[摘 要]實驗教學對于培養(yǎng)學生的工程應用能力與創(chuàng)新思維有重要的作用。智能制造工程專業(yè)作為新設專業(yè)，部分傳統(tǒng)的實驗教學體系存在實驗內容呈現(xiàn)碎片化、融合度不高、創(chuàng)新性不足，實驗過程程式化、應用性不強，個性化不夠等問題，難以滿足制造業(yè)的轉型升級所帶來的人才需求。為此，高校應建設覆蓋產(chǎn)品的全生命周期的智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺，并以平臺為切入點，構建虛實結合的智能制造工程專業(yè)實驗教學體系。

[關鍵詞]智能制造工程專業(yè);實驗體系;虛實結合

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2023）03-0024-07

引言

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，智能制造工程專業(yè)已成為世界各國關注的焦點。我國高度重視智能制造工程專業(yè)的發(fā)展。在此驅動下，服務智能制造工程專業(yè)相關領域人才的短缺也成為當下亟待解決的問題。我國教育部自2017年在高校開設智能制造工程專業(yè)，目前，全國已有多所高校成功申辦該專業(yè)。智能制造工程是指在生產(chǎn)過程中，將智能裝備通過通信技術有機連接起來，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，并通過各類感知技術收集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)等通信手段，上傳至工業(yè)服務器，在工業(yè)軟件系統(tǒng)的管理下進行數(shù)據(jù)處理分析，并與企業(yè)資源管理軟件相結合，提供優(yōu)化的生產(chǎn)方案或者定制化生產(chǎn)，最終實現(xiàn)智能化生產(chǎn)[1]。

由此可見，智能制造工程所需要的人才要有復合的知識結構、多元的能力特征，而縱觀教學全過程發(fā)現(xiàn)，實驗教學對這些能力的培養(yǎng)起著重要的作用。因此，許多高校積極開展智能制造工程專業(yè)的實驗教學研究，比如，天津大學采用專業(yè)虛擬仿真軟件，通過計算機網(wǎng)絡將智能制造工程設備3D虛擬模型與實體PLC設備建立實時數(shù)據(jù)連接，形成虛實結合的智能制造工程實驗教學系統(tǒng)[2]。西安交通大學籌建了大學版“工業(yè)4.0”智能制造工程學科交叉實踐創(chuàng)新平臺，將虛實結合的技術和理念貫穿到產(chǎn)品設計、產(chǎn)線設計、加工制造、智能管理、物流服務等各環(huán)節(jié)[3]，并依托該平臺設計實驗內容，創(chuàng)新實驗模式。北京工業(yè)大學結合制造島概念，在校區(qū)范圍內建立覆蓋產(chǎn)品生產(chǎn)全流程的工業(yè)化、智能化、網(wǎng)絡化、模塊化智能學習工廠，并基于此建立實踐教學體系[4]。

這些高校為智能制造工程專業(yè)實驗教學的改革起到了引導和示范的作用。但是，因各個學校的辦學定位及人才培養(yǎng)方案不盡相同，不宜照搬這些高校的智能制造工程專業(yè)實驗教學方法，否則容易造成人才培養(yǎng)的單一化、泛在化，這與智能制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)的初衷不相契合，高校開設智能制造工程專業(yè)，不僅要培養(yǎng)對智能制造工程技術進行研究、開發(fā)、升級的高端人才，也要培養(yǎng)對智能制造工程裝備、生產(chǎn)線進行安裝、調試、管控和應用的技術技能型人才。上述所提到的高校主要是研究型大學，其致力于培養(yǎng)智能制造工程專業(yè)高端人才，而應用型高校要培養(yǎng)智能制造工程專業(yè)技術技能型人才，還需要構建一套新的專業(yè)實驗教學體系，以適應該類人才的培養(yǎng)需求。

一、智能制造工程專業(yè)實驗教學理念

基于此，筆者調研產(chǎn)業(yè)需求，對智能制造工程專業(yè)技術技能型人才需要掌握的知識進行分解，主要包含以下指標：一是能夠安裝、調試、布署智能制造工程專業(yè)裝備、生產(chǎn)線;二是應用、操作工業(yè)軟件進行產(chǎn)品的數(shù)字化設計與制造;三是操作、編程、應用智能制造工程專業(yè)裝備、生產(chǎn)線進行智能加工;四是提供智能制造工程專業(yè)相關技術咨詢和技術服務[5]。而要完成以上指標，需要有系統(tǒng)性的實踐平臺。因此，高校應從產(chǎn)業(yè)需求出發(fā)，以提升學生的知識面和技術技能為宗旨，依照產(chǎn)品的全生命周期，建設智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺，開展智能制造工程專業(yè)技術技能型人才的培養(yǎng)。為有效地利用該實踐創(chuàng)新平臺，避免平臺的閑置和不當利用，一些高校重新構建了與之匹配的智能制造專業(yè)工程實驗教學體系。

