李 晶，姜歌東，陶 岳

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

黨的十九大報告提出，我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，裝備的智能化升級、智能工廠的興起成為制造業(yè)升級的重要趨勢。智能制造技術(shù)是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合，加快發(fā)展智能制造，是培育我國經(jīng)濟增長新動能的必由之路［1-3］。數(shù)控技術(shù)是集機械制造、自動化控制、微電子、信息處理等技術(shù)于一身，在實現(xiàn)制造自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的過程中占據(jù)著舉足輕重的地位［4-5］，先進數(shù)控技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展已成為完成智能制造工程的重要保障。

1 智能制造背景下數(shù)控技術(shù)人才的新要求

先進的數(shù)控技術(shù)促使制造產(chǎn)業(yè)發(fā)生巨大變革，支撐這一變革的關(guān)鍵因素是高水平的專業(yè)人才。智能制造背景下，對數(shù)控技術(shù)專業(yè)人才的知識結(jié)構(gòu)、知識體系和專業(yè)能力等各方面也必然會提出新的要求［6］。智能制造不能簡單地理解為“機器換人”，更多的是要解放思想，以自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等新理念、新技術(shù)手段，實現(xiàn)更高質(zhì)、更低成本的生產(chǎn)服務(wù)［7］。因此，智能制造時代，對知識型、技能型的數(shù)控技術(shù)人才需求更加迫切，更需要一大批具有較高綜合技能、跨學(xué)科知識儲備、工程社會意識的數(shù)控技術(shù)人才。

1.1 具有學(xué)科交叉復(fù)合融通的知識體系

在智能制造環(huán)境的影響下，先進數(shù)控技術(shù)朝著開放、智能化方向邁進［8］。智能生產(chǎn)線、智能工廠將帶來更多先進的新技術(shù)、新設(shè)備。數(shù)控技術(shù)人才培養(yǎng)必須以系統(tǒng)專業(yè)知識為基礎(chǔ)，同時重新審視相關(guān)專業(yè)和課程的邊界，促進工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與數(shù)控技術(shù)知識內(nèi)容的有機融合，實施本、碩、博縱向貫通、多學(xué)科橫向交叉的復(fù)合融通的知識體系。

1.2 具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力

智能制造背景下，大規(guī)模的智能生產(chǎn)線、工業(yè)機器人、高檔數(shù)控機床、傳感器等一大批高端設(shè)備的使用，使得數(shù)控工程師不再是操作原先單一的設(shè)備，崗位職責變得更加寬廣，不僅只是操作設(shè)備，還要懂得維護維修設(shè)備、工藝設(shè)計等工作。同時，對智能化生產(chǎn)線的監(jiān)控、調(diào)試和維護也變得更加復(fù)雜，要求數(shù)控人員不僅要熟練掌握安裝、調(diào)試工作，還要擅長使用各類工業(yè)化、信息化軟件來分析處理各類復(fù)雜數(shù)據(jù)。因此需要新數(shù)控技術(shù)人才具有較強的工程實踐和解決復(fù)雜工程問題的能力。

高檔數(shù)控機床作為國家戰(zhàn)略級高端裝備以及智能制造工程5 類關(guān)鍵技術(shù)裝備與10 大重點集成應(yīng)用領(lǐng)域之一［9］，解決數(shù)控技術(shù)中的智能編程、多軸聯(lián)動、高速高精控制、機床誤差補償、工藝參數(shù)自優(yōu)化、自適應(yīng)控制、在線診斷和遠程維護、智能生產(chǎn)管理、機床聯(lián)網(wǎng)群控管理、數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)，更需要有較高專業(yè)素質(zhì)的領(lǐng)軍人才進行技術(shù)創(chuàng)新與突破。

