張珂　郭長建　鄭中華　閻衛(wèi)增

[摘 要]經(jīng)過幾年來的探索與實踐，在機械大類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面進行了深入的改革，實施了一系列行之有效的舉措，構(gòu)建了注重運用數(shù)字化設(shè)計的以機械設(shè)計能力培養(yǎng)為核心的機械工程素養(yǎng)實踐教學(xué)體系，在課程建設(shè)、實驗室建設(shè)和校企聯(lián)合培養(yǎng)方面取得了豐碩的成果，是應(yīng)用型高校全面進行教學(xué)改革和實踐，滿足當(dāng)前機械行業(yè)對人才需求的重大轉(zhuǎn)變，是全方位培養(yǎng)學(xué)生的機械設(shè)計能力與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效對接，形成整體協(xié)同推進學(xué)生機械設(shè)計能力培養(yǎng)的有益嘗試。

[關(guān)鍵詞]機械設(shè)計能力;數(shù)字化;教學(xué)改革;應(yīng)用型;本科

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0071-03

隨著中國將實現(xiàn)從“制造大國”向“制造強國”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，特別是國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》將制造業(yè)作為國民經(jīng)濟的主體，從中國制造走向優(yōu)質(zhì)制造、精品制造，實現(xiàn)價值鏈與產(chǎn)業(yè)鏈升級，與制造技術(shù)及其產(chǎn)品的創(chuàng)新緊密相關(guān)的機械工程學(xué)科將會得到大的發(fā)展[2]。社會對于精通現(xiàn)代機械設(shè)計、制造、自動化，熟悉工程、精于管理的人才的需求正逐漸增大，而且更加強調(diào)機械基礎(chǔ)能力，特別是機械設(shè)計綜合能力，因而具有機械設(shè)計開發(fā)能力的人才將成為各企業(yè)爭奪的目標(biāo)。

機械工程是傳統(tǒng)學(xué)科、基礎(chǔ)學(xué)科，也是近年來與高新技術(shù)結(jié)合緊密的一門學(xué)科。機械工程學(xué)科是研究機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的性能、設(shè)計及制造的理論、方法和技術(shù)的科學(xué)，包括機械學(xué)和制造科學(xué)兩大領(lǐng)域。未來制造業(yè)發(fā)展的總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化。隨著世界制造業(yè)重心的轉(zhuǎn)移，我國對機械類專業(yè)的人才需求逐漸加大。

技術(shù)進步的背景作為高校人才培養(yǎng)方案、培養(yǎng)過程、培養(yǎng)目標(biāo)改革變化的重要依據(jù)，是培養(yǎng)適合的應(yīng)用型人才的一種有力保證。當(dāng)前科技的大背景是時代化的，目前各個行業(yè)都在進行以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、人工智能為核心的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度革命，對技術(shù)領(lǐng)域、產(chǎn)品領(lǐng)域都產(chǎn)生了深刻的影響。在此背景下，高校作為人才培養(yǎng)的基地必須結(jié)合教學(xué)實踐、企業(yè)需求、時代變化探索人才培養(yǎng)的規(guī)律，形成培養(yǎng)模式。 “模式”是指“某種事物的標(biāo)準(zhǔn)形式，或使人可以照著做的標(biāo)準(zhǔn)模式”。培養(yǎng)人才的模式是開放的、動態(tài)的、時代的，它需要教育者結(jié)合教育實踐不斷進行教育改革探索，以形成具有實踐效果的人才培養(yǎng)模式[3]。

一、當(dāng)前應(yīng)用型本科機械專業(yè)的變化特點

高等教育以專業(yè)為載體進行人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)置、專業(yè)培養(yǎng)方案制定、專業(yè)教學(xué)過程實施、專業(yè)能力達成，培養(yǎng)擁有特定技能及素養(yǎng)的、能夠服務(wù)企事業(yè)單位的專門人才。當(dāng)前機械類專業(yè)較傳統(tǒng)專業(yè)無論是在培養(yǎng)人才的目標(biāo)設(shè)定、專業(yè)的課程體系設(shè)置，還是在教學(xué)技術(shù)運用、教學(xué)知識的改變等方面都發(fā)生了顯著的變化。

（一）從人才的目標(biāo)設(shè)定視角看機械類專業(yè)

