智能制造工程专业实验实训课程教学改革研究论文

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　　摘要：文章首先对智能制造工程专业实验实训课程进行了简述，然后分析了智能制造工程专业实验实训课程教学现状，接着阐述了智能制造工程专业实验实训课程教学改革的必要性，最后提出了智能制造工程专业实验实训课程教学改革的举措。

　　关键词：实验实训课程；智能制造工程专业；应用型人才培养

　　智能制造工程专业是教育部首批设置的新工科专业，是机械、电子、信息、人工智能等多学科交叉专业，是“中国制造2025”国家战略的主攻方向专业[1-3]。该专业全面贯彻“中国制造2025”国家战略，十分重视学生实践能力的培养，而在专业人才培养方案中，实验实训课程总学分占比通常在35%及以上。由于该专业设置时间较短，很多配套的实验实训基地还不够完善，且新建智能制造综合实训中心需要购置工业机器人、智能导航AGV、机器视觉检测、智能机床、智能仓储等众多设备[4-5]，而这些设备具有投资大、占地面积广、运行和维护复杂、学生操作危险性较高等特点。这些不利因素导致该专业实验实训课程开出率不高、教学质量不佳，已成为智能制造工程专业发展的主要制约因素。为此，进行智能制造工程专业实验实训课程教学改革，提高实验实训课程教学质量，为“中国制造2025”战略落实提供人才支撑，是广大智能制造工程专业教育工作者亟须解决的问题。

　　一、智能制造工程专业实验实训课程简述

　　智能制造工程专业实验实训课程按照专业层次递进可以分为三大类，即基础类、专业类、创新应用类，如图1所示。

　　基础类实验实训课程主要包括工程力学实验、工程材料实验、金工实训、智能制造系统认知实训等，以培养学生验证理论、系统认知和基本操作能力为主；专业类实验实训课程主要包括电工技术实验、电子技术实验、液压与气压传动实验、数控加工工艺与编程实验、单片机原理与接口技术实验、智能传感与检测实验、机械三维建模实训、机电传动实训、机械制造实训、电气控制系统实训等，以激发学生专业学习兴趣、提升学生综合运用专业知识的能力为主；创新应用类实验实训课程主要包括智能仓储实验、智能工厂仿真实验、工业机器人应用实验、智能制造装备应用实训、智能制造综合实训、智能工厂应用实训、智能制造产线虚拟设计实训等，以培养学生创新和探索能力为主。

　　二、智能制造工程专业实验实训课程教学现状

　　（一）实验实训设备陈旧，且缺乏先进制造设备

　　随着数控技术的高速发展，各类高档数控机床已广泛应用于现代制造类企业。然而智能制造工程专业实验实训课程的教学设备还是以传统的“车、铣、刨、磨、钳”及经济版的数控机床为主。学生无法接触先进的制造设备，如五轴联动数控加工中心、车铣复合加工中心等，不能掌握最新的制造工艺，学生在网络上看到的各种先进的制造设备，与实际的实验实训设备产生强烈的反差，严重影响了学生参与实验实训的积极性和学习热情。此外，由于设备陈旧、年代久远，很多设备无法正常运行，设备使用率较低，实验实训内容无法全部开展，导致实验实训整体效果不理想。

　　（二）实验实训课程教学模式单一

　　智能制造工程专业实验实训课程应该与理论部分紧密结合，以达到“理论指导实践，实践反哺理论”的教学闭环管理。然而，该专业开设的实验实训课程以验证性实验实训为主，即通过实验实训验证一个理论或模型的正确性，如电工技术实验、电子技术实验、液压与气压传动实验、机电传动实训。对于这些验证性实验实训，学生只需在教师的指导下按照实验实训指导书的步骤一步一步操作，就可以得到正确的结论，在整个实验实训过程中学生缺乏深入的思考，这种相对固定单一的实验实训教学模式下，学生查找资料、发现问题、分析问题、解决问题的能力很难得到全面的培养和提升。