二、智能制造工程專業(yè)實驗教學體系

實驗教學體系依托智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺，緊緊圍繞上述4個指標點，縮減原有專業(yè)基礎課程中傳統(tǒng)的演示型、驗證型實驗，引入課程中關于新知識、新技術的虛擬仿真實驗;合并相關專業(yè)核心課程的課程設計、金工實習等，組成綜合型實驗;增設學科前沿課程的虛擬仿真實驗，與智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺相輔相成，形成虛實結合的應用創(chuàng)新型實驗實訓項目，構建“基礎型—綜合型—應用創(chuàng)新型”層層遞進的智能制造工程專業(yè)實驗教學體系，以促進應用型高校學生的知識水平和實踐能力的不斷提升。

（一）基礎型實驗

基礎型實驗主要是針對智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺所需要的基礎知識，所涉及的課程多是機械、電子等方向的專業(yè)基礎課程，當前所開設實驗大多重理論、輕操作，演示型、驗證型實驗居多，且內容更新不足，難以滿足智能制造工程這一新興產(chǎn)業(yè)對技術技能型人才的培養(yǎng)要求，所以應縮減原有的實驗項目，同時針對新知識、新技術、新應用增加虛擬仿真實驗。一方面是因為虛擬仿真實驗教學可遠程共享，不受時間、空間限制，方便線上實驗教學模式的變革。虛擬仿真實驗初期搭建成本雖然較高，但后期使用維護費用較低;另一方面智能制造工程專業(yè)本身就是虛擬（數(shù)字）和現(xiàn)實（物理）的交互體，更適合虛擬仿真。比如，在材料力學課程中加入汽車鋰電池沖擊測試等虛擬仿真實驗，在機械制造專業(yè)技術課程中加入3D打印（金屬）全流程虛擬仿真等實驗，將新技術更快應用于實踐。

同時，在基礎型實驗中加入能夠反映學科發(fā)展趨勢的課程，組成智能制造工程專業(yè)模塊。其他課程按照知識的關聯(lián)度也將其模塊化，有助于學生在線上自主實驗時能夠根據(jù)模塊化的知識框架建構自己的知識體系[6]，如下頁圖1所示。

第一階段的基礎型實驗屬于不同的知識領域，所以對應不同的課程，教師一般只負責本課程知識點的講授，而該課程知識點與另一課程知識點的知識銜接，部分教師很少作講解，使得實驗內容呈現(xiàn)碎片化。為解決這一問題，第二階段設置綜合型實驗。

（二）綜合型實驗

在綜合型實驗中，將原有的課程設計、金工實習等按照知識體系框架、崗位所需技能的指標點進行整合，組成模塊化的綜合實驗項目。比如機械制圖測繪、機械基礎課程的設計，一般安排在該門課程結束后，分布在不同學期，設計內容相同點多，在機械制圖測繪中已經(jīng)對二級斜齒圓柱齒輪的減速器進行了測量與繪制的訓練，在機械基礎的課程設計中又對該減速器進行了設計并繪制，使減速器的裝配圖及零件圖的繪制在兩門課程的設計中相同，進行了重復性的訓練，且知識呈碎片化，缺少綜合型的系統(tǒng)訓練。同時，該課程設計缺少更新，設計過程程式化，使用常規(guī)機構的計算與減速器的繪圖，創(chuàng)新性不足。

新實驗設計將其優(yōu)化重組，合成為機械創(chuàng)新課程設計，學生通過課程學習，了解整個裝置的設計流程，利用綜合機械基礎課程中的平面連桿機構、凸輪機構等內容來組建執(zhí)行機構、確定設計方法;依據(jù)課程中的帶傳動、齒輪傳動等擬定傳動方案、計算傳動參數(shù)及運動參數(shù);確定零件的結構尺寸并正確選型標準件。掌握依據(jù)機械制圖課程所學的繪圖標準及規(guī)范，并借助繪圖軟件或三維建模軟件來設計零件、組件，有能力者可進行數(shù)字化建模與仿真，從而完成指標2的第一層次——應用工業(yè)軟件進行數(shù)字化設計。

同時，課程設計不再由教師定題目，而是采取自主選擇題目或自我擬定的方式。原有的常規(guī)題目，可以匹配給基礎比較薄弱的學生使用;而對于實踐能力較強、有一定的實踐經(jīng)驗的學生可以自擬題目，從而實現(xiàn)多層次的實驗教學，滿足個性化的培養(yǎng)要求。

改革后的綜合型實驗項目，解決了原有的實驗內容碎片化、融合度不高、創(chuàng)新性不足，實驗過程程式化、過程應用性不強、個性化不夠等方面的問題。

按照產(chǎn)品的生命周期，在設計完成上述的零件或者部件之后要對其進行加工制造，這就需要完成數(shù)控實習（涵蓋數(shù)控機床編程及操作、數(shù)控技術課程），從而完成指標2的第二層次——操作工業(yè)軟件進行數(shù)字化制造。其他如控制類課程的綜合型實驗項目，按照產(chǎn)品的生命周期，圍繞智能制造專業(yè)所要實現(xiàn)的指標點，整合成對應模塊。

