)新教育落實比較困難；三是因傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)類課程占用課時較多，而導(dǎo)致智能制造實踐性環(huán)節(jié)學(xué)生參與度不夠；四是實踐教學(xué)過程中智能制造領(lǐng)域的工程背景弱化明顯，從而阻礙了智能制造工程專業(yè)增材制造領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)。

為解決這些共性問題，迫切需要構(gòu)建新的制造技術(shù)類課程群，并輔助以新的實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)以構(gòu)成新的制造技術(shù)類課程體系，突出制造技術(shù)的智能化、時代化及信息數(shù)字化，以更好地促進智能制造領(lǐng)域復(fù)合型技術(shù)人才的培養(yǎng)。

二、智能制造工程專業(yè)先進制造技術(shù)類綜合課程體系的構(gòu)建

為了更好地培養(yǎng)新工科背景下智能制造領(lǐng)域的專業(yè)人才，需在考慮現(xiàn)有的相關(guān)理論、實踐/實驗課程及專業(yè)綜合實驗室條件下，合理地構(gòu)建先進制造類專業(yè)課程體系。若想改善智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有的制造類課程體系傳統(tǒng)成形制造技術(shù)基礎(chǔ)授課學(xué)時偏多、理論與實踐不能有效結(jié)合、智能制造工程背景弱化明顯、學(xué)生主動參與度不夠的現(xiàn)狀，構(gòu)建智能制造工程專業(yè)新的先進制造技術(shù)類課程體系需從以下幾個方面綜合考慮。

1.構(gòu)建傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)+先進制造技術(shù)+增材制造技術(shù)為主線的制造技術(shù)理論課程群

為適應(yīng)新工科、智能制造工程專業(yè)增材制造技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人才培養(yǎng)的需求，新的制造技術(shù)類課程體系建設(shè)方案如下：結(jié)合現(xiàn)有的傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)課程，新增先進制造技術(shù)以及增材制造（3D打印）技術(shù)課程，構(gòu)建集傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)理論、先進制造技術(shù)、增材制造（3D打印）技術(shù)于一體的制造技術(shù)類理論課程體系，培養(yǎng)學(xué)生既能基于傳統(tǒng)減材制造、等材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，又能綜合運用現(xiàn)代加工制造技術(shù)及增材制造（3D打印）技術(shù)，并基于云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化制造等前沿信息化技術(shù)解決智能制造領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。

所構(gòu)建的智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類理論課程群應(yīng)包含以下課程：

（1）傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)：以“鑄造”“鍛壓”“焊接”等經(jīng)典成形制造技術(shù)為基礎(chǔ)的《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程，精簡、縮短相應(yīng)課時為12學(xué)時；融合“金屬切削原理”及“機械制造工藝學(xué)的”《加工制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程，縮短相應(yīng)課時為16學(xué)時；輔以相應(yīng)的課內(nèi)實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)4學(xué)時。

（2）先進制造技術(shù)：以數(shù)控技術(shù)及編程、激光加工技術(shù)、電子束加工、超聲波、高能束加工等技術(shù)為主的《現(xiàn)代加工制造技術(shù)》課程，精簡相應(yīng)課時為16學(xué)時；并配以數(shù)字孿生系統(tǒng)為主的獨立實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)虛實結(jié)合功能。

（3）增材制造（3D打印）技術(shù)：以增材制造（3D打印）技術(shù)工藝為主要授課內(nèi)容，重點講述立體光刻技術(shù)/光固化成形（SLA）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、疊層實體成形（LOM）、熔融沉積成形（FDM）、三維印刷成形（3DP）等理論技術(shù)原理，精簡授課學(xué)時為16學(xué)時，并配以16學(xué)時的課內(nèi)實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生三維建模、數(shù)字化模擬仿真及桌面型3D打印設(shè)備打印典型零件過程，增強學(xué)生對增材制造（3D）打印技術(shù)的理解。

（4）智能制造概論：主要講述內(nèi)容有：①以高度概括的形式講述智能制造的基本概念、智能制造內(nèi)涵、主要特征、技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用及發(fā)展趨勢；以物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等為主的智能制造關(guān)鍵技術(shù)；②以產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、信息物理系統(tǒng)（CPS）、企業(yè)資源計劃（ERP）等為主要架構(gòu)的智能制造系統(tǒng)；③智能制造工藝，以制造工藝為主線，講述智能設(shè)計技術(shù)、智能制造裝備、智能生產(chǎn)線及智慧工廠；④工業(yè)機器人系統(tǒng)，包含機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃與編程等內(nèi)容；⑤數(shù)字化制造技術(shù)，主要包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理、逆向工程技術(shù)、虛擬制造技術(shù)等。理論授課20學(xué)時，并配以12學(xué)時的課內(nèi)實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.構(gòu)建集三維建模、數(shù)值模擬仿真、數(shù)字孿生綜合實驗為一體的制造技術(shù)類虛實結(jié)合實驗/實踐課程群

