新工科背景下智能制造工程專業教學探索與實踐

廖曉波 余家欣 鐘良 蔡勇 臧紅彬 李鵬 王積碩

摘? 要：為應對“中國制造 2025”國家戰略，順應新工科背景下高等工程教育改革發展，國家提出建設智能制造新工科專業。智能制造工程專業在強數理基礎上，基于機械學科主干知識體系，融入控制、計算機、人工智能等信息學科知識，探索“數字化+網絡化+智能化”時代背景下，新技術特色的智能制造理論課程體系;同時，為有利于學生系統掌握交叉學科知識，實踐教學體系通過打通專業交叉知識之間的邊界，破除知識孤島，以工程項目為導向構建實踐教學內容，探討適應智能制造工程專業人才培養的實踐教學體系。智能制造工程專業教學探索與實踐將促進新工科專業知識之間的交叉融合，逐步適應未來制造領域發展的新需要，有效提升高等教育機械工程專業復合型高端人才的培養質量。

關鍵詞：智能制造工程;高等教育;教學體系構建;實踐教學模式;培養機制與路徑

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）17-0081-05

Abstract： In response to the national strategy of "Made in China 2025" and adapt to the reform and development of higher engineering education under the background of new engineering， the state has proposed the construction of new engineering major in intelligent manufacturing. Under the emphasis on mathematical and mathematical basis， intelligent manufacturing engineering is based on the main knowledge system of mechanical discipline， and integrates the cross-knowledge of control and computer disciplines， and constructs the course system with new technology characteristics under the background of "digitalization + networking + intelligence" era. At the same time， in order to help students to master interdisciplinary knowledge systematically， we break the knowledge island and open the boundary between specialized interdisciplinary knowledge to reform the practical teaching system. We construct the practical teaching content based on the engineering project， and discuss the practical teaching system suitable for the training of intelligent manufacturing engineering professionals. The teaching exploration and practice of intelligent manufacturing engineering major will promote the cross integration of new engineering majors， gradually adapt to the new needs of the future development of manufacturing field， and improve the training quality of compound high-end talents of mechanical engineering major in higher education.

Keywords： intelligent manufacturing engineering; higher education; practical teaching mode; construction of teaching system; cultivation mechanism and approach

為了應對新一輪科技革命和產業變革的戰略行動，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設[1]，先后形成了“復旦共識[2]”“天大行動[3]”和“北京指南[4]”，新工科建設在我國高等教育界掀起了一陣新的改革熱潮。進入新時代，國家明確提出“制造強國戰略”，在逐步推進新型工業化，加快建設制造強國過程中，智能制造是主攻方向。因此，培養厚基礎、強能力、高素質的智能制造工程專業人才，對于支撐服務以新技術、新業態、新產業和新模式為特點的新時代經濟發展具有重要的現實意義和戰略意義。同時，四川省人民政府發布的《中國制造2025四川行動計劃》也明確指出四川省智能制造產業將重點圍繞汽車、電子、國防軍工和食品飲料等領域需求，開發智能制造產線、特種智能生產加工成套設備，以及智能制造系統設計、開發、制造、運行及維護方面的高素質復合型應用人才。再者，中國科技城綿陽也印發了《綿陽市制造業智能化發展行動計劃（2018—2020年）》，明確提出推動制造業向數字化、網絡化、智能化方向轉型升級，全面提升綿陽市制造業智能化水平，加快建設西部先進制造強市，并率先在電子信息、汽車、新材料、化工和食品等基礎條件較好的領域開展智能制造轉型試點。因此，當前乃至未來很長一段時間，我國對智能制造工程專業人才的需求旺盛且顯得極為迫切[5]。

