地方高校智能制造工程專業建設探索與實踐

文笑雨 李浩 張玉彥 王昊琪 喬東平 孫春亞 羅國富

摘? 要：智能制造工程專業是新工科專業的典型代表，是一個多學科交叉融合的新興復合型專業。結合地方經濟發展的人才需求及學校辦學特色，以鄭州輕工業大學智能制造工程專業為例，介紹人才培養方案制定、課程建設及實踐教學平臺搭建等方面的一些探索與實踐工作，主要包括融合新一代信息技術的模塊化課程體系構建、傳統課程的升級改造及特色專業課程的開發設計、“科教融合、產教協同、競教結合”的創新實踐教學平臺搭建等，形成一套服務河南省地方經濟及制造業發展的智能制造新工科人才培養體系。

關鍵詞：智能制造工程;模塊化課程體系;特色課程;創新實踐;教學平臺搭建

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）23-0082-05

Abstract： Intelligent manufacturing Engineering is the typical representative of new engineering， which is a new compound specialty with multiple disciplines. Combined with the demand of local economic development and the school characteristics， taking the intelligent manufacturing Engineering major of Zhengzhou University of Light Industry as an example， this paper introduces some explorations and practices in the aspects of talent training scheme， curriculum construction and practical teaching platform construction. It mainly includes the integration of a new generation of the modular curriculum system construction of information technology， the traditional course of upgrading and the characteristics of the development of professional course design， innovation practice teaching platform building about 'science and education integration， synergy and competitive education teaching'. Finally， we hope to form a set of service of Henan province local economic development and intelligent manufacturing new engineering talent cultivation system.

Keywords： intelligent manufacturing engineering; modular curriculum system; featured courses; innovative practice; teaching platform construction

隨著“中國制造2025”和“互聯網+”等國家發展戰略的實施，大數據、物聯網、云計算和增強現實（Augmented Reality，AR）/虛擬現實（Virtual Reality，VR）等新一代信息技術被越來越多地應用于各行各業中。制造業是“中國制造2025”的主要實施對象，智能制造是“中國制造2025”的主攻方向[1]。為主動應對新一輪科技與產業變革，戰略新興制造業的人才需求正在發生重大變化，新工科人才的培養將助力我國制造業實現從“制造到智造”的跨越發展[2]。河南省作為新興工業大省，歷史、地理位置決定了其可以通過在“中國制造2025”發展戰略中發展新興制造業以獲得發展機遇。作為制造業大省，河南主動對接“中國制造2025”國家戰略，出臺了《中國制造2025河南行動綱要》[3]。隨著制造業轉型升級和結構調整，河南制造企業需要大量智能裝備控制與維護、工業機器人系統集成、高端數控加工與編程、數字化建模、精益專員和逆向工程等復合型人才[4]。

在此背景及人才需求牽引下，鄭州輕工業大學機電工程學院依托已有學科平臺優勢，2018年申報獲批開設智能制造工程專業，成為河南省首批、全國第二批開設智能制造工程專業的高校。2019年9月開始招生辦學，目前已有3個年級的在校本科生，在校本科生人數共計149人。智能制造工程作為一個系統工程，強調數字化設計與制造、智能裝備、智能機器人、物聯網、人工智能、大數據和云計算等關鍵技術的集成，涉及機械工程、控制科學與工程、計算機科學等多個學科[5]。該專業的設置可以滿足不同學科交叉與融合的創新人才培養需要，推動現代科學、應用科學、工程和工業實踐的創新與進步[6]。鄭州輕工業大學的辦學特色定位為：立足行業需求，培養雙創人才;支撐產業發展，突出工科特色;服務區域經濟，推進成果轉化。結合智能制造工程專業特點及鄭州輕工業大學的辦學特色定位，在建設智能制造工程專業時存在以下3個亟需解決的關鍵難點。

1）專業建設與地方和行業特色需求對接：作為地方高校，如何發揮自身優勢與特色，充分對接地方經濟社會發展需求和特色產業需求。針對這一需求，必須要在課程設置、教學內容、教學環節設置上形成一條主線，以加強專業建設與地方經濟和行業的關聯度。

