王保建， 段玉崗， 王永泉， 嚴如強， 陳雪峰

（西安交通大學機械基礎國家級實驗教學示范中心，西安710049）

0 引 言

當今世界正處在以科學技術深刻變革為特征，新技術、新業(yè)態(tài)、新模式不斷涌現(xiàn)的新經濟時代，隨著德國“工業(yè)4.0”、美國“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”的相繼提出，2015年5月19日國務院正式印發(fā)《中國制造2025》，緊接著又提出＂創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、人才為本＂的基本方針，其核心為智能制造人才培養(yǎng)，為中國制造業(yè)崛起與中華民族偉大復興之夢培養(yǎng)具有未來復雜工程問題解決能力的工程專業(yè)人才成為重要目標，這對全國高等工程教育提出了新的挑戰(zhàn)與任務，各高校機械類專業(yè)需要作出明確回答：如何響應國務院號召，服務國家智能制造人才培養(yǎng)迫切需求，為中國制造由大變強貢獻力量［1-4］。

1 我國高等工程教育現(xiàn)存問題

我國高等工程教育素有重視學生技術性能力培養(yǎng)的傳統(tǒng)，但在非技術性能力的培養(yǎng)上則明顯不足，在“供給側”已難以適應經濟社會發(fā)展的新要求，典型如“中國制造2025”對兼具技術與非技術能力（簡稱雙能力）的智能制造領域高素質人才需求迫切，而我國高等工程教育在雙能力融合培養(yǎng)上存在如下3個顯著的問題［5-6］：

（1）現(xiàn)有教學體系難以滿足工程人才對雙能力培養(yǎng)要求。目前高等工程教育對于“中國制造2025”所需工程人才應該具備什么樣的能力缺少深刻的認識，培養(yǎng)目標仍側重于專業(yè)知識、工具應用、工程實踐等技術能力的培養(yǎng)［7］，而忽視了工程社會觀念、團隊合作、項目管理等非技術能力，更沒有將兩類能力有機融合，以解決“未來復雜工程問題”能力培養(yǎng)為主線的課程體系支撐，使得新型智能制造人才培養(yǎng)缺少基本載體。

（2）培養(yǎng)過程缺少雙能力融合的教學平臺與抓手。智能制造領域大數據、物聯(lián)網、人工智能、5G、數字孿生等技術與傳統(tǒng)制造模式的融合日益加深，而當前大多數高校仍普遍缺少體現(xiàn)智能制造特征、能有效支撐雙能力融合培養(yǎng)的綜合性、創(chuàng)新性實驗／實踐教學的平臺，以及有效支撐雙能力融合的具體培養(yǎng)模式，以知識講授與課內基礎性實驗為主的傳統(tǒng)教育模式，非常不利于雙能力的融合培養(yǎng)［8］，使得新型智能制造人才培養(yǎng)缺少有效支撐。

（3）缺少面向雙能力融合的培養(yǎng)質量評價體系與激勵機制。目前培養(yǎng)質量評價指標注重考試成績，缺少與雙能力對應的多維觀測標準，尤其對學生非技術能力培養(yǎng)效果體現(xiàn)不夠；缺少對評價結果的合理分析，未形成有效的持續(xù)改進機制；缺少引導學生雙能力培養(yǎng)的激勵機制與政策，學生評獎、評優(yōu)及保研標準等都側重于考試成績，未從根本上激發(fā)學生全面提升能力的積極性，使得新型智能制造人才培養(yǎng)缺少質量保障［9-10］。

因此如何培養(yǎng)面向“中國制造2025”雙能力融合的新型工程人才，已成為高等工程教育面臨的一項亟待解決的重大課題。

2 面向“中國制造2025”雙能力融合智能制造人才培養(yǎng)探索與實踐

為解決上述問題，機械工程學院從2011年起，聚焦雙能力融合的新型工程人才培養(yǎng)，圍繞能力培養(yǎng)目標及教學體系設計、智能制造教學平臺構建、基于主動學習的教學模式改革、面向產出的多主體教學質量評價與激勵機制建設等重點內容，全方位推進教學改革，其總體思路如圖1所示。

