丁毓峰

摘要：隨著近幾年人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等高新科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)的轉型升級導致對機械工程專業(yè)畢業(yè)生提出了新的要求，其中計算機能力就是一個突出體現(xiàn)。文章結合制造業(yè)的發(fā)展趨勢，針對機械工程專業(yè)新工科人才需求進行了分析，提出了面向新工科教育的機械工程專業(yè)計算機課程體系和計算機相關課程設置方法，最后介紹了面向新工科教育的機械工程專業(yè)學生計算機應用實踐案例。

關鍵詞：新工科;機械工程;計算機能力;工科教育

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0212-02

新工科是相對于傳統(tǒng)工科而言的，以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，是一個動態(tài)的概念[1]。新工科的建設，一方面要設置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，并加強建設、提升質量;另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，探索符合工程教育規(guī)律和時代特征的新培養(yǎng)模式。鐘登華等[2]提出經(jīng)濟全球化的發(fā)展催生產(chǎn)業(yè)重大變革和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，自主機器人、大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實等新興科技趨勢使得傳統(tǒng)的工科教育體系已經(jīng)無法滿足這種新的發(fā)展趨勢。

新工科以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，以科技創(chuàng)新為核心，在新興領域實際應用中形成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機制。周崇松等在新工科背景下計算機在專業(yè)中的應用課程教學改革實踐中提出新工科建設可通過設置和發(fā)展新興工科專業(yè)來完成，也可以通過傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革創(chuàng)新進行拓展[3]。杜彥斌提出針對機械制造技術基礎課程建設存在的課程內容與工程實際聯(lián)系不緊密等問題，圍繞教學策略實施、教學內容重構以及評價反饋改革等內容，提出機械制造技術基礎課程改革的理念與思路[4]。

在國際新經(jīng)濟大趨勢下，在工業(yè)4.0和國家2025戰(zhàn)略引導下，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、機器人等智能制造相關技術改造或者升級傳統(tǒng)制造業(yè)的工作已經(jīng)展開，因此迫切需要既懂得傳統(tǒng)制造理論和知識，又掌握高新技術的專業(yè)人才。

一、機械工程專業(yè)新工科人才需求分析

圍繞機械工程的新工科實踐和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及智能制造是密不可分的。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是自動化與信息化深度融合的有效手段，可以實現(xiàn)自動化裝備與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的連接，從而實現(xiàn)數(shù)字化管理，采用云平臺提供數(shù)據(jù)采集、云端分析，進而實現(xiàn)企業(yè)間的聯(lián)動協(xié)同。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將推動智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)構建，實現(xiàn)企業(yè)內外資源整合。智能制造發(fā)展趨勢包括數(shù)字化到網(wǎng)絡化再到智能化推進智能制造范式演進，數(shù)字化到網(wǎng)絡化再到智能化推進智能制造范式演進和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展推動智能制造系統(tǒng)集成高速興起。

可見，圍繞新工科的要求和企業(yè)自身在國際化進程中的發(fā)展需要，企業(yè)對機械工程專業(yè)新工科人才的要求是：在掌握傳統(tǒng)機械設計及制造知識的基礎上，能夠掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的基礎理論、方法和技術，知曉工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的發(fā)展趨勢，能夠適應企業(yè)在智能制造領域的不斷發(fā)展需要。

二、面向新工科教育的機械工程專業(yè)學生計算機課程體系

目前機械工程專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中涉及的計算機課程包括C語言、單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機仿真、機械CAD/CAM。新工科背景下需要對這些傳統(tǒng)的計算機應用相關課程進行整合，并和人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、并行計算、大數(shù)據(jù)等方向結合，制定符合新需求的計算機相關課程體系。考慮到目前中國制造業(yè)的發(fā)展方向，將和計算機相關的課程分成物聯(lián)網(wǎng)和智能制造兩個大的方向，如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)方向分成硬件和軟件兩個層次，硬件主要涉及電路設計、底層DSP開發(fā)、PCB設計等課程知識，應在傳統(tǒng)機電專業(yè)課程中體現(xiàn)，軟件層次包括兩個系分類，一個是嵌入式軟件設計開發(fā)，主要涉及C語言、單片機、可編程邏輯控制器（PLC）等嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程，另外一類就是App及應用服務器開發(fā)，企業(yè)需要通過手機監(jiān)控企業(yè)內部機床設備、工件的生產(chǎn)狀況、質量情況、發(fā)生故障時候的報警就需要采用這種系統(tǒng)實現(xiàn)。