2）新一代信息技術驅動的知識體系構建：在新一代信息技術的驅動下，學科滲透與交叉越來越多，新的理念與技術層出不窮，如何在課程思政要求下，形成既強調傳統學科知識體系，又融入人工智能、大數據、云計算及物聯網等科技新元素的多元化知識體系，是一個亟待解決的問題[7-8]。

3）工程知識傳授模式變革：傳統機械專業學生的知識傳授以理論、實驗、實習為主。新工科和工程教育理念下的知識傳授將呈現虛實交互、工程案例教學、現場動手實踐等眾多特征，如何構建新型教學與實踐平臺以支持新工科和工程教育理念下的工程知識傳授模式是一個難題[9]。

針對上述辦學時必須解決的關鍵難點，鄭州輕工業大學智能制造工程專業建設團隊依托機電工程學院已有辦學資源，構建了融合新一代信息技術的智能制造工程專業模塊化課程體系;有側重點地改造升級傳統課程，開發一系列新型特色專業課程;在基礎實驗教學平臺、專業實驗教學平臺與創新實踐教學平臺支撐下構建一體化實踐教學創新平臺，探索了“科教融合、產教協同、競教結合”的實踐教學實施途徑，最終形成一套服務河南省地方經濟及制造業發展的智能制造新工科人才培養體系。

一? 融合新一代信息技術的模塊化課程體系的構建

鄭州輕工業大學智能制造工程專業的培養目標：適應經濟社會發展需求，堅持立德樹人，培養具有社會主義核心價值觀，具備智能制造工程基礎知識及應用能力，能基于信息化前沿技術，從事產品、裝備和生產線的智能化設計制造、科技開發、應用研究、運行管理和經營銷售等方面工作，具有創新精神和實踐能力，德智體美勞全面發展的高素質應用型人才。為實現專業培養目標，整個專業人才培養方案進程可以分為通識教育模塊、學科基礎模塊、專業教育模塊、自主發展模塊、集中實踐模塊及創新創業實踐模塊六部分。每個模塊的代表性課程見表1。

通識教育模塊中的課程主要可以分為思政類課程和理工科基礎課程兩類。思政類課程設置的主要目的在于培養學生具有良好的人文素質、職業道德、工程職業素養和社會責任感，實現“樹人先樹德，育人先育心”。大學數學、大學物理、大學計算機等理工科基礎課程的主要目的在于培養學生具有嚴密邏輯的科學思維方式及基本的科學和工程原理知識[8]。

學科基礎模塊中課程的設置緊密圍繞智能制造工程專業的三個主干學科：機械工程、控制科學與工程及計算機科學與技術。通過學科基礎模塊課程的培養，建立起學生對交叉學科領域基礎工程知識的初步認知，為后續課程模塊的推進奠定良好的基礎。以智能制造工程專業導論課程為例，該門課程在大一上學期開設，主要介紹智能制造工程的基本概念、發展歷程、新一代信息技術、工業電子技術及工業制造技術等專業學習內容和研究領域，該課程設置的目的是讓學生充分了解本專業相關領域的特點，初步了解本專業的知識結構，從而合理安排大學學習計劃，合理選課、學習和生活。

為了培養學生掌握智能制造領域中需要應用的各項信息技術，在專業教育模塊，一方面開設了突出智能化的新一代信息技術類基礎專業課程，如人工智能、軟件工程、云計算與大數據技術等課程;另一方面結合智能制造所涵蓋的設計、生產、運維等關鍵環節，設置了一系列特色專業課程，如智能生產系統建模與仿真、智能生產計劃管理、智能裝備故障診斷與維護等。

針對學生本科教育階段完成后的不同后續發展需要，自主發展模塊的課程設置主要分為專業學術類、創新拓展類及就業綜合類。專業學術類課程設置的目的是為選擇考研的學生開設考研相關課程的提高訓練，創新拓展類和就業綜合類主要為就業及創業的學生提供智能制造領域前沿理論及技術支撐。自主發展課程模塊能夠為不同發展志向的學生提供有針對性的課程支撐。