　　（三）智能制造综合实践基地无法满足实验实训课程教学要求

　　在“中国制造2025”战略的推动下，虽然越来越多的工科类高校纷纷开设了智能制造工程专业，购置了如工业机器人、柔性化生产线、智能导航AGV、机器视觉检测等一系列智能制造装备，建设了智能制造综合实践基地，并利用该实践基地开展了一定的教学研究工作。但实际情况是，大部分高校对于智能制造综合实践基地仍是以参观演示为主，没有真正用于实验实训课程教学。究其主要原因，具体如下。首先，智能制造综合实践基地一般占用场地较大，由一系列智能制造系统相关的硬件和软件组成，涉及机械、电子、通信、控制等学科，知识面广、学科交叉融合度强，学生仅通过传统实体的实验实训教学无法对其全部掌握，难以形成知识系统。其次，智能制造综合实践基地投资大、设备价格昂贵，学校在采购时一般只有一条智能制造生产线，其他配套的设备台套数非常有限，而随着高等教育大众化发展学生人数越来越多，在实验实训课程教学过程中容易出现多人聚集在一起围观的现象，后面的学生根本看不见、听不清、摸不到，久而久之，便失去了学习的兴趣，从而导致整体教学效果较差。最后，智能制造装备集信息化、智能化于一体，正式操作前须经专门的培训和指导，而由于实验实训课程安排与理论课程混在一起，不可避免地出现时间、空间上的冲突，学生没有时间接受系统的培训，其在没有完全掌握上述智能制造装备使用方法的前提下进行实验实训操作，存在一定的安全隐患。

　　（四）缺乏专门的实验实训教师，且管理制度不健全

　　智能制造工程专业实验实训课程学科交叉性较强，设备操作和运行维护需要具备专业的知识和技能，如工业机器人应用实验、智能制造装备应用实训等，教师一般需要经过供应商专门的培训和指导，参加考核，且成绩合格后才能指导学生进行实验实训。然而目前很多高校没有配置专门的实验实训教师，没有制定科学合理的管理制度，而是由讲授理论知识的教师兼任，这些教师平时工作任务繁忙，除理论教学，还要承担科学研究、论文撰写、专业建设、课程建设、毕业设计指导等工作，没有足够的精力接受实验实训培训和考核，导致该部分实验实训教学组织不规范、教学效果无法达到要求，甚至无法开展。

　　为了改善智能制造工程专业实验实训课程教学现状，进而提高该专业实验实训课程教学质量，需要对该专业实验实训课程教学进行改革，即在全面分析教改必要性的基础上，提出针对性的举措。

　　三、智能制造工程专业实验实训课程教学改革的必要性

　　（一）满足应用型人才培养的需要

　　智能制造工程专业培养的是能将先进制造技术与信息技术相结合，能应用工业机器人和其他智能制造装备进行智能加工与制造，能从事智能工厂规划与管理的应用型人才。而应用型人才重在理论和技术的实际应用，故学校必须在构建完善的实验实训课程体系、加大实验实训课程训练力度的基础上，深入开展实验实训课程教学改革，只有这样，才能促进理论知识体系与实验实训课程体系深度融合，使两者互为支撑，形成闭环，从而避免工科类专业培养过程中出现“瓶颈”，即理论和实践脱节，学生只懂理论或仅具备基本的动手能力，缺乏综合运用知识发现、分析、解决问题的能力，进而无法满足应用型人才培养的需要。

　　（二）培养复合型人才的需要

　　“中国制造2025”战略明确提出，加快推进智能制造、绿色制造、高端装备创新等先进理念和技术，这些先进理念和技术的实现需要更多复合型人才的加入。智能制造工程专业复合型人才的培养不仅需要发现、解决问题的能力，更需要运用工程思维，分析不同解决方案的成本，在满足要求的前提下，优先选择成本最低的解决方案。对此，教师要增加以“工程应用”为主的项目式实验实训教学内容，并组建项目“攻关小组”，引导学生在项目中不断学习和思考，在项目选题、方案分析与优化、经济成本核算等环节逐步训练学生的工程思维，以便为培养复合型人才奠定基础。

