劉 洋, 謝勝利, 杜玉曉, 蔡述庭, 王永華

(廣東工業(yè)大學 自動化學院, 廣東 廣州 510006)

為了主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革,支撐產(chǎn)業(yè)轉型升級、創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等一系列國家戰(zhàn)略,2017年2月以來,教育部積極推進新工科建設,先后在復旦大學、天津大學和北京召開了關于高等工程教育和新工科建設的研討會,形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1]。此后,教育部又發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》,對新工科建設進行全面部署和安排,要求進一步深化工程教育改革,培養(yǎng)德學兼修、德才兼?zhèn)涞母咚刭|工程人才,探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗,實現(xiàn)我國從工程教育大國走向工程教育強國。

針對新工科建設重大研究課題,很多專家學者從不同角度開展了研究與探索[2-9]。本文借鑒諸多專家學者的經(jīng)驗,基于我校工業(yè)4.0智能制造實驗基地,面向新工科的自動化專業(yè)建設,開展綜合性實驗教學課程體系與平臺構建的探索,為自動化、電子信息相關專業(yè)的新工科建設和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供新方案。

1 實驗基地平臺構建

2013年4月,德國提出實施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略,2015年5月,中國政府發(fā)布了《中國制造2025》, 提出實現(xiàn)制造大國向制造強國的轉變,培養(yǎng)新型制造業(yè)人才[10-11]。近2年來,許多高校為了適應新的工業(yè)革命帶來的變化,著手建立工業(yè)4.0實驗室或智能制造實訓基地[12-13]。

作為廣東省高水平大學重點建設高校之一,廣東工業(yè)大學肩負著為廣東現(xiàn)代化建設培養(yǎng)人才的重任,與廣東崛起共成長,為廣東發(fā)展作貢獻。自動化學院以“雙一流”建設和廣東省高水平大學建設為契機,以實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0版”為抓手,以自動化專業(yè)工程教育專業(yè)認證為切入點,在新工科建設的背景下,大力推進工程教育改革,不斷深化人才培養(yǎng)模式改革,進一步加強學科建設,搭建專業(yè)平臺,強化人才培養(yǎng)。由院長領銜,帶領1名長江學者、2名國家杰青和3名國家千人,秉承“培養(yǎng)德智體全面發(fā)展,具有寬厚、復合、創(chuàng)新特征的工程應用型創(chuàng)新人才”的宗旨,依托現(xiàn)有的國家級實驗教學示范中心、國家級工程實踐教育中心和廣東省復雜過程信息物理融合系統(tǒng)重點實驗室,籌措資金2 000余萬元,引進先進的汽車智能制造生產(chǎn)線,與西門子(中國)有限公司開展合作,組建了廣東工業(yè)大學—西門子工業(yè)4.0智能制造實驗基地。

汽車制造行業(yè)對自動化技術要求高,產(chǎn)業(yè)結構復雜,集機械、電氣、液壓、氣壓、工藝、過程控制、產(chǎn)品管理、物流、倉儲等多方面于一體,大量應用工業(yè)機器人,生產(chǎn)流程復雜,成品款式多、規(guī)模大、可定制化生產(chǎn)。因此,汽車制造是最為典型的智能制造行業(yè),需要大量自動化專業(yè)人才。

基地全真模仿實際汽車智能制造工藝流程,由沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間、物料倉儲上料單元、裝配加工檢測單元、成品倉儲入庫運輸單元等組成。基地的三維布局如圖1所示。該汽車智能制造系統(tǒng)包括6臺工業(yè)機器人、2臺西門子PLC、4臺變頻器、總控臺、監(jiān)控系統(tǒng)、自動傳輸帶、RFID、工業(yè)交換機、無線網(wǎng)絡交換機、FMS管理軟件、3D打印機等。平臺采用西門子智能工廠架構,分為現(xiàn)場層、控制層、操作層、管理層、企業(yè)層。它利用先進的控制策略和服務軟件,將硬件進行集成,構建了先進的柔性制造系統(tǒng),實現(xiàn)了人、產(chǎn)品、設備之間的智能通信與協(xié)同工作。