1.3 具有工程社會意識

資源利用效率偏低，既是我國制造業(yè)現(xiàn)在的問題，同時又是面向未來的問題，綠色發(fā)展方針是實現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路［10-11］。新技術(shù)變革條件下的數(shù)控技術(shù)工程師應(yīng)當具有工程倫理意識、強烈的社會責任感和人文情懷。對于數(shù)控機床、工業(yè)機器人等智能設(shè)備與智能生產(chǎn)線、智能工廠的設(shè)計與建設(shè)過程中，要踐行綠色設(shè)計理念，采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝強化節(jié)能環(huán)保。利用虛擬仿真技術(shù)在設(shè)備、系統(tǒng)建設(shè)前進行充分優(yōu)化設(shè)計。

2 數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)改革舉措

為了應(yīng)對智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展對數(shù)控技術(shù)人才培養(yǎng)提出的新要求，高校應(yīng)當采取有效措施和路徑來培養(yǎng)面向智能制造的新數(shù)控技術(shù)人才。在此以我校開展數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)改革探索與實踐為例進行剖析。面向“中國制造2025”的國家重大需求，面向未來科技、產(chǎn)業(yè)和社會發(fā)展，以先進的智能制造平臺建設(shè)為基礎(chǔ)，開展多種途徑的數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)改革與研究，調(diào)整實驗教學(xué)內(nèi)容，梳理實驗教學(xué)體系，創(chuàng)新使用虛擬仿真教學(xué)手段，以取得良好的教學(xué)成效。

2.1 構(gòu)建層次化實驗教學(xué)內(nèi)容體系

數(shù)控技術(shù)課程的層次化實踐教學(xué)是指根據(jù)課程教學(xué)要求、實驗教學(xué)定位、學(xué)生的能力和興趣，將數(shù)控技術(shù)實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)分為基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、科研創(chuàng)新訓(xùn)練3 個層次。其中基礎(chǔ)實驗為必做實驗，注重培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)控技術(shù)課程基本知識的理解與基本技能的掌握；綜合實驗是選做實驗，注重培養(yǎng)學(xué)生知識綜合運用和解決問題的能力；科研創(chuàng)新訓(xùn)練注重培養(yǎng)學(xué)生開展數(shù)控技術(shù)方面的研發(fā)、設(shè)計與應(yīng)用的創(chuàng)新能力和探索精神?；A(chǔ)實驗、綜合實驗主要以課內(nèi)和課外開放實驗為主開展教學(xué)?？蒲袆?chuàng)新訓(xùn)練主要以CDIO項目實踐、大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目等方式開展教學(xué)，學(xué)生以3～5 人的項目團隊合作的方式，在教師指導(dǎo)下，經(jīng)過1 年時間，完成產(chǎn)品（系統(tǒng)）的構(gòu)思、設(shè)計、制作與運行。

圖1 所示為數(shù)控技術(shù)3 層次的實踐教學(xué)內(nèi)容體系。各層次實驗內(nèi)容在縱向上由淺至深，由簡單到復(fù)雜。在橫向上由點到面，打破相關(guān)課程邊界壁壘，開展“課際交叉”的綜合實驗和科研訓(xùn)練項目，使學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力及創(chuàng)新意識、探索精神得以充分鍛煉。開展層次化數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)，學(xué)生能夠扎實掌握基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，同時，能將數(shù)控技術(shù)與工業(yè)機器人、機電一體化、大數(shù)據(jù)等知識融合貫通。層次化實驗教學(xué)體系是確保數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)目標落到實處的有效保障。

圖1 3層次數(shù)控技術(shù)實踐教學(xué)內(nèi)容體系

2.2 建設(shè)示范性實驗平臺

我校面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)主動布局人才培養(yǎng)，先后與華中數(shù)控、北京蘭光、上海犀浦等公司合作，共同開發(fā)、建設(shè)先進的、貼近工業(yè)現(xiàn)場、基于工業(yè)4.0 的智能制造學(xué)科交叉創(chuàng)新實踐平臺（見圖2），平臺主要包括微渦發(fā)動機智能制造實踐平臺、犀浦智能制造大賽實訓(xùn)平臺。以一流實驗平臺建設(shè)為基礎(chǔ)，推進實踐教學(xué)內(nèi)容和模式同步轉(zhuǎn)型升級。平臺將智能制造的機器人、數(shù)控機床、虛擬仿真、云數(shù)控、信息化管理、數(shù)字孿生等技術(shù)進行融合，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、管理與運維、物流服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期運行、監(jiān)控過程。