　　（三）深化校企合作、促进产教融合的需要

　　深化校企合作、促进产教融合是应用型、复合型人才培养的必由之路。智能制造工程专业要通过校企合作共建校内外实践基地，引入企业先进设备、技术，进行实验实训课程教学改革，即将企业实际项目作为实验实训课题，学生在完成实验实训课题时，既完成了项目的成果转化，又为企业项目提供了解决方案，从而深化了校企合作，促进了产教融合。

　　四、智能制造工程专业实验实训课程教学改革的举措

　　（一）创新实验实训课程教学内容

　　智能制造工程专业传统的实验实训课程教学内容以验证性实验实训为主，整个教学过程中，针对学生独立思考、发现问题、解决问题的能力训练相对匮乏，不能满足智能制造技术高素质应用型人才培养的需求。为了解决上述问题，有必要创新实验实训课程教学内容，尤其对于智能制造工程专业创新应用类实验实训，改革的紧迫性较为突出。创新的具体措施如下：减少验证性实验实训学时，合理引入开放式、设计类实验或企业实际项目作为实验实训内容，这部分实验实训内容没有唯一正确的结论或答案，只要在一定的框架范围内都是合理的、被允许的，如智能仓储实验，只要符合规定的物料传输、仓储要求，具体的实施方案由学生自主设计，教师最后针对不同的方案进行对比分析。通过引入开放式、设计类实验或企业实际项目作为实验实训课程教学内容，可以更好地激发学生的创新思维、发散思维，以取得更好的教学效果。

　　（二）构建“虚实结合”实验实训课程教学新模式

　　鉴于当前智能制造工程专业实验实训课程教学过程中存在的问题，笔者提出“虚实结合”的实验实训课程教学模式。“虚”指智能制造系统虚拟仿真平台，是利用计算机仿真技术、智能传感技术、物联网技术、人工智能技术等实现对现实智能制造系统的高度模拟，让使用者产生“现场感”和“沉浸感”的体验，从而在虚拟情境中完成真实情况下难以甚至无法实现的实验实训教学内容[6-7]。智能制造系统虚拟仿真平台具有投资小、后期维护简便、虚拟仿真模块随意搭配等优点，可以开展丰富的实验实训项目，且不受时间和空间限制。而“实”指智能制造系统实物产线。

　　“虚实结合”的实验实训课程教学模式基本思路如下：综合应用虚拟仿真系列技术，将智能制造系统生产线在虚拟仿真平台上立体化、全方位、逼真地展示出来，以实现智能制造工业机器人应用、智能制造产线运行维护、智能仓储系统、智能制造MES管理、智能工厂建模与仿真等模块的实践教学，同时在上述模块中引入机械结构设计与制造、电气控制等方面的教学，最后结合智能制造系统实物产线进行验证和反馈。