一? 智能制造工程專業內涵

智能制造工程專業是一門多學科交叉的新工科專業。本專業以培養面向智能制造，注重多學科交叉融合，突出智能技術應用為特色。學生主要學習機械學科、控制學科、計算機科學和人工智能等專業的基本理論和基礎知識，培養具備復合型知識體系[6];智能制造工程專業以機械為基礎，融合信息技術，將智能制造系統開發作為主線，為學生提供智能制造工程師的基本訓練，培養具備智能制造裝備和智能產品的設計制造、工程開發、科學研究及生產管理等方面的能力和素質。西南科技大學智能制造工程專業人才培養目標：培養順應我國高端裝備制造業和新工科發展的需要，立足四川，服務西部，輻射全國;課程知識體系以先進制造技術為核心，以信息技術為主導，以實現電子產品的智能制造為特色，旨在培養具備扎實智能裝備設計與運維、智能工廠和智能信息系統管理知識及適應電子信息產業發展的工程實踐能力，同時培養具有良好的人文社會科學素養，團隊合作精神，較強的創新能力，國際視野和溝通能力，能夠在智能制造及其相關領域從事智能產品設計與制造、智能裝備故障診斷與運維、智能工廠系統運行及系統集成與管控等方面的應用型工程技術人才。

二? 智能制造工程專業課程體系建設

（一）? 知識體系和課程結構框架

在專業人才培養方案構建過程中基于工程認證的教育理念，廣泛開展企業調研，特別關注綿陽的標桿智能制造企業（長虹電器、雅化集團、虹科創新科技）對智能制造人才知識結構和專業能力的需求，確定應用型本科智能制造工程專業的培養方案。根據服務面向和培養目標要求，構建的智能制造工程專業人才知識體系與課程設置如圖1所示，智能制造工程專業課程體系設計通識通修、機械工程、控制工程和計算機四大課程群知識。根據專業能力和知識要求，精心遴選專業核心課程群和專業選修課程群。在課程群設置中，注意課程設置之前的先后邏輯關系，突破傳統課程知識邊界，注重理論與實踐教學邊界，注重知識樹的建立，構建課程群，形成知識閉環[6]。

（二）? 智能制造方向課程組織關系

西南科技大學智能制造工程專業將采用“三教融合、自主分流、協同育人”的人才培養方案和“通識模塊+專業模塊+職業模塊”的課程體系。按照“平臺+模塊”的課程體系構建通識課程平臺、“學科+專業”的模式反哺構建專業課程平臺、“企業+職業”閉環設置職業方向課程平臺和實踐教學（集中實踐環節）平臺。在專業方向課程模塊，針對專業、行業或崗位群對應用知識、專業能力、職業素養的要求不同，專門有針對性地設置智能研發、智能服務、智能管理和智能信息四個方向模塊。如圖2所示，在大三下學期針對學生興趣進行實施方向分流培養，以適應不同職業方向的培養需求，促進多元化人才能力培養，有效提升就業競爭力。

三? 智能制造工程專業實踐課程體系構建

（一）? 實踐項目構建思路

1? 完整實踐教學體系，構建多層次綜合實驗項目

如圖3所示，通過采購或者自主科研項目儀器的改制，設計典型的實驗裝置作為實驗對象，將智能制造工程專業知識體系在實驗平臺上進行系統深度集成與融合;從簡單到復雜，從單一到綜合，打造完整的綜合實驗教學體系。實驗項目設置方面，嚴格遵照教育部提出的“兩性一度”的教育理念，增設綜合性、高階性、創新性，并具有挑戰度的實驗項目和內容，著力培養學生解決復雜工程問題的能力。

智能制造工程專業由淺入深，層層遞進設計實踐項目和內容：①基礎性實踐。該類實踐項目的教學目的是以傳授和加強智能制造工程專業基礎理論知識的理解為主，注重配合理論課程知識循序漸進地教學，增強學生對理論知識的理解。基礎性實踐項目，旨在培養學生認知、分析智能制造過程中基本問題的能力，提升學生工程素養及基本的實驗操作技能。因此，基礎性項目的教學模式采用現場演示、學生動手、教師引導的方式開展。②綜合性實踐。通過綜合集成機械、電子、控制和計算機等學科的知識和技術，開設針對具體工程問題的綜合實踐項目，項目內容注重交叉知識之間銜接和過渡，教學方法采用學生自主組隊、團隊合作的方式開展，主要在開放性實驗、課程設計、畢業實習和課外競賽等實踐環節進行。③創新性實踐。以提高創新意識和實戰能力為目標，應充分利用教師的科研項目或者企業的橫向課題需求，形成創新性實踐子課題，鼓勵學生以工程實際項目為對象進行探索性、研究性、創造性實驗。其教學模式采用學生自行提出課題、教師輔助指導的方式完成，主要在畢業設計、課外競賽、大學生創新創業實踐項目等環節進行。