圖2 基于工業(yè)4.0的智能制造學(xué)科交叉創(chuàng)新實踐平臺

依托智能制造學(xué)科交叉創(chuàng)新實踐平臺，使得數(shù)控技術(shù)各層次實踐教學(xué)得以順利開展?；谥悄苤圃焐a(chǎn)線，開展數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與操作、工業(yè)機器人編程、生產(chǎn)線系統(tǒng)集成與PLC 調(diào)試等實驗。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的采集、管理、控制，開展工藝優(yōu)化、機床狀態(tài)監(jiān)控與診斷等實驗。犀浦智能制造大賽實訓(xùn)平臺是全國大學(xué)生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽——智能制造大賽的指定比賽平臺。在比賽中，學(xué)生可以完成生產(chǎn)線數(shù)字雙胞胎虛實聯(lián)調(diào)，物理生產(chǎn)線設(shè)備組態(tài)與運行控制、機器人編程、機器視覺編程、生產(chǎn)線系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等實戰(zhàn)演練。

2.3 信息化教學(xué)創(chuàng)新教學(xué)手段

深化教育教學(xué)與信息技術(shù)深度融合，運用虛擬現(xiàn)實、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，開展數(shù)控技術(shù)虛擬仿真教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛幻的條件與場景、逼真的操作對象、靈活多樣的互動環(huán)節(jié)及學(xué)習內(nèi)容［12-14］，能大大提高學(xué)生參與實驗的積極性。同時，很多大型數(shù)控機床、工業(yè)機器人價格昂貴、使用和維護成本高，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用彌補了設(shè)備臺套數(shù)受限的問題，同時能減少工具和材料的損壞和消耗。學(xué)生可以充分利用課余時間遠程實驗，不受空間、時間限制，打破課堂教學(xué)固有模式，使課堂教學(xué)得以延伸，有效地提高實驗教學(xué)效果和質(zhì)量。

在數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)的零件設(shè)計實驗中，引入UG、Mastercam等CAD/CAM軟件，完成零件的三維建模與仿真加工（見圖3）。在零件加工實驗中，引入數(shù)控加工仿真軟件（見圖4），軟件提供多種廠家數(shù)控系統(tǒng)和機床模型、刀具型號，能夠模擬機床對刀、毛坯安裝、機床操作、零件加工等過程。最后，將編好的數(shù)控程序在數(shù)控仿真軟件中反復(fù)驗證，導(dǎo)入到機床進行實際加工。

圖3 葉輪零件的三維建模與仿真加工

圖4 數(shù)控加工仿真軟件

依托我?？蒲袑嵙?，自主開發(fā)工業(yè)機器人仿真軟件（見圖5）。該仿真軟件可以模擬工業(yè)機器人基本操作，完成零件在數(shù)控機床、料倉等設(shè)備上、下料、中轉(zhuǎn)、射頻識別（RFID）掃碼等作業(yè)軌跡的示教編程。通過機器人仿真軟件的學(xué)習，讓每一個學(xué)生都有機會身臨其境、快速掌握工業(yè)機器人編程與應(yīng)用等專業(yè)知識。

圖5 工業(yè)機器人仿真軟件系統(tǒng)

利用博圖TIA 軟件對智能產(chǎn)線設(shè)備進行虛擬組態(tài)、集成和調(diào)試（見圖6）。先在虛擬環(huán)境中編制自動化控制邏輯和PLC程序，然后再將其下載到真實智能生產(chǎn)線，控制物理自動化生產(chǎn)線運行。