圖1 工業(yè)4.0智能制造實驗基地三維布局圖

根據(jù)自動化專業(yè)新工科建設的要求和實驗教學的需要,將工業(yè)4.0智能制造基地分為數(shù)字化工廠實驗室、基礎應用實驗室和綜合應用實驗室,分別開展不同內(nèi)容的實驗教學,如圖2所示。其中,西門子集成自動化中心作為基礎應用體系之一,功能強大、內(nèi)容豐富,它為培養(yǎng)自動化專業(yè)綜合型、創(chuàng)新型人才提供了良好的平臺。

圖2 工業(yè)4.0智能制造實驗基地組成

2 實驗基地教學新模式

深入貫徹工程教育專業(yè)認證“以學生為中心的教育理念、成果導向的教育取向、持續(xù)改進的質量文化”,必須革新實驗與實踐教學模式[14]。傳統(tǒng)實驗教學大多是理論驗證和簡單設計,讓學生加深對基本原理的理解并掌握基本專業(yè)技能[15],強調(diào)以課本知識為中心,局限性大,缺乏綜合性和系統(tǒng)性。因此,按照新工科建設和智能制造對人才素質和能力的要求,結合自動化專業(yè)教學實際,提出了一種新型實驗教學模式,見表1。

新型實驗教學模式采用導師制,以項目為驅動開展綜合實驗,探索個性化人才培養(yǎng)模式。導師鼓勵學生根據(jù)興趣和職業(yè)規(guī)劃,自由選擇實驗項目內(nèi)容,給學生個性化發(fā)展提供更加廣闊的空間,突出實踐能力、專業(yè)能力和創(chuàng)新素質的培養(yǎng),依據(jù)學習過程和結果進行綜合成績評定[12]。這樣,教學就從教課本知識轉變?yōu)榻虒W習方法,培養(yǎng)學生自學的能力,從單功能、單個實驗轉變?yōu)槟K化、系統(tǒng)化的綜合性設計與應用,注重學生學習能力和創(chuàng)新能力的可持續(xù)發(fā)展。依托工業(yè)4.0汽車智能制造實驗基地,培養(yǎng)學生互聯(lián)網(wǎng)思維和大數(shù)據(jù)意識,樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育“新理念”[5],從培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才的角度出發(fā),啟迪學生注重用戶參與、關注用戶體驗、追求完美的工匠精神,實現(xiàn)生產(chǎn)型制造向服務型制造的巨大轉變。

表1 兩種實驗教學模式對比

為了保證實驗基地具有一流的教學師資力量,學院不斷加強教師隊伍建設。由長江學者、國家杰青、國家千人、珠江學者、教授和中青年教師共同協(xié)作,通過“海外專家傳幫帶,國內(nèi)骨干學趕超,行業(yè)龍頭助轉化”的方式,實施人才“引進、共享、培養(yǎng)”的策略,每年選派至少2名骨干教師到國內(nèi)外知名高校訪學,啟動青年教師素質提升工程,讓青年教師到知名高校助課、助研、學歷提升或者進企業(yè)鍛煉,來提高教學和科研能力。同時,每年至少聘任2名知名企業(yè)技術骨干擔任基地兼職教師。另外,實驗基地設置了門禁和電腦刷卡開機系統(tǒng),利用先進的實驗教學管理軟件,對學生的學習過程進行監(jiān)控。實驗基地采用開放式管理,24 h安防視頻監(jiān)控,既保證實驗室安全,又提高實驗室資源利用率[15]。

3 實驗基地課程新體系

面向新工科的自動化專業(yè)建設,必須充分利用現(xiàn)有師資和教學設備,依托工業(yè)4.0智能制造基地,創(chuàng)新實驗教學新理念,以現(xiàn)代工業(yè)實際應用必需的知識和技能為中心,以解決實際工程應用問題為導向,以培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程能力為目標,全面革新實驗實踐課程體系,培養(yǎng)具有一定科學素養(yǎng)和較強工程技能的專業(yè)性綜合性人才。

