新工科背景下面向智能制造的工程創新人才培養探究

王宏立,梁春英,韓 霞,張吉軍,戶春影

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

制造業是國民經濟的主體,是立國之本、興國之器、強國之基[1]。進入21世紀以來,歐美國家為了搶占制造業制高點,紛紛制定了以智能制造技術為重要方向的制造業發展戰略。2012年美國推出了“先進制造伙伴計劃”,2013年德國頒布了“工業4.0”計劃,同年法國頒布了“新工業法國”戰略,日本出臺了“再興戰略”等[2]。我國為了加快制造強國建設,2015年正式發布了“中國制造2025”戰略計劃,其指導思想中強調以推進智能制造為主攻方向,完善多層次多類型人才培養體系,實現制造業由大變強的歷史跨越[3]。

基于國家制造業強國戰略,為滿足智能制造人才需求,2017年以來,教育部先后下發了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》等多個文件,推動新工科建設[4]。新工科要求發展工程教育新理念、人才培養新模式,助力教育強國[5]。基于以上背景,高校工科專業也必須對現有人才培養模式進行轉型升級,加快培養適合于智能制造的工程創新人才。

1 智能制造人才培養面臨的問題

1.1 知識領域過于單一

智能制造所需掌握的機械化、自動化、數字化、網絡化、智能化等相關知識,涉及機械工程、控制科學與工程、計算機科學與技術等多學科領域,而現有的工程應用型人才培養領域過于單一,要么是單一機械領域,要么是單一電氣領域,缺少跨界、跨學科、創新性的知識能力培養,專業課程設置與智能制造行業所需適配不夠緊密,造成學生在企業工作適應性差,上手能力弱,常常感到無所適從。

1.2 校企合作培養深度不夠

長期以來,高校各專業為彌補校內實踐教學條件、場地、設備不足等問題,一直強調校企合作,但往往合作方式流于表面,一般僅限于專業學生到企業認識參觀實習,或聘請企業工程師到校講課,信息交互時間短,學生不能真正了解行業所需,不能真正參與到企業的生產實踐,對于智能制造所涉及的數字化、網絡化、智能化技術等現代工業生產技術理解甚少,難以實現校企真正深入融合。

1.3 工程創新欠缺實踐

“雙創”背景下,各高校普遍設立了大學生創新活動中心、創客空間、創新實驗室等創新基地,組建了創新社團,但學生創新能力培養往往沒有真正落到實處,思維創新能力、動手實踐創新能力培養不足,如學生參加的大學生創新創業訓練計劃項目、各類創新競賽項目,內容往往都是指導教師完成過的科研項目,學生照本宣科,思維受限于教師的思維。另外,一些實物、模型的制造加工,常常由實習工廠師傅完成,普通的智能制造加工設備操作方法學生沒有機會親自動手實踐,創新實踐能力沒有得到真正提高。

2 智能制造人才培養路徑

2.1 構建智能制造的人才培養課程體系

智能制造人才涉及到多個行業,不僅有產品設計、加工制造、生產管理行業,還涉及物流運輸、銷售服務、互聯網行業等。面向智能制造培養的人才要求其具有較好的創新思維和創新能力,因此對于高校各相關專業人才培養,應考慮重構培養方案及課程體系,與智能制造國家發展大方向及時代所需相吻合。

調研東北地區,特別是黑龍江墾區農機制造企業對智能制造人才的需求,重新梳理各學科課程的內在聯系,打破學科壁壘,統籌分析知識支撐與工程能力遞進關系,創新新興課程。以制造為主體,以人工智能、控制系統為支撐,構建“學科基礎課程+核心課程+智能化模塊課程”的課程體系。不同專業如機械制造及其自動化、交通工程、材料科學與工程、農業機械化及其自動化等專業均可用此課程體系模式。根據工程認證理念,各專業分析確定好本專業畢業生的能力要求,制定相應的培養目標,確定相應的目標達成課程。學科基礎和核心課程變化較小,容易設置,重點是各專業根據自己的專業特點和畢業需求設置智能化模塊課程。如農業機械化及其自動化專業可設置智能農機裝備、農業機器人、農機智能檢測技術等模塊課程,材料科學與工程專業可設置智能材料學、材料智能成型、智能焊接技術等模塊課程。