2? 三位一體，打造多場景全方位的實踐教學新模式

打造課堂實驗教學、課后實驗自學、云端共享互學三種實驗教學模式。如圖4所示，教師可以根據實驗指導書在實驗室進行課堂實驗教學;其次，實驗室設計便攜式實驗教學平臺，采取借用的方式免費提供給學生在課后寢室進行自學;同時，將實驗裝備進行改造，利用現有互聯網技術，進行遠程控制實驗平臺的操作，學生登錄互聯網進行云端共享學習。

3? 行業背景，項目驅動，培養學生解決工程問題的能力和素養

設計綜合實驗，依托行業背景，以啟發式工程問題為路線，基于OBE的教學理念，以典型行業中的裝備為對象，將行業生產過程中的實際工程問題設計進行層次分解，遞進實施，提煉實驗內容，引導學生進行思考和設計，逐步讓學生具備解決復雜工程問題的能力。實驗教學體系將逐步實現典型機械對象的數字化、網絡化、智能化的全過程，如圖5所示。

（二）? 實踐課程組織的邏輯關系

課程實踐教學是工科類專業實踐教學體系中的重要組成部分，對培養學生專業核心能力和動手能力具有重要作用[7]。結合智能制造工程專業人才培養目標要求，建立實踐課程結構如圖6所示。從圖6中可以看出，實踐課程體系分為四個層次，基礎層、專業層、綜合層和創新層。實踐課程采用模塊化方式融合機器人、人工智能、大數據的知識和技能，不僅使智能制造工程專業課程知識更加堅實，還多方位拓展了知識面，涵蓋了機械、電子、控制和智能技術等學科的專業基礎知識，體現了“寬厚專業知識”的指導思想。

（三）? 實踐項目的設計關鍵

智能制造工程專業課實驗，應該遵循由淺入深，以實際工程項目為主線，精心設計由認知實驗、驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗組成的遞進式實驗教學體系。通過認知性實驗和驗證性實驗使學生對智能制造工程專業核心課程所涉及的技術、方法、原理有一個感性的認知;設計性實驗則側重利用核心課程中所學的理論方法，利用現代工具設計或優化系統的相關模塊;綜合性實驗則根據智能制造系統工程項目應用需求，針對智能制造子系統進行設計、開發、調試。

課程設計的選題和內容方面，注重課程知識體系的前后銜接，依據工程項目內在知識的融合屬性，挖掘專業課程知識的關聯性，注重將單一離散的各專業課程知識融合為整體的集成式的課程設計體系，如將智能傳感與檢測技術、嵌入式系統設計、機電控制技術、計算機控制技術和智能裝備技術綜合實踐等專業課程，整合形成課程群，這樣有利于學生整理把握課程體系結構。

在畢業設計選題方面，原則上課題需要來自于企業實際課題需求，對于工程性課題，必須明確技術和功能指標;對于研究型課題的比例控制在5%以下。通過畢業設計環節，重點培養學生綜合運用專業知識解決實際工程問題的能力，著力提升學生系統性工程思維和素養。

四? 智能制造工程專業人才培養的機制與路徑

（一）? 校企協同育人，強化學生工程實踐能力

通過校企合作，能夠有效加強專業雙師型教師隊伍的建設，根據企業實際需求，設置工程實踐項目和畢業設計內容，有效提升教師和學生的工程項目意識和解決復雜工程問題的能力。與此同時，通過校企協同育人，能夠根據需求有針對性地調整培養方案，優化專業課程，拓寬學生就業渠道，彌補人才培養過程中學校與社會的脫節現象，真正實現協同育人、校企積極參與的共贏局面。