圖6 生產(chǎn)線設(shè)備集成與虛擬控制調(diào)試

2.4 競賽提升學(xué)生綜合能力

大賽作為促進學(xué)生成才的重要平臺，是加強技能型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、選拔的重要途徑［15-16］。以賽促學(xué)、以賽促教，將競賽內(nèi)容和任務(wù)與數(shù)控技術(shù)課程的相關(guān)實驗內(nèi)容密切關(guān)聯(lián)，將大賽內(nèi)容融入課堂，讓全體學(xué)生都能學(xué)習到新的工藝和技術(shù)。我校學(xué)生連續(xù)兩年參加中國大學(xué)生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽——智能制造大賽，取得一等獎2 項、二等獎3 項及其他多項獎項。大賽以真實的工業(yè)設(shè)備和工業(yè)環(huán)境作為賽場，以工業(yè)企業(yè)的工程標準作為考核評分指標，切實全面鍛煉學(xué)生工程設(shè)計、工程操作、工程創(chuàng)新和解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。在比賽中也潛移默化地提高了學(xué)生團隊協(xié)作能力、獨立思考和創(chuàng)新能力。

3 建立線上、線下相結(jié)合的考核評價體系

實驗教學(xué)考核作為實驗教學(xué)過程中的一個重要組成部分，是用來考核學(xué)生學(xué)習情況、檢驗實驗教學(xué)效果、實現(xiàn)實驗教學(xué)目的主要手段，也是衡量人才培養(yǎng)質(zhì)量的主要環(huán)節(jié)［17］。數(shù)控技術(shù)實驗教學(xué)建立了知識能力與思維方法并重、線上線下相結(jié)合的實踐教學(xué)考核體系和運行模式，不僅關(guān)注實驗結(jié)束時的考核結(jié)果，更注重課前預(yù)習及對實踐過程的管理與考核。比如，利用互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)學(xué)生線上課前預(yù)習，相關(guān)知識點網(wǎng)上測試；實驗成果在線提交、展示、老師在線批閱等?？己嗽u價體系應(yīng)以評價課程教學(xué)目標、學(xué)生能力培養(yǎng)目標的達成為主要目的，做到從不同方面對學(xué)生科學(xué)評價的同時，更要注重學(xué)生對實踐教學(xué)的評教與反饋，以便更好促進實踐教學(xué)改革與教學(xué)質(zhì)量的提高。

將信息化技術(shù)引入實驗教學(xué)，對學(xué)生實驗過程的大數(shù)據(jù)進行采集與分析，實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習與實驗基本情況的辨識?；诖髷?shù)據(jù)的量化評價能夠減少單一評價的主觀性偏差，為學(xué)生提供更多元、更全面的評價。同時，對儀器設(shè)備、線上資源利用、學(xué)生的登錄次數(shù)與在線時長、實驗的參與率等大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，能為實驗教學(xué)評價與改進提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

智能制造背景下的高校數(shù)控技術(shù)教學(xué)不僅面臨著機遇，也面臨著重大挑戰(zhàn)，因此，面向制造業(yè)未來發(fā)展需求，開展數(shù)控技術(shù)教學(xué)改革勢在必行。數(shù)控技術(shù)教學(xué)應(yīng)確立清晰、準確的人才培養(yǎng)目標，建立起科學(xué)、合理的人才培養(yǎng)規(guī)劃。整合各類軟硬件條件，重新審視數(shù)控技術(shù)與相關(guān)課程邊界，優(yōu)化課程體系，注重專業(yè)知識融會貫通，強化綜合實踐訓(xùn)練，才能培養(yǎng)出符合先進制造業(yè)需求的具有較強工程實踐能力的工程技術(shù)人才和具有創(chuàng)新能力和專業(yè)素養(yǎng)的領(lǐng)軍人才。