2.2 強化校企合作深度及廣度

2.2.1 共建智能制造創新實踐基地

實踐是工程的本質,實踐是創新的基礎[6],對于創新人才的培養更離不開實踐。因此實踐基地、創新中心的建設尤其重要。對于地方農業院校,實踐教學的投入是有限的,為滿足教學需要,加強產教融合,與相關企業共建智能制造創新實踐基地非常必要。學校對于實踐基地的建設,采取“立足校內、拓寬校外”的指導方針,可有效緩解建設經費緊缺的問題。

通過多年積累沉淀,開拓與企業合作的深度和廣度,共建校內智能制造創新基地。黑龍江八一農墾大學工程學院通過產學合作協同育人項目、中西部高校建設項目、重點領域校企合作項目等建設了校內智能制造實訓中心、農機綜合培訓基地。智能制造實訓中心包括與嘉興鷹華智能科技有限公司合作建立的激光加工實驗室、與沈陽機床股份有限公司合作建立的智能制造實驗室、與哈工海渡工業機器人有限公司合作建立的機器人創新實驗室、與大慶多維時空科技有限公司建立的增材創新制造實驗室等。農機綜合培訓基地包括與愛科(中國)投資有限公司聯合創建的農機智能裝備實驗室,與北大荒農墾集團尖山農場、濃江農場等有限公司創建的協同創新聯合實驗室。校內實訓基地的建設由學校規劃場地,合作企業進行設備建設及技術培訓,實現產教融合、多學科能力培養。以學校為主體的實訓基地建設,充分發揮了高校強大的科研實力和師資隊伍優勢,辦學硬件條件實現提升。

為最大程度與真實生產場景吻合,認識實習、專業實習、畢業實習等實踐教學環節選擇在生產企業進行,為此建立了眾多校外實踐教學基地。如與北大荒集團建三江、紅興隆、寶泉嶺等6個分公司開展墾校合作,建立了寒地水稻產業技術研究院、產業融合發展創新研究院及大學生實習實踐基地,在農機作業自動導航、農機作業全程智能化、無人農場等方面為學生提供全方位智慧綠色農業體驗。

2.2.2 共建“3+1”校企合作育人模式

智能制造相關技術作為新興技術,發展更新較快。學校的實踐教學環境很難與企業真實的生產環境完全契合,學生缺少企業真實項目實操機會。這會導致人才知識能力的培養與企業真實需求存在差距,就業優勢不明顯。針對學校人才培養重理論教學輕實踐操作、重學校學習輕社會企業教育的現象,與企業探討合作育人新模式。黑龍江八一農墾大學工程學院在與佳木斯電機股份有限公司、上海埃維汽車技術股份有限公司、北京尚觀科技有限公司、甲骨文(哈爾濱)實訓基地等企業在多年合作的基礎上,探索求新,形成“3+1”校企合作開放辦學培養模式,企業由單純的用人單位晉升為聯合培養單位。“3+1”聯合培養模式,就是企業提出知識所需,學校和企業共同制定培養目標、培養方案,協商課程設置,共同實施培養過程。學生在學校完成前3個學年的理論課程學習,大四學年在企業內進行課程學習及實踐。企業內所學相關課程可與校內設置課程進行學分置換,畢業設計等任務可在企業第二導師的指導下,完成與企業生產相關聯的課題,學生畢業后可直接進入企業工作。該培養方式,學生在學習期間就有了工作意向,企業節省了新員工崗位培訓的時間和資金,學校省去了實踐教學資源的投入,就業率也得到提高,實現了辦學質量、就業率雙提升,達到了校、企、生三方共贏。

“3+1” 協調育人模式,使學生能夠在第一時間觸摸到企業的發展脈搏,通過在企業實踐學習鍛煉,將企業的生產經驗與學校課堂理論教學知識更好地結合,為以后就業打下堅實基礎。黑龍江八一農墾大學從2016年開始實施“3+1”培養模式,經過多年實踐,現已在農業機械化及其自動化、機械設計制造及其自動化、農業電氣化等6個專業形成了成熟的培養方案,培養受益學生達到400余人。