將機器學習應用于智能制造系統(tǒng)，一種方式是建設的單個系統(tǒng)本身具備機器學習的功能，另外一種方式是建立企業(yè)級的機器學習平臺，為企業(yè)中的其他系統(tǒng)提供機器學習的能力和服務。

智能制造方向可以細分為智能設計、智能裝備和智能測試等，將整合傳統(tǒng)的計算機仿真、Matlab/Labview、機械CAD/CAM等課程，另外新增Python設計及開發(fā)課程。在智能設計子方向，以機械CAD/CAM課程為基礎，加強二次開發(fā)能力的訓練，按照傳統(tǒng)培養(yǎng)模式培養(yǎng)的學生是沒有這些技能的，企業(yè)只好自己培養(yǎng)這方面的人才，這樣無疑增加了企業(yè)的開發(fā)學習成本和開發(fā)周期。

三、面向新工科教育的機械工程專業(yè)學生計算機相關課程設置方法

按照新工科下機械工程專業(yè)計算機課程體系，在傳統(tǒng)計算機課程的基礎上，增加了較多計算機課程相關知識。按照現(xiàn)在機械工程專業(yè)的課時規(guī)劃，很難一下再增加這么多課程，如何解決這個矛盾呢？考慮有以下幾個方式進行處理：（1）傳統(tǒng)課程內容的改革。圍繞新工科知識要求，增加人工智能等相關前沿內容，壓縮傳統(tǒng)內容。例如機械CAD/CAM課程中增加和企業(yè)案例結合的具體產(chǎn)品的二次開發(fā)內容，如汽輪機葉片CAD/CAM系統(tǒng)設計及開發(fā)，壓縮如曲面建模理論等內容。（2）以方向選修課的方式開設相關課程。如開設機器學習及Python實現(xiàn)、手機App及服務器開發(fā)等課程。（3）通過實踐環(huán)節(jié)增加課程學習。實踐環(huán)節(jié)包括現(xiàn)有課程體系內實踐、畢業(yè)設計實踐和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新實踐，如在課程體系內的CAD/CAM及數(shù)控技術實踐的實踐課程中增加機器人編程及遠程控制內容。

四、面向新工科教育的機械工程專業(yè)學生計算機應用能力培養(yǎng)實踐

從2010年開始，我們就開始嘗試通過一些創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目培養(yǎng)學生的計算機應用能力，指導學生參加了國家大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新計劃、機器人比賽、互聯(lián)網(wǎng)+比賽、機構創(chuàng)新設計大賽等。在2017年，結合企業(yè)的具體需求，帶領機械工程專業(yè)機械15級和16級的6名學生實現(xiàn)了基于Unity的虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)。

基于Unity的虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)的目標是將真實數(shù)控車床與虛擬仿真技術相融合，將虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)發(fā)布于網(wǎng)頁端，使學生不受地理位置限制，可以隨時隨地進行數(shù)控機床的原理和操作的學習，開發(fā)該系統(tǒng)需要學生具備數(shù)控機床、機械裝備設計的傳統(tǒng)知識，還需要學生基于Unity的虛擬仿真開發(fā)、C#開發(fā)、js網(wǎng)頁開發(fā)等計算機相關知識。

通過基于Unity的虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)實踐，學生熟悉了和機械專業(yè)密切相關的計算機應用系統(tǒng)從需求分析、系統(tǒng)設計、開發(fā)、運行和測試的完整流程，并且還學習了基于Unity的虛擬仿真開發(fā)、C#開發(fā)、js網(wǎng)頁開發(fā)等計算機相關知識。從實踐過程來看，如果學生只具備傳統(tǒng)的機械工程領域知識或者計算機知識是無法勝任該項工作的，只有具備機械工程新工科知識的學生才能完成該項目工作。

參考文獻：

[1]吳愛華，等.加快發(fā)展和建設新工科主動適應和引領新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究，2017，（01）：1-9.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（03）：1-6.

[3]周崇松，等.新工科背景下《計算機在專業(yè)中的應用》課程教學改革實踐[J].山東化工，2017，（16）：180+187.

[4]杜彥斌.“新工科”建設背景下機械制造技術基礎課程改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018，（13）：38-40.