大多數(shù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)表述為：在機械工程領(lǐng)域內(nèi)，掌握堅實的基礎(chǔ)理論和寬廣的專業(yè)知識;了解機械工程領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展;掌握工程管理的基本理論與方法，具有較強的解決實際工程技術(shù)問題及新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的研制、開發(fā)和設(shè)計能力;具有運用現(xiàn)代科技成果的能力;具有制造科技及其產(chǎn)品的原始創(chuàng)新意識和獨立擔(dān)負(fù)工程技術(shù)或工程管理工作能力的高層次專門人才。應(yīng)用型高校應(yīng)根據(jù)實際情況，堅持以應(yīng)用為導(dǎo)向，堅持以人為本，堅持以質(zhì)量為核心，走產(chǎn)學(xué)研相融合的辦學(xué)道路，探索機械工程培養(yǎng)新途徑，創(chuàng)建機械工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)新模式和新機制，增強學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力、工程能力和創(chuàng)新能力，提高機械應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量以及與社會需求的符合度[4]。

（二）從機械類專業(yè)的課程體系設(shè)置看機械專業(yè)

從機械類專業(yè)設(shè)計到機械相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)、工程制圖、工藝制訂、材料選型、產(chǎn)品生產(chǎn)加工、產(chǎn)品安裝與運行、產(chǎn)品運維及報廢等多個環(huán)節(jié)，主要涉及的知識概況為：以機械設(shè)計與制造相關(guān)知識體系為基礎(chǔ)，深度融合計算機科學(xué)、信息技術(shù)、智能算法技術(shù)、自動控制技術(shù)等交叉學(xué)科的知識體系，運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建構(gòu)不同于傳統(tǒng)意義上的機械產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、運行、報廢等綜合機械行業(yè)的知識體系。目前，主要涉及的課程領(lǐng)域為：機械制造工藝學(xué)、機械系統(tǒng)設(shè)計、機電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計、機械制造裝備設(shè)計、數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用、機械動力學(xué)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用、機械創(chuàng)新設(shè)計、工業(yè)機器人、機械故障診斷學(xué)、有限元方法、機械優(yōu)化設(shè)計、工藝過程自動化、先進制造技術(shù)、特種加工等課程，這些也是與信息技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)和新能源技術(shù)等高新技術(shù)相關(guān)的學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域。從應(yīng)用的特征上看，機械專業(yè)更加強調(diào)融入數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)的學(xué)科，而這個背后的支撐點是機械行業(yè)的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度的持續(xù)發(fā)酵而導(dǎo)致的自然狀態(tài)。

（三）機械類企業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變

現(xiàn)代制造企業(yè)在產(chǎn)品生命周期概念階段、開發(fā)階段、實施階段、收尾階段等過程中，價值創(chuàng)造鏈的組織和控制，憑借數(shù)字化技術(shù)在產(chǎn)品的創(chuàng)意設(shè)計、訂單獲取、研發(fā)生產(chǎn)、終端客戶交付以及廢物的循環(huán)利用，無不在發(fā)生深刻轉(zhuǎn)變，是一場顛覆式的革命。在這種生產(chǎn)模式下的工程師培養(yǎng)，也必然需要做出改變。

傳統(tǒng)的機械類專業(yè)人才培養(yǎng)，在制圖相關(guān)課程上主要是通過手工進行繪圖。從目前企業(yè)的生產(chǎn)方式來看，機械類的設(shè)計及開發(fā)主要借助于專門的計算機，在專業(yè)化的軟件上實現(xiàn)繪圖設(shè)計開發(fā)。相對傳統(tǒng)的手工繪圖，借助軟件進行數(shù)字化設(shè)計，從模擬手繪到創(chuàng)新視覺感受，從二維到三維，再到引入時間，實現(xiàn)逆向工程技術(shù)等，設(shè)計的速度、效果都取得了非常大的提升。在此背景下，機械類專業(yè)人才培養(yǎng)必須改革教學(xué)過程中的設(shè)計方法，實現(xiàn)教學(xué)過程與計算機科學(xué)的深度融合，以提升教學(xué)效果。目前，數(shù)字化設(shè)計主要以三維設(shè)計為核心，結(jié)合產(chǎn)品中風(fēng)格曲面造型、設(shè)備空間布局、數(shù)字化樣機評審、人機工程校核等環(huán)節(jié)，形成一套能夠解決實際問題的方案。數(shù)字化設(shè)計的主要過程有：初步設(shè)計、詳細設(shè)計、設(shè)計驗證等步驟，這些與后續(xù)的數(shù)字化制造（實現(xiàn)產(chǎn)品、工藝和資源數(shù)據(jù)的集約化管理;實現(xiàn)3D工藝規(guī)劃;實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的真實反映;支持工程并行推進）是緊密聯(lián)系的，在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中通過3D CAD技術(shù)，在生產(chǎn)加工現(xiàn)場廣泛采用自動化設(shè)備，這已經(jīng)是現(xiàn)代機械企業(yè)必須具備的基礎(chǔ)制造條件。