（二）? 科教融合協同育人，培養學生創新能力

通過科研反哺教學實現科教融合。積極鼓勵學生參與教師的科研項目，并將科研項目成果形成課外科技活動的選題，參與創新創業大賽，全面提升學生的“雙創”精神和綜合素質;鼓勵教師將科研子課題精心設計成具有挑戰度的探索型實踐項目，提升學生對未知世界的興趣，培養學生的挑戰精神和科研素養;教師將論文和專利進行成果轉化，自研實驗教學平臺，連通知識孤島，注重知識交叉融合，形成教學案例，錄制教學視頻，豐富教學內容和教學形式，有效提升學生解決復雜工程問題的能力。

（三）? 產教融合協同育人，助力創業人才培養

與智能制造企業緊密合作，以大學生創新創業活動、學科競賽為抓手，培養學生的團隊合作精神，提高學生工程實踐能力和水平，滿足企業對智能制造人才基本素質培養的要求。學校通過增加創新創業類課程，配套學分置換政策，激發學生創新創業的熱情[8]。與此同時，深入與綿陽市的科研單位合作，以智能制造技術為引領，校企雙方共建集人才培養、技術應用研發、社會服務于一體的智能制造產業學院。校企共建產業學院進一步深化產教融合，促進教育鏈、產業鏈、培訓鏈和就業鏈的有機銜接[9]，實現學校教育資源與企業技術資源的深度融合，培養符合企業和產業發展需求的創新型、創業型、復合型和應用型人才，打造智能制造新技術研究、應用、推廣的工程中心及實訓基地[10]。

五? 結束語

進入新時代，國家明確提出并著力推進“智能制造”強國戰略，且智能制造是加快推進新型工業化的主攻方向。為了順應時代發展之變，本文在機械學科培養知識體系上，融合控制、計算機、人工智能等前沿信息交叉學科知識，打破知識孤島，探索了智能制造工程專業理論課程體系的構建。與此同時，根據智能制造工程專業和人才知識需求，對智能制造工程專業的實踐教學內容和教學方法進行探索和改革，提出采用“三位一體”、多場景全方位的實踐教學新模式，以典型案例、項目驅動的模式，培養學生解決復雜工程問題的能力，落實智能制造工程專業人才培養目標。總而言之，培養復合型智能制造工程專業人才是順應未來制造業新發展的需要，也是實現我國新型工業化發展的必然要求。

參考文獻：

[1] 耿直.新工科教育漫談與展望[J].科教文匯，2022（1）：135.

[2] “新工科”建設復旦共識[J].復旦教育論壇，2017，15（2）：27-28.

[3] “新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4] 新工科建設指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[5] 陸國棟.“新工科”建設的五個突破與初步探索[J].中國大學教學，2017（5）：38-41.

[6] 高亮，李培根.智能制造概論[M].北京：清華大學出版社，2021.

[7] 嚴寒冰，姚蘭，秦東興，等.面向智能制造的機電專業實踐教學體系研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2021，46（8）：124-131.

[8] 秦洪艷，季鵬，王冬良.應用型本科智能制造工程專業人才培養模式研究與探索[J].中國教育技術裝備，2021（20）：97-99.

[9] 馮國紅，朱玉杰，董春芳.智能制造背景下工業工程的人才培養改革探究[J].科技創新與生產力，2021（8）：143-146.

[10] 周靜紅.基于智能制造發展趨勢的人才培養方式探索[J].職業教育（中旬刊），2018，17（11）：76-78.

基金項目：四川省教育廳2021年高等教育人才培養質量教學改革一般項目“智能制造背景下行業創新人才協同培養模式研究”（JG2021-884）;2023年四川省高等教育人才培養和教學改革重大項目“新工科背景下機械大類專業項目驅動式課程群建設與實踐”（JG2023-65）

第一作者簡介：廖曉波（1982-），男，漢族，湖北天門人，博士，副教授，碩士研究生導師，智能制造工程系主任。研究方向為智能制造，微納檢測與制造。

*通信作者：蔡勇（1962-），男，漢族，四川綿陽人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為智能制造，人工智能。