圖1 面向“中國制造2025”的人才培養(yǎng)思路

2.1 構建了雙能力融合的教學體系

（1）完善了面向“中國制造2025”的雙能力融合智能制造人才培養(yǎng)目標，細化與明確了工程組織、團隊合作等非技術能力培養(yǎng)畢業(yè)要求，通過廣泛的調研和深入的學習研究，理清了面向“中國制造2025”人才5方面能力標準［11-12］：①能綜合運用數字化、自動化、智能化技術手段進行復雜產品開發(fā)和生產系統(tǒng)運作；②具備將技術性與非技術性因素協(xié)調考慮，以系統(tǒng)思維解決機械產品及生產系統(tǒng)中復雜工程問題的分析能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，以及工程項目的運作管理能力；③具有良好的團隊精神和表達交流能力，具有國際視野和跨文化的交流、競爭與合作能力；④具備良好的道德品質和職業(yè)規(guī)范，具有現(xiàn)代工業(yè)社會的價值觀念和強烈的社會責任感、職業(yè)責任感；⑤具備批判性思維、終身求知精神以及持續(xù)深造、提升的能力。

同時把以上5方面的能力標準細化了由36個指標項構成的畢業(yè)要求，強化工程組織與團隊合作等非技術能力培養(yǎng)，構建了以課程、教學、評價為核心的OBE教學體系。

（2）構建了“設計——制造——控制——運維”智能制造全鏈條課程體系及綜合實驗／實踐體系，強化學生系統(tǒng)思維等非技術能力培養(yǎng)。

智能制造是系統(tǒng)級工程，智能制造全鏈條課程體系通過實踐教學把制造相關核心課程有機串聯(lián)起來，以微型渦噴發(fā)動機核心零件（葉輪）為載體，對該零件在智能制造過程中所涉及的工藝規(guī)劃——數控編程——加工狀態(tài)監(jiān)測——測量——車間管理等全流程進行實驗教學，涉及課程有機械制圖、機械設計基礎、機械制造技術基礎、數控技術、機械精度設計、機械工程測試技術、制造工藝規(guī)劃與FMS等專業(yè)基礎課及專業(yè)課，加深學生對智能制造整體認知和學習。

實踐課程自大三年級上學期實施，時間周期為一學年，學生3～4人1組，以智能制造系統(tǒng)貫穿整個教學過程，具體分4個階段進行：①對設計好的葉輪進行加工工藝規(guī)劃實驗，包括機床、刀具的選擇，工藝步驟等，形成完整的加工工藝卡；②結合加工工藝卡，完成葉輪數控編程及加工，包括數控機床編程、操作，機械手自動上下料等程序設計；③對加工的葉輪進行幾何量測量，選擇包括三坐標測量儀，非接觸測量儀器對葉輪尺寸公差和行為公差進行測量與評估；④綜合分析影響加工精度的因素并提出改進措施。

指導教師由制造、數控及測量教師組成教學團隊，課程采用探究式教學，分組引導學生應用機械制造技術基礎、數控技術、機械精度設計等課程的原理和知識，采用現(xiàn)代設計方法和手段，進行復雜產品的加工及測量，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生獨立思考、分析和解決問題的能力，引導學生通過自學和實踐獲得自己想學到的知識，培養(yǎng)其綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力，智能制造車間級規(guī)劃和管理能力。

（3）增加《科技寫作與表達》《工業(yè)社會學》《項目管理》《機械工程導論》等非技術能力培養(yǎng)課程；提高通識類課程比例，非技術能力課程比例提高到15%。