二、深度嵌入數(shù)字化設(shè)計的必要性

21世紀(jì)以來，在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、計算化為代表的新技術(shù)革命浪潮中，機械行業(yè)在快速變革，規(guī)模空前，其通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的數(shù)據(jù)或信息推動著機械產(chǎn)品、服務(wù)的多樣化、個性化和智能化。當(dāng)前，在精益生產(chǎn)、智能制造、持續(xù)改進等多個方面數(shù)字化技術(shù)的運用如火如荼，因而在培養(yǎng)機械工程人才方面，引入及深度嵌入數(shù)字化設(shè)計內(nèi)容、理念、實踐過程具有重要的理論意義和實踐意義，是培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才的必由之路[5]。

數(shù)字化設(shè)計是在信息論、系統(tǒng)論、控制論三個領(lǐng)域同步發(fā)展推動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下進行的。數(shù)字化設(shè)計的核心是數(shù)據(jù)，在數(shù)字化設(shè)計的領(lǐng)域內(nèi)，一切產(chǎn)品都是數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)表示信息，并通過人機工程實現(xiàn)數(shù)據(jù)在人與計算機之間的溝通交流。做好數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵也在于數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)不是憑空產(chǎn)生的，從現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用來看，其本質(zhì)都是不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)在計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下，開展的各類數(shù)據(jù)存儲、傳輸、交換、交互、更新。不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的條件是不同領(lǐng)域的知識數(shù)字化的過程。因而，從機械專業(yè)來看，達到較好的數(shù)字化設(shè)計能力，首先需要具備較好的機械設(shè)計知識，其涉及的主要課程為理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械設(shè)計原理、機械設(shè)計方法、機械設(shè)計制圖、機械動力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。其次是將這些知識運用到實際的案例中，解決實際的問題。這個涉及公差與配合、工程材料、控制工程基礎(chǔ)、機械制造工藝學(xué)等知識。最后是互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，只有擁有較好的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，才能利用互聯(lián)網(wǎng)獲取信息、使用信息，其主要涉及計算機基礎(chǔ)、各類設(shè)計、仿真、計算軟件的使用。

三、深度嵌入數(shù)字化設(shè)計的機械設(shè)計能力培養(yǎng)模式探索

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院嵌入數(shù)字化設(shè)計工具的人才培養(yǎng)探索主要有如下要點：強化學(xué)生基礎(chǔ)機械知識;重點與廣泛學(xué)習(xí)各類設(shè)計軟件相結(jié)合。其具體按照下面這個流程圖開展教學(xué)活動。

機械工程學(xué)院在開展應(yīng)用型本科機械設(shè)計能力培養(yǎng)教學(xué)改革的具體做法如下。

（一）強化機械基本素養(yǎng)的提升

在機械專業(yè)課程教學(xué)體系的知識傳授、價值引領(lǐng)、實踐指導(dǎo)中，增強學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、工程設(shè)計能力、工程實踐能力的培養(yǎng)。主要在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、課程實驗、隨堂測試等教學(xué)環(huán)節(jié)中嵌入能力的培養(yǎng)，植入機械知識點的相關(guān)問題，培養(yǎng)學(xué)生觀察工程實踐、分析工程問題、利用專業(yè)知識分析研究判斷問題的能力;在準(zhǔn)現(xiàn)場或模擬現(xiàn)場中，讓學(xué)生近距離觀察問題、剖析問題、討論問題，提高教師傳授知識的效果，鼓勵學(xué)生主動、自主學(xué)習(xí)。學(xué)生在機械加工的各種場所下，在機構(gòu)設(shè)計、零部件組裝、工件制造、各種工序的半成品;在刀具、夾具、量具等生產(chǎn)要素中掌握了機械的相關(guān)知識，這為學(xué)生進行數(shù)字化設(shè)計提供了基礎(chǔ)知識。