集中實踐課程模塊主要分為基礎工程訓練類、課程設計類及校外實踐類。基礎工程訓練類主要包括機械基礎工程訓練、金工實習、電工實習及電子實習等，旨在培養工科學生基本工程素養。課程設計類主要包括機械基礎綜合實驗和智能產線建模仿真綜合訓練，主要設置目的是對機械原理、機械設計、智能產線建模與仿真等專業核心課程實驗環節的補充與延伸。校外實踐類主要包括認知實習和生產實習，認知實習開設在專業教育課程模塊開設之前，目的在于讓學生對智能制造工程領域相關的產品、裝備及產線具有初步的感性認識，增進專業學習興趣。生產實習則開設在專業課程學習完成之后，目的在于讓學生綜合運用課堂中所學的基礎知識和基本技能，增強學生的社會適應能力和就業競爭力。

創新創業實踐模塊主要設置為課內和課外兩部分。為了體現“科教融合、產教協同、競教結合”的實踐教學實施理念，學生既可以通過參與教師科研項目、企業生產實踐及學科類競賽來獲取創新創業實踐模塊的學分，也可以通過選修依托實驗教學平臺開設的實訓課程獲取該課程模塊的學分。該模式能夠兼顧學生的不同發展需求，充分培養學生的自主學習、終身學習能力，培育學生能夠通過知識更新適應社會發展。

二? 傳統課程的改造及特色課程的開發

專業人才培養方案中專業模塊的課程主要可以分為傳統課程和新興特色課程兩類，其中傳統課程又可以分為機械類課程和信息技術類課程。對于傳統課程，需要立足數字化、信息化對教學大綱進行調整，結合智能制造知識體系架構整合改造原有課程的知識體系;對于新興特色課程，則考慮從教師科研項目中提煉智能制造方向相關教學案例，采用案例教學法引導學生掌握相關工程知識。將傳統課程與新興課程的知識體系進行緊密連接，輔以完整的課程項目，使學生的能力能獲得螺旋式提升。

以傳統機械類課程工業機器人及應用為例，機電工程學院原本開設有此門課程，但教學內容只包含理論學時，未開設實驗學時。工業機器人作為實施智能制造的關鍵裝備之一，學生對其僅停留在理論知識理解層面遠遠不夠。立足智能制造工程專業的培養目標，修訂該門課程的教學大綱，總學時設定為40學時，其中理論環節28學時，實驗環節12學時。實驗環節主要包括工業機器人系統認知實驗、工業機器人運動學建模實驗、工業機器人運動學仿真與操作實驗、工業機器人離線仿真實驗和工業機器人離線編程仿真標準及非標準模型實驗。為配合實驗開出，學院專門建設了工業機器人虛擬仿真實驗室，包含六套工業機器人離線編程實驗教學設備，如圖1所示。升級改造后的該門課程能夠使學生在工業機器人相關技術方面具有一定的動手能力，為畢業后從事相關工作打下必要的技術基礎。以特色課程智能生產系統建模與仿真課程為例，該課程教學內容設置依托教學團隊已經建立的“自行車后三角車架智能焊接生產線設計與仿真”及“轎車側圍外板智能焊接生產線設計與仿真”兩項案例（圖2、圖3），梳理出建模與仿真中所需采用的三維建模、數字孿生及虛擬調試等關鍵技術。以工程案例為依托，突出建模與仿真的方法在智能生產系統的工藝規劃、制造裝配及檢驗交付等環節的應用方法，將抽象的知識具象化。結合西門子Process Simulate軟件，讓學生在實驗教學環節動手進行簡單智能生產系統的建模與仿真設計，加深理論知識的理解。