根據(jù)所構(gòu)建的智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類理論課程群，并加入具備虛實結(jié)合功能的實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及獨立實踐課程，使學(xué)生具備傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)+數(shù)字化三維建模+智能模擬仿真+數(shù)字孿生等虛實結(jié)合能力，用于培養(yǎng)智能制造領(lǐng)域先進制造類綜合技術(shù)人才。

在現(xiàn)有的具備虛實結(jié)合功能的綜合實訓(xùn)平臺上（圖1）進行理論及實驗/實踐教學(xué)，使學(xué)生全程參與，并在綜合實踐時，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品三維模型的建立，利用SolidWorks等三維建模軟件對產(chǎn)品進行三維模型的設(shè)計；通過ANSYS Workbench Additive仿真軟件，對產(chǎn)品的加工過程進行熱應(yīng)力耦合計算，評估打印質(zhì)量，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)；利用數(shù)字孿生技術(shù)，對現(xiàn)有模型進行多物理量、多尺度、全方位的掃描識別，在虛擬中完成映射，從而實現(xiàn)產(chǎn)品加工過程的虛擬仿真。整個設(shè)計、建模、模擬加工過程借助計算機的自動計算及虛擬仿真來實現(xiàn)，具備精確化、可靠化、智能化特征，達到學(xué)生掌握數(shù)控機床編程與模擬仿真相結(jié)合、數(shù)字化工廠數(shù)字孿生仿真實訓(xùn)之目的。

圖1 智能制造生產(chǎn)線綜合實訓(xùn)平臺

所謂虛實結(jié)合，虛是實的前提和基礎(chǔ)，指虛擬仿真，學(xué)生可在現(xiàn)有的綜合實訓(xùn)平臺上進行模擬仿真，在線模擬所設(shè)計產(chǎn)品在加工過程中的形態(tài)變化，提升學(xué)生對智能工廠及智能制造的整體概念；實是實踐，根據(jù)虛擬仿真的過程，學(xué)生可進行實際操作，選定具體零件在綜合實踐平臺上進行加工，體驗?zāi)M的真實性、準確性及可靠性。同時，構(gòu)建這種互為聯(lián)系的虛實結(jié)合理念，對培養(yǎng)新工科背景下智能制造領(lǐng)域的復(fù)合型人才具有很好的促進作用。

此外，根據(jù)智能制造工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，結(jié)合新工科的特征，培養(yǎng)智能制造領(lǐng)域復(fù)合型人才，需淘汰一些不符合新工科要求的傳統(tǒng)實驗/實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及獨立實踐課程，并增加一些自主性、綜合性、智能性、研究探索性較強的綜合實驗/實踐課程、獨立實踐課程，以完善新的專業(yè)實踐課程體系，培養(yǎng)學(xué)生具有機械工程、控制科學(xué)與工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科知識交叉融合、應(yīng)用復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。

3.構(gòu)建師生共建的虛實結(jié)合綜合運行平臺二次開發(fā)教學(xué)新模式

根據(jù)智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有的綜合實踐運行平臺（圖1），結(jié)合新工科的培養(yǎng)需求，對該綜合實驗平臺進行二次開發(fā)。開發(fā)過程中，要求做到師生共同參與，教師從企業(yè)需求實際出發(fā)，為學(xué)生提出軟件編程設(shè)想；學(xué)生從自身愛好及特長著手，進行實訓(xùn)平臺的二次編程開發(fā)。所構(gòu)建的智能制造專業(yè)增材制造技術(shù)虛實結(jié)合運行平臺二次開發(fā)教學(xué)模式主要實訓(xùn)項目包括以下內(nèi)容：三維建模的實訓(xùn)、模型參數(shù)調(diào)整的實訓(xùn)、產(chǎn)品尺寸的優(yōu)化實訓(xùn)、鍛造、鍛壓、沖壓、拉伸的模擬仿真實訓(xùn)、產(chǎn)品創(chuàng)新式設(shè)計實訓(xùn)、產(chǎn)品前處理模擬實訓(xùn)、打印參數(shù)設(shè)計實訓(xùn)、打印路徑設(shè)計實訓(xùn)、支撐設(shè)計實訓(xùn)，模擬中產(chǎn)品的拓撲優(yōu)化實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)線性靜力實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品力學(xué)靜態(tài)載荷實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品優(yōu)化目標實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品拓撲優(yōu)化不同約束條件下的產(chǎn)品質(zhì)量、體積實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品片體模型處理實訓(xùn)、模擬點陣結(jié)構(gòu)的分析實訓(xùn)、模擬內(nèi)置點陣結(jié)構(gòu)實訓(xùn)、產(chǎn)品可靠性分析實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品預(yù)熱實訓(xùn)、模擬產(chǎn)品熱處理實訓(xùn)、模擬打印的激光功率、掃描速度、掃描間距、基板溫度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響實訓(xùn)、研究增材制造過程的微觀機理實訓(xùn)、觀察熔池特性、孔隙預(yù)測、溫度歷史、微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測的變化實訓(xùn)、對產(chǎn)品后處理實訓(xùn)，進行實驗驗證實訓(xùn)，以達到學(xué)生為中心、學(xué)生高度參與的目的。經(jīng)過師生共同參與下的二次開發(fā)，該智能制造綜合實訓(xùn)運行平臺作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 綜合實訓(xùn)平臺作業(yè)流程圖