（4）增加雙能力融合培養(yǎng)的《CDIO項目創(chuàng)新》《產品快速開發(fā)》《制造工藝規(guī)劃與FMS》《模具設計與制造工藝》《CAD／CAE／CAM／NC綜合實驗》《機電一體化控制》《設備控制與故障診斷》7門綜合實踐課程，教學模式采用以學生自主實踐為主教學模式，學生以團隊形式完成一個產品的構思-設計-實施-運作全生命周期；同時開設《機械設計基礎》《機械制造技術基礎》《機械系統(tǒng)故障診斷》《機械工程測試技術》4門綜合性課程設計，將學生動手能力、團隊合作、項目管理、溝通交流、主動學習、工程創(chuàng)新等非技術能力融合在技術能力中進行培養(yǎng)［13-14］。

2.2 構建“智能制造”虛實融合教學平臺

（1）集成數控機床、工業(yè)機器人、3D打印設備，以及大數據信息網絡等智能制造核心技術，建成了雙能力融合培養(yǎng)的虛擬實驗與實體實驗相結合的智能制造大數據教學平臺（見圖2）及對應的教學內容。系統(tǒng)基于網絡云端開發(fā)，對實驗中心的智能制造單元里的機床、機械手、AGV機器人等設備實時采集運行數據，實時監(jiān)測加工單元狀態(tài)及工藝數據，機內和機外攝像頭實時監(jiān)測加工過程，在校園網內都可以實時訪問平臺，支持多地協(xié)同教學及網絡在線教學，極大提高智能制造教學內容。

圖2 智能制造大數據實驗教學平臺

平臺把智能制造總體分解為機械設計基礎模塊、機械加工工藝規(guī)程設計模塊、數控加工中心模塊、工業(yè)機器人模塊、機械精度測量虛擬仿真模塊、測試與診斷模塊6大模塊，可以涵蓋機械學院12門專業(yè)核心課的教學。

同時構建了涵蓋智能制造、裝備、精度、控制、測試等多門專業(yè)核心課程能同時容納500人在線學習的虛擬仿真實驗教學平臺（見圖3），虛擬實驗不消耗實際設備器材，不存在設備的損壞，學生可以重復進行實驗，有效解決了目前智能制造實踐教學設備臺套數不足、實驗耗材多的問題［15-16］，同時虛擬實驗可以使學生對智能制造系統(tǒng)能有更加全面的認識。平臺共建設虛擬仿真綜合性實驗教學項目23項，包括智能制造車間規(guī)劃布局虛擬仿真實驗、基于智能制造的工業(yè)機器人作業(yè)軌跡與過程仿真實驗，復雜夾具虛擬裝配實驗、加工中心編程虛擬仿真實驗、機械系統(tǒng)故障診斷虛擬仿真實驗等教學模塊。

圖3 智能制造虛擬仿真教學平臺

多門課程組合起來可以實現(xiàn)系統(tǒng)級智能制造虛擬仿真實驗教學平臺，平臺通過虛擬仿真技術及數字孿生技術將實體教學與虛擬仿真教學相結合，綜合了增減材先進加工技術、互聯(lián)網＋、物聯(lián)網、大數據、虛擬現(xiàn)實、云平臺等技術，開發(fā)基于數字孿生技術的智能制造解決方案，平臺基于網絡建設，特別加強了教學過程人機交互，激發(fā)學生主動思考提高，形成了效果優(yōu)良的創(chuàng)新型教學新形式。

（2）加大8門核心課綜合性實驗比例（占75%以上比例），探索了“自主設計-互動討論-自主實驗-總結改進”四環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式，綜合性實驗均以團隊（3～5名學生）完成，環(huán)節(jié)包括團隊組建，確定組長，團隊設計實驗方案、方案答辯、進行實驗（制作實物）、撰寫實驗報告及答辯等環(huán)節(jié)，在技術能力培養(yǎng)的同時實現(xiàn)了團隊合作、項目管理等非技術能力培養(yǎng)［17］（見圖4）。