根據(jù)自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的要求和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標,以工業(yè)4.0智能制造體系架構為主線,基于汽車智能制造工藝和設備,全新開發(fā)了4個不同層次的“自動化綜合課程設計”實踐課程,見圖3。課程包含專業(yè)基礎課、專業(yè)課、專業(yè)選修課等理論課程對應的實驗教學內(nèi)容,從第1層次到第4層次,從基礎到提高,從建模仿真到實際系統(tǒng),從硬件軟件分析設計到控制系統(tǒng)調(diào)試運行,從分散性實驗到綜合性設計,既著重基礎知識,又強調(diào)能力培養(yǎng),既有傳統(tǒng)的自動化專業(yè)實驗,又融合機器人和人工智能技術實驗,突出互聯(lián)網(wǎng)思維和大數(shù)據(jù)意識的培養(yǎng),幾乎涵蓋了自動化專業(yè)所有教學內(nèi)容和相關工程技術,構成了完整的綜合實驗課程體系。學生在學習理論課程的同時開展實驗設計,理論為實驗提供基礎,實驗又讓學生加深對理論知識的理解,兩者相互促進,相得益彰。通過課程設計實現(xiàn)了“知識—能力—素質”3個層次的轉化和提升,完成了“基礎—綜合—創(chuàng)新”3個層次的培養(yǎng),構建了理論實踐相結合、卓越工程師教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結合的多層次一體化實驗實踐教學體系[16]。

圖3 汽車智能制造西門子實驗平臺架構與課程體系

4 實驗基地教學新內(nèi)容

與自動化專業(yè)傳統(tǒng)實驗教學的內(nèi)容完全不同,基于工業(yè)4.0智能制造實驗基地新的課程設計包括建模仿真、專業(yè)基礎、子系統(tǒng)設計和復雜系統(tǒng)設計等4個層次,具體學時安排如表2所示。每個層次的實驗課程包含多個實驗小項目。以項目為驅動來開展實驗教學,有利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力,有利于培養(yǎng)高層次、高素質、多樣化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才[17-18]。

表2 綜合課程設計的學時安排

“自動化綜合課程設計Ⅰ”通過系統(tǒng)建模與仿真的系列訓練,著重培養(yǎng)學生系統(tǒng)仿真與建模的能力,并了解智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀與體系框架?！白詣踊C合課程設計Ⅱ”通過自動化專業(yè)基礎技術系列訓練,著重培養(yǎng)學生分析和解決簡單工程問題的能力,能熟悉和應用西門子全自動化系列產(chǎn)品及元器件,并了解機器人的相關技術。“自動化綜合課程設計Ⅲ”通過項目團隊合作的模式,完成倉儲、上料、沖壓、焊裝、涂裝、總裝等各子系統(tǒng)的設計與調(diào)試,培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力,熟練掌握硬件設計和軟件編程?！白詣踊C合課程設計Ⅳ”通過將智能制造各子系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào),完成整個生產(chǎn)線的建模、規(guī)劃、設計和調(diào)試,進一步培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力和項目管理的基本能力,并提高學生對工程、社會和可持續(xù)發(fā)展的認識。

總之,綜合課程設計共涉及到21門課程和22個實驗,由淺入深,循序漸進,各個模塊既相互獨立又相互關聯(lián)、全面統(tǒng)一,構成了工業(yè)4.0實驗基地教學新內(nèi)容,形成了自動化專業(yè)實踐課程的新體系,開辟了智能制造及新工科人才培養(yǎng)的新途徑。

5 結語

工業(yè)4.0實驗基地建設3年來,綜合性實驗教學新模式和工程教育改革取得了很好的效果。一方面,學生做實驗更積極、更主動、能獨立思考并解決問題,在一批國內(nèi)外大學生創(chuàng)新競賽中均取得佳績。學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)積極性被激發(fā),創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升,為就業(yè)和創(chuàng)業(yè)打下了良好基礎。另一方面,我校組建工業(yè)4.0汽車智能制造實驗基地,開展自動化專業(yè)工程教育改革和創(chuàng)新,在全國工程教育專業(yè)認證和教育部本科教學工作審核評估過程中得到專家的一致好評。在教育部公布的全國第四輪學科評估中,控制科學與工程學科被評為A-,自動化專業(yè)2018年全國排名第16名。利用工業(yè)4.0實驗基地開展新工科建設,為自動化專業(yè)人才培養(yǎng)提供了有效的新途徑。