4.構(gòu)建校企深度結(jié)合模式下的制造技術(shù)類實踐課程體系

在強化智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類課程綜合實踐過程中，為改善智能制造工程專業(yè)現(xiàn)有實踐課程體系的不足，所構(gòu)建的虛實結(jié)合綜合實踐課程體系應(yīng)充分結(jié)合企業(yè)元素、企業(yè)需求及企業(yè)特征，采取校企聯(lián)合授課模式，借助智能制造領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)代表，如杭州喜馬拉雅信息科技有限公司的增材制造（3D打印）相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢、專用3D打印儀器設(shè)備資源及工程實踐背景，邀請企業(yè)工程師全程參與構(gòu)建智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類實踐課程體系，以彌補現(xiàn)有的實踐課程中智能制造領(lǐng)域工程背景弱化的不足。在這種校企深度結(jié)合模式下授課時，校內(nèi)教師主講理論基礎(chǔ)知識，企業(yè)工程師現(xiàn)場/在線講解增材制造（3D打印）技術(shù)相關(guān)實踐課程，結(jié)合具體零部件的3D打印過程，實現(xiàn)對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)與提升，并增強學(xué)生對增材制造（3D打印）技術(shù)的掌握與應(yīng)用，達到強化智能制造綜合實踐課程體系中的工程背景之目的，真正做到了產(chǎn)學(xué)合作，同時也促進了產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人目標的達成。

5.開展新工科背景下制造技術(shù)類課程體系課程思政建設(shè)

根據(jù)課程思政的內(nèi)涵及特點，課程思政在本質(zhì)上是一種教育，目的是為了實現(xiàn)立德樹人。另外，課程思政也是一種教育教學(xué)理念、一種思維方式。從某種角度而言，所有的課堂都要有育人的功能，新工科背景下的課堂更應(yīng)如此。基于此，所構(gòu)建的制造技術(shù)類課程體系不能只講專業(yè)技術(shù)理論及實驗/實踐課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)同時開展課程思政建設(shè)。其中，傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)課，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識過程中具備追求卓越的創(chuàng)新精神；先進制造技術(shù)課，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生具備精益求精的品質(zhì)精神；增材制造技術(shù)及智能制造概論課，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生具有大國工匠的民族自豪感，具有干一行愛一行的愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神。

此外，根據(jù)新的課程體系授課，要注重教學(xué)方法的不斷探索、實踐和創(chuàng)新。在企業(yè)工程師授課過程中，高校教師要結(jié)合企業(yè)實際及時地發(fā)掘課程思政元素，以討論的形式傳遞給學(xué)生；在授課時，要結(jié)合企業(yè)的具體案例、現(xiàn)場實際案例講解抽象的知識點，并用哲學(xué)的觀點闡述其基本理論。

課程思政建設(shè)，同樣需要創(chuàng)新教學(xué)方法，并及時添加最新素材。在授課過程中，應(yīng)以“實例+互動+結(jié)合科研+課后反饋”相結(jié)合的方法實施課程思政建設(shè)，并在現(xiàn)有的教學(xué)素材基礎(chǔ)上，及時添加最新素材，如人工智能、數(shù)字孿生等在課程章節(jié)知識點中的應(yīng)用，既可吸引學(xué)生注意力，又做到了與時俱進。實例用于引出具體的思政元素，互動環(huán)節(jié)進一步解釋思政元素的實際意義，將知識點與相關(guān)科研實踐相結(jié)合可佐證創(chuàng)新精神、創(chuàng)新理念的現(xiàn)實意義，結(jié)合課后學(xué)生的反饋意見，可對課程的教學(xué)進行總結(jié)與反思，便于后續(xù)對課程思政建設(shè)進行必要的改進與創(chuàng)新。

綜上所述，新工科背景下，構(gòu)建智能制造工程專業(yè)制造技術(shù)類課程體系，培養(yǎng)面向國際、面向未來的智能制造領(lǐng)域高端人才，不僅要完善現(xiàn)有的理論及實踐/實驗課程群，而且還要對虛實結(jié)合功能的綜合實踐運行平臺進行二次開發(fā)，并構(gòu)建校企深度結(jié)合的實踐類課程授課模式，同時對該課程體系進行課程思政建設(shè)，促使學(xué)生綜合掌握智能制造各方面的知識，全面地提升學(xué)生的工程背景，并幫助學(xué)生樹立正確的社會主義核心價值觀，從而培養(yǎng)出適應(yīng)新工科環(huán)境的智能制造領(lǐng)域新型復(fù)合人才。