三? 打造創新實踐教學平臺

以本科生導師制為抓手，采取“科教融合、產教協同、競教結合”模式支撐新工科專業建設的培養要求，合理規劃基本實驗，設計性、綜合性實驗，結合校內外實踐基地及虛擬仿真實驗平臺，通過構筑特色實驗室，進行實驗室開放及參加各種創新大賽等途徑，實現課內課外、校內校外立體式的實踐教學體系;學生通過參與高水平的科研項目、發表論文、申請專利、參加國家級和省級各類工程設計大賽，全面培養學生的實踐能力和工程素養[9]。充分利用各種校企實踐資源，在基礎實驗教學平臺與專業實驗教學平臺支撐下打造面向智能制造工程專業的創新實踐教學平臺（圖4），充分發揮平臺對人才培養方案中各模塊化課程的支撐作用。

依托中國輕工業裝備網絡化協同設計與制造重點實驗室、河南省機械裝備智能制造重點實驗室等省級科研平臺，國家自然科學基金、河南省科技攻關項目、河南省高校重點科研項目等縱向課題的研發，引導本科生參與各項智能制造方向的科研項目、參與各類學科講座活動，支撐“創新創業實踐”教學模塊開展完成，實現“科教融合”[10]。

依托格力電器、宇通重工、中信重工和許繼儀表等河南省龍頭企業規劃建設了一批校外特色實踐基地，通過認知實習和生產實習環節的實地調研學習，能夠幫助學生進一步掌握智能制造關鍵裝備、智能生產控制流程、智能裝配及智能物流等核心專業知識。依托上述合作實習基地，結合教育部“產學研協同育人”項目、河南省科技廳“產學研”計劃項目、企業委托橫向課題等相關工作的推進，落實“產教協同”理念，實現專業人才的培養服務地方經濟發展的培養目標。

依托機械裝備智能制造虛擬仿真實驗教學中心對專業實驗內容進行設計改造，虛實結合，強化實踐環節，開展項目式教學，落實學生能力培養。鼓勵學生廣泛參與“西門子杯”中國智能制造挑戰賽、中國大學生機械工程創新創意大賽等智能制造專業類學科競賽，培養學生的團隊合作及溝通能力，鍛煉學生獨立制定合理技術方案解決智能制造工程領域復雜工程問題的能力，實現“競教結合”。

基于“科教融合、產教協同、競教結合”理念的創新實踐教學平臺的構建，能夠充分發揮機電工程學院已有的學科平臺優勢，學生通過參與各種實驗、學科競賽，以及高水平的科研項目等實踐活動，工程素養和實踐能力能夠在“實踐—認識—實踐”的迭代過程中得以螺旋式的提高。

四? 結束語

隨著智能制造技術的發展和應用，行業對于人才素養的需求持續增加。鄭州輕工業大學智能制造工程專業作為一個新建專業，專業建設與人才培養模式在辦學實踐中不斷探索發展。本文總結了目前辦學過程中存在的三個關鍵難點，并對應提出了解決途徑，分別為融合新一代信息技術的模塊化課程體系構建、傳統課程的改造及特色專業課程的開發，打造創新實踐教學平臺。在今后的專業建設中，還需要通過一系列特色專業課程多年的實施與積累，不斷梳理智能制造工程專業的知識體系，持續改進、動態調整，最終形成“立足制造，融合信息，面向智能，服務輕工”的專業特色。

參考文獻：

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[9] 周斌，盧紅，鄭銀環，等.面向新工科人才培養的智能制造工程專業實踐教學體系建設與研究[J].科技視界，2021（34）：49-52.

[10] 張富強，惠記莊，劉清濤，等.科教融合背景下智能制造專業本科人才培養模式探索[J].科教導刊，2021（13）：67-70.

基金項目：2020年河南省新工科研究與實踐項目“面向智能制造新工科的機械設計制造及其自動化專業改造升級探索與實踐”（2020JGLX051）;2021年河南省高等教育教學研究與實踐項目（學位與研究生教育）“面向智能制造的機械工程碩士研究生課程體系及教學模式改革研究與實踐”（2021SJGLX114Y）

第一作者簡介：文笑雨（1988-），女，漢族，河南南陽人，工學博士，副教授。研究方向為智能制造。

*通信作者：張玉彥（1989-），男，漢族，河南鄭州人，工學博士，講師。研究方向為智能制造。