圖4 綜合性實驗四環(huán)節(jié)教學模式

（3）《機械設計基礎》《工程制圖》《裝備與制造技術基礎》《材料成型技術基礎》《機械工程測試技術》等6門專業(yè)課程實施線上教學與線下討論教學模式，培養(yǎng)自主學習能力。

（4）構建了VEX機器人社團、虛擬儀器設計俱樂部、方程式車隊、機械創(chuàng)新設計俱樂部、數字化設計社團5類學科競賽與創(chuàng)新實踐科技社團，學生對社團自主管理及自主創(chuàng)新實踐，在團隊實踐中進行雙能力融合培養(yǎng)［18］。

2.3 構建評學與評教相結合的質量評價體系

（1）對學習過程中的多個環(huán)節(jié)、多個節(jié)點學習效果評價，建立了各類實踐環(huán)節(jié)雙能力融合的能力達成評價量規(guī)表，評價指標充分體現(xiàn)學生創(chuàng)新意識、組織能力、合作能力，以及交流表達等非技術能力產出，形成了基于OBE的能力達成評價體系。

（2）構建了學生評教與同課程教師、專家評教相結合的質量評價體系，學生基于學習效果評教，同課程教師與專家基于雙能力產出教學過程組織評教；建立了“評價、反饋、改進”機制，評價數據用于教師及學院教學質量持續(xù)改進。

（3）90%專業(yè)核心課程通過團隊課程設計、團隊綜合性實驗等多環(huán)節(jié)支撐雙能力融合培養(yǎng)，成績構成中充分體現(xiàn)學生非技術能力占分比例。

（4）學院制定獎勵性政策，對參加課程之外的學科和科技競賽、社會實踐及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等活動的學生在獎學金、評優(yōu)及保研中進行加分獎勵。

圖5 實驗教學評價系統(tǒng)

3 人才培養(yǎng)成效

機械工程學院面向“中國制造2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略對雙能力融合的新型高等工程人才培養(yǎng)需求，構建了相應的教學體系，建設了“智能制造”綜合能力培養(yǎng)教學平臺，探索了四環(huán)節(jié)實踐模式與線上線下結合的授課模式，開發(fā)基于OBE的教學質量評價體系，建成理念先進、人才培養(yǎng)效果顯著的智能制造領域人才培養(yǎng)基地，人才培養(yǎng)成效顯著。

（1）建設成果廣泛應用、受益面廣。面向全校16個本科專業(yè)開設系列綜合與創(chuàng)新性實驗120項，年均受益超3 000人；《機械設計基礎》MOOC課獲評首批國家精品在線開放課程，注冊選課人數突破9.5萬人；《工程制圖》《機械工程測試技術》等6門課程上線，總點擊量超30萬次；主編了《機械制造技術基礎》《機械工程測試技術》《機械設計基礎》《畫法幾何》《機械控制基礎》《機械精度基礎》等教材12本，共計發(fā)行190余萬套（冊）；2018年“工業(yè)機器人虛擬仿真”獲批國家級虛擬仿真項目。

（2）畢業(yè)生質量不斷提升。全球四大排名機構之一QS集團數據分析顯示：本專業(yè)畢業(yè)生全球雇主聲譽近年來“持續(xù)上升”，在MIT、密歇根及清華等5家高校中“漲幅最大”；2018年上海軟科發(fā)布的機械學科排名，西安交通大學機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)質量列國內第一；畢業(yè)生競爭力強，2015——2019屆畢業(yè)生超過68%繼續(xù)深造，25%就業(yè)于國內外具有影響力的骨干企業(yè)，其中12%供職于世界500強企業(yè)；專業(yè)于2017年11月第二次通過教育部工程教育專業(yè)認證協(xié)會組織的認證，認證組專家對辦學理念及培養(yǎng)質量給予高度評價，獲6年有效期。