　　“虚实结合”实验实训课程教学模式要遵循“以虚促实、以虚补实、虚实结合”的总体原则[8-10]。以培养学生智能制造“工程能力”为根本出发点，同时兼顾职业素养培养，以构建更加契合应用型人才培养要求的实验实训课程教学新模式。第一，明确实验实训教学目标。智能制造工程专业实验实训课程教学目标是让学生建立全局性智能制造工程思维，以更好地掌握智能制造技术、智能制造装备应用方法。然而智能制造系统实物产线一般占地面积较大、智能设备众多、综合性较强，教师仅依靠实物产线教学，会因为学生人数众多，导致教学组织困难，教学不方便，教学过程无法顺利进行。而通过引入智能制造系统虚拟仿真平台，将一部分系统性、综合性较强的实验实训内容，如智能仓储系统、智能制造MES管理、智能工厂建模与仿真等模块以“虚实结合”的方式代替传统的纯实物教学，可以较好地解决智能制造实物产线利用率不高、适应性差、台套数少、不易扩展等方面的不足。第二，创新实验实训组织模式。教师可采用“模块+系统”的实验实训组织模式，智能制造系统虚拟仿真平台包含智能制造系统各个组成模块，如上下料模块、智能加工模块、智能装配模块、智能检测模块、智能仓储模块等。在实验实训过程中，首先，对学生进行分组，每一组学生对应一个模块，当完成一个模块的学习后，再进行模块间的互换调整，直至完成所有模块的学习；其次，教师在智能制造系统虚拟仿真平台上讲授整个智能制造系统产线运行原理、生产计划流程控制等内容，学生在熟悉智能制造系统各个模块后，进行整个智能制造系统的虚拟建模和装调；最后，学生在完成智能制造系统虚拟仿真平台“模块+系统”的学习后，在教师的指导下进一步完成智能制造实物产线的验证，以加深学生对相关知识的深层次理解。通过“模块+系统”的组织模式，可以使学生较快地对智能制造系统进行全面的了解和掌握，同时为进行“虚实结合”实验实训教学模式奠定了基础。第三，规范实验实训教学过程。智能制造工程专业实验实训课程教学过程中，教师要充分利用虚拟仿真平台和智能制造系统实物产线供应商提供的各类课程资源，规范实验实训教学过程。以工业机器人应用实验为例，该实验过程必须包含以下两个方面的内容：一方面，要利用虚拟仿真平台进行工业机器人基本操作；另一方面，要通过“虚实结合”强化工业机器人编程控制训练，同时要注意工业机器人与其他智能装备之间的信息传递，以满足整个智能制造系统协同工作的需要。概言之，建立规范化的实验实训教学过程，对于提高实验实训教学质量具有重要意义。

　　（三）完善实验实训课程考核评价体系

　　完善考核评价体系是促进人才培养模式改革的重要内容。智能制造工程专业实验实训课程考核内容应具有全面性和科学性，充分发挥考核评价体系的“指挥棒”作用，反向促进教学质量提升。基于“虚实结合”的实验实训考核体系应能够反映学生掌握实验实训内容的真实情况，以工业机器人应用实验为例，如图2所示。该实验总成绩由考勤成绩、工业机器人操作成绩、工业机器人编程成绩、方案创新设计成绩（含方案经济性分析、实验报告）组成，各部分的具体比例可以根据实际情况进行调整。

　　（四）加强实验实训师资队伍和管理制度建设

　　师资队伍和管理制度是确保实验实训正常开展的重要条件。针对智能制造工程专业多学科交叉融合的特点，需要加强实验实训师资队伍和管理制度建设。第一，“内培养”。在学校内部制定培养专任实验实训教师的相关制度，组织实验实训教师“传帮带”，即由实践教学经验丰富的教师一对一带领新教师，并制定“传帮带”具体实施方案，新教师经过所有培训，考核合格后才能正式进行实验实训教学。同时，每年选派教师到智能制造类企业进修、学习，不断提升教师实践教学技能。第二，“外引进”。即进一步吸引具有工程实践背景的高水平人才加入，具体可制定“一人一策”的引进方案，并利用学校官网、官方媒体等广泛宣传，进一步充实实验实训师资队伍。第三，“企业协同”。遴选与学校建立稳定合作关系的智能制造类企业，聘请一批经验丰富的企业工程技术人员作为企业导师，与校内实验实训教师一起负责实验实训教学，校企双方共同制定教学方案和大纲，共同参与实验实训课程考核、共同开发实验实训教学资源。另外，在加强师资队伍建设的同时，学校要制定配套的管理制度，并认真执行，定期进行修订、完善，逐步构建实验实训教学管理制度体系，“双管齐下”为实验实训课程教学改革提供支撑。

　　五、结语

　　本文在总结当前智能制造工程专业实验实训课程教学存在问题的基础上，对智能制造工程专业实验实训课程教学改革的必要性进行分析，提出智能制造工程专业实验实训课程教学改革具体措施。具体来说，从创新实验实训课程教学内容、构建“虚实结合”实验实训课程教学新模式、完善实验实训课程考核评价体系、加强实验实训师资队伍和管理制度建设四个方面进行阐述，为智能制造工程专业及其他类似专业的实验实训课程教学改革提供了新思路、新方法、新途径。

　　参考文献：

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