2.2.3 強化雙師型師資隊伍建設

新形勢下,高校教師的能力、素質跟不上智能制造技術人才培養的需求,成為制約人才培養發展的瓶頸。為提高教師隊伍的綜合業務素質,特別是提高青年骨干教師的實踐能力,學校根據各學科、專業建設的定位需求,制定了教師隊伍整體發展規劃,采取外引內培方式,加強雙師型教師隊伍建設。

外引方面,通過柔性方式引進企業有豐富實踐經驗的工程師或高級技師為專業兼職教師,其明確行業所需,可將行業發展狀態、前沿科技動態引入教學過程,學生深刻領會企業是如何生產,企業需求什么,自身哪些方面知識需加深、加強,從而激發學習興趣,培養分析問題、解決問題的能力;對于內培方面,教師智能制造方面的理論已經比較夯實,但書本知識和現實環境有一定的差距,缺少企業實踐,不能做到活學活用,學生在學習中遇到的問題不一定能得到解決。學校與機械制造企業、科研院所、北大荒集團所屬農場協調合作,建立師資培養基地,開設骨干教師培訓班,參加社會實踐鍛煉。以青年教師為培訓重點,每年開設培訓班2期,培訓時間3個月。企業為培訓學員制定訓期實踐計劃和方案,通過學習實踐,使青年教師熟悉行業發展狀況,提升教師隊伍自身素質和實踐能力。

2.3 構建實踐創新體系

創新是制造業發展的靈魂[3],人才培養重點是培養工程創新實踐能力。以“工程實踐創新能力培養”為主線,從“工程基礎實踐”“工程專業實踐”“綜合創新實踐”三個層次,構建“基礎實驗、智造方向、科技創新、企業實訓”四個平臺,形成“三位一體”實踐創新培養體系,如圖1所示。該體系強調知識的連續性、銜接性和融會貫通,并深化與企業協同,加強情景化學習,使理論與實踐最大程度地交叉融合,培養學生的創新實踐能力和職業素養。

工程基礎實踐層次中,通過設置的專業認知訓練、工程訓練等課程,使學生了解本專業涉及的學科領域,了解生產安全規范、職業守則,掌握工程基本操作技能,為后續層次的創新打下實操基礎。通過機械制造技術基礎、機械設計等專業基礎課程實驗及課程綜合設計,了解機械部件的設計原理、用途功能、實現的方法途徑,通過后期的結構設計、加工裝配,建立起較完整的產品制造流程,鍛煉學生分析問題、解決問題的能力,培養學生基本實踐能力;工程專業實踐層次中,通過設置的工業機器人、智能制造系統、虛擬仿真等實訓課程,使學生了解智能制造涉及的基本技術。通過創新設計與加工綜合實驗課程,學生在計算機上進行二維、三維產品創新設計,采用激光切割、數控加工、3D打印等方法完成零件加工,然后裝配成產品。通過該實驗課,可將機械制圖、工程材料、機械設計、機械制造技術基礎、智能制造與數控技術等多門課程知識有機結合,初步培養了學生的綜合實踐能力;綜合創新能力實踐層次中,可以通過學科競賽、大學生創新訓練計劃項目、教師科研項目或企業實訓項目來培養學生綜合創新能力。在學校內,以科技社團為依托,以學科競賽、大創項目為抓手,以評優評先、學分置換等政策為激勵,鼓勵絕大多數學生參與其中,培養學生團隊精神和創新能力。學校外,通過科研反哺教學手段,鼓勵學生積極參加教師科研團隊,以科研案例為載體,培養學生科研意識、科技水平。通過校企合作計劃,使學生參與到制造企業實際生產實踐活動,通過企業真實案例,完成產品開發設計,實現產教融合,培養學生解決工程實際問題的能力,激發創業熱情。

3 結語

在新工科背景下,工程技術人才創新能力的培養是高校專業升級改造中重要的目標。針對國家“智能制造”發展戰略對創新人才的需求,分析了智能制造人才培養過程中存在的問題,構建了人才培養課程體系、實踐創新能力培養體系,拓展了校企合作的深度及廣度,打造了校內、校外智能制造實踐基地,實現了產學研協同育人,為培養具備專業理論、實踐能力、創新精神、人文素養和家國情懷的創新型智能制造人才提供有益的參考。