（二）建立校企聯(lián)合實踐基地

為彌補校內(nèi)機械實驗的不足，學(xué)院積極尋求與長三角相關(guān)企業(yè)的合作。學(xué)院與中小企業(yè)緊密合作，現(xiàn)已與上海三強不銹鋼容器有限公司組建高效混合技術(shù)開發(fā)實驗室;與上海維岳自動化科技有限公司組建機械工程故障診斷技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用實驗室;與常州常超電子研究所有限公司組建無損檢測實驗室等。通過校企聯(lián)合實踐基地，給學(xué)生提供更廣闊的平臺，讓學(xué)生擁有實踐條件，豐富學(xué)生數(shù)字化設(shè)計的現(xiàn)場元素及設(shè)計感覺，為學(xué)生數(shù)字化設(shè)計提供軟件、硬件、工況的支持。人才的培養(yǎng)以專業(yè)為載體，作為專業(yè)劃分的一個重要依據(jù)是企業(yè)的需求。應(yīng)用型技術(shù)教育做得比較好的國家，比如德國的人才培養(yǎng)就非常重視企業(yè)?！暗聡鴳?yīng)用技術(shù)大學(xué)培養(yǎng)模式的特點有兩個方面：一是根據(jù)企業(yè)需求設(shè)置專業(yè);二是突出實踐性教學(xué)?！盵7]在校企合作中嵌入數(shù)字化設(shè)計是機械類人才培養(yǎng)的一種需要和保證。企業(yè)作為需求方，學(xué)校作為供方，只有互相溝通，才能更好地在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的浪潮下開展學(xué)生的數(shù)字化設(shè)計能力提高活動，提升學(xué)生的機械設(shè)計能力、機械制造能力，從而推動應(yīng)用型機械類人才培養(yǎng)的教育教學(xué)改革，并取得較好的成果。

（三）緊密結(jié)合機械工程學(xué)科，大力發(fā)展數(shù)字化設(shè)計

學(xué)院不斷豐富學(xué)生的實踐教學(xué)，根據(jù)學(xué)術(shù)發(fā)展前沿、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及趨勢，充分打通教學(xué)與科研之間的藩籬，根據(jù)不同層次的學(xué)生需求，在學(xué)院現(xiàn)有實驗設(shè)備條件下，搭設(shè)適應(yīng)不同能力學(xué)生發(fā)展的實驗條件，協(xié)同推進學(xué)生的數(shù)字化設(shè)計能力。學(xué)院堅持發(fā)展機械工程碩士學(xué)科，大力建設(shè)實驗室，目前配有Solidworks、NX、CAD/CAM、Ansys等三維設(shè)計制造軟件、逆向工程軟件Geomagic等，有意大利FIDIA五軸加工中心、美國Hardinge四軸加工中心、數(shù)控車削中心、數(shù)控電火花加工機床、三坐標(biāo)測量儀、數(shù)字化三維掃描設(shè)備，電磁軸承系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，實時圖像采集分析儀、高速攝像機、智能檢測開發(fā)平臺、二維粒子圖像測速儀、自動光學(xué)輪廓儀、自動影像測量儀，壓電式三向測定儀、電子萬能試驗機、ABB工業(yè)機器人、液壓機械手控制系統(tǒng)等。當(dāng)前機械工程學(xué)院的實驗設(shè)備基本上都與數(shù)字化、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)，通過靈活地開展相關(guān)實驗，讓學(xué)生學(xué)會使用各類制圖軟件、設(shè)計系統(tǒng)、裝配技術(shù)以提高學(xué)生的機械工程設(shè)計能力。

四、結(jié)論

機械類應(yīng)用型人才培養(yǎng)存在的問題有傳統(tǒng)培養(yǎng)方式與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不能較好形成協(xié)同推進作用、培養(yǎng)目標(biāo)與企業(yè)需求存在差距、培養(yǎng)質(zhì)量與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一致[8]。機械類應(yīng)用型人才培養(yǎng)必須在傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)過程、方式、目標(biāo)上，結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化、信息化、數(shù)字化的大背景，采用新的教學(xué)技術(shù)，重點發(fā)展具有時代意義的數(shù)字化設(shè)計能力，其根本目的是使學(xué)生在基本技能的全面掌握、靈活運用、適時創(chuàng)新等方面有所提高，幫助學(xué)生成長成才。

作為以培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才為主的應(yīng)用型本科院校，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院自成立以來，針對機械大類在讀本科生的機械設(shè)計能力培養(yǎng)，在網(wǎng)絡(luò)化、信息化的背景下，運用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計，在教學(xué)實踐中運用“嵌入數(shù)字化設(shè)計工具”的實踐教學(xué)模式，以激發(fā)點、系統(tǒng)化、全方位培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的機械設(shè)計能力。

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[責(zé)任編輯：陳 明]