（3）在校生能力不斷增強。近5年來，100%學生參加CDIO創(chuàng)新項目，85%參加學科競賽，獲省部級與國家級獎勵160余項；近3年學生獲“互聯(lián)網＋大賽”國家級金獎2項；2017——2019年VEX機器人隊連續(xù)3年獲世界錦標賽冠軍，尤其2018年在美國肯塔基州路易斯維爾市舉辦的2017——2018VEX機器人世界錦標賽中，我院VEX機器人隊與來自全球20多個國家80余支隊伍經過4天的激烈比賽后包攬了“全能總冠軍”、“聯(lián)賽冠軍”和“技能挑戰(zhàn)賽冠軍”，創(chuàng)該比賽歷史記錄；全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽2016及2018年兩屆比賽共獲全國一等獎17項，二等獎7項，一等獎和總獲獎數均居全國第一；2019年世界機器人大會獲賽項總冠軍、聯(lián)賽冠軍、AI創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽亞軍。

（4）人才培養(yǎng)體系及平臺廣泛示范輻射。近5年學院及2個國家級實驗教學示范中心累計接待清華大學、上海交通大學、香港科技大學、美國創(chuàng)新創(chuàng)客教育機構等國內外高校和企業(yè)超1 100人次交流參觀；2019年10月中國國際電視臺直播采訪我院“VEX機器人隊”及“方程式汽車車隊”，面向全球播放；2017年3月，學院舉辦首屆全國“創(chuàng)新性人才培養(yǎng)實踐教學研討會”，來自40余所院校的教學副院長、實驗中心主任及教師100多人參加會議；2016年發(fā)起西北《工程制圖》課程教學研修班，吸引了來自陜西、甘肅、新疆等省份36所院校的74名教師參加；獲批省部級以上教改項目12項，在《高等工程教育研究》《實驗室研究與探索》《實驗技術與管理》等高等教育期刊上發(fā)表教改論文40余篇。

4 結 語

機械工程學院面向“中國制造2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略對雙能力融合的新型高等工程人才培養(yǎng)需求，構建了技術與非技術能力融合培養(yǎng)的教學體系，開設多門針對系統(tǒng)級思維、項目管理等非技術能力培養(yǎng)的課程，圍繞智能制造把12門專業(yè)核心課程有機交叉融合，打破專業(yè)課程知識結構壁壘，建設智能制造教學與實踐平臺為中國制造2025所需人才培養(yǎng)提供了有效載體。

開展線上教學與線下討論相結合的混合式理論教學新模式的探索，形成了學生為主體的生師互動教學模式，構建了虛實融合互補的車間級智能制造教學平臺，有效支撐了雙能力融合培養(yǎng)；以綜合實驗、CDIO項目創(chuàng)新實踐，以及綜合課程設計為抓手，構建了“自主設計-互動討論-自主實驗-總結改進”的四環(huán)節(jié)實踐、社團式創(chuàng)新實踐等基于雙能力產出的培養(yǎng)模式，為中國制造2025所需人才培養(yǎng)提供了有效支撐。

基于OBE理念構建了評學、評教為一體的教學質量評價體系，明確了新型工程人才培養(yǎng)中“教”與“學”二個維度的能力評價指標設計、標準設置；設計了體現(xiàn)非技術能力達成的量規(guī)表，并在學生考核成績中充分體現(xiàn)非技術能力的占分比例；構建了包含學生、教師、專家三主體的教學質量評價方法，制定了學生能力達成獎勵制度，從而激勵學生主動全面學習，確保了學生綜合能力培養(yǎng)效果，為中國制造2025所需人才培養(yǎng)提供了質量保障。

機械工程學院自2011年以來，以高端智能制造裝備為載體，圍繞未來智能制造人才培養(yǎng)主動的、系統(tǒng)化的改革創(chuàng)新，持續(xù)改進教學質量，形成了面向“中國制造2025”的智能制造類人才培養(yǎng)新模式。