但是，僅依靠上述的實驗項目，部分學生難以建構系統(tǒng)化的專業(yè)知識體系，掌握智能化的生產(chǎn)流程相關知識，導致其在面對智能制造工程中的復雜問題時，缺少應對能力，在變革新技術、新工藝時，實踐創(chuàng)新能力不足，所以應在第三階段設置應用創(chuàng)新型實驗。

（三）應用創(chuàng)新型實驗

1.智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺

應用創(chuàng)新型實驗圍繞智能制造工程專業(yè)技術技能型人才所要掌握的指標點，以提升學生的工程應用能力和創(chuàng)新能力為目標，搭建了集教學、培訓、科研、競賽于一體的虛實結合的智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺。該平臺能夠完成智能物流、智能加工、智能組裝和智能管控等功能，實現(xiàn)了從原料到零件、零件組裝成產(chǎn)品，產(chǎn)品質檢并輸出的全部過程，映射了產(chǎn)品的全生命周期。

智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺采用知識矩陣式布局，映射實際的企業(yè)級智能生產(chǎn)線，由若干智能生產(chǎn)單元構成，每個單元所需設備按照工作需求放置并由圍欄圍成方形，與其他單元呈矩陣式排列，以提高工作效率，如圖2所示，每個單元既可單獨運行，進行課程教學、競賽等，也可自由組合為一體，進行實際生產(chǎn)。同時，每個單元分別鏈接對應的虛擬仿真系統(tǒng)，以供不同層次的學生的學習、訓練，滿足學生的個性化需求。

2.實驗流程

實驗流程以活塞連桿為加工對象，對生產(chǎn)流程進行介紹，如圖3所示。

智能倉儲單元1：MES系統(tǒng)發(fā)出取料指令，巷道堆垛機對相應的儲料托盤坐標進行準確定位后，將托盤的毛坯料取出，并放至AGV對接機構，同時讀取RFID電子標簽上的信息。AGV小車接駁毛坯料送至智能加工單元1。通過該單元的訓練，學生能夠掌握關于MES系統(tǒng)集成、RFID射頻識別技術等智能控制的相關知識。

智能加工單元1：AGV接駁小車的毛坯料，RFID信息讀取，機器人抓取毛坯料并自動上料至數(shù)控車床，自動加工，完成活塞外圓、內圓及溝槽的加工，機器人自動卸料至超聲波清洗機進行半成品的清洗，完成后送至AGV對接機構，RFID信息讀取，AGV小車接駁AGV對接機構上的半成品送至智能加工單元2。通過該單元的訓練，學生能夠掌握機器人編程及技術應用、數(shù)控車床編程及加工技術等智能加工的知識。

智能加工單元2：AGV對接機構接駁AGV小車的半成品，RFID信息讀取，機器人抓取對接機構上的半成品并自動上料至四軸加工中心，完成活塞外凸臺、側壁及內側壁、孔等部件的加工，機器人自動卸料至超聲波清洗機進行成品的清洗，完成后送至AGV對接機構，RFID信息讀取， AGV小車接駁AGV對接機構上的活塞成品送至智能檢測單元（與智能加工單元1所不同的是數(shù)控車床換成四軸加工中心）。通過該單元的訓練，學生能夠拓寬機器人、數(shù)控加工中心及超聲波清洗機的編程及應用技術等智能加工的知識。

智能檢測單元：AGV對接機構接駁AGV小車的活塞，RFID信息讀取，機器人抓取活塞送至檢測機構——CCD檢測臺，CCD機器視覺檢測是一種非接觸測量方法，可以避免對被測件的損傷。若檢測合格則放置AGV機構，若不合格則放置NG位， RFID信息讀取，AGV小車接駁機構上的活塞送至智能裝配單元1。通過該單元的訓練，學生能夠掌握三坐標測量機檢測技術、機器人編程、機器視覺檢測等智能檢測的知識。

智能裝配單元1：AGV接駁活塞，RFID信息讀取，機器人抓取活塞送至裝配工位，進行活塞與已加工連桿（連桿也是按照該流程進行加工，區(qū)別在于通過智能檢測單元的三坐標測量機進行檢測）的裝配，裝配完檢測，送至AGV機構， RFID信息讀取，AGV小車接機構上的組件1送至智能裝配單元2。

智能裝配單元2：流程同智能裝配單元1，進行連桿與連桿蓋的裝配，完成后送至質檢打標單元。通過智能裝配單元的學習，學生能夠掌握機器人運動學與動力學仿真、智能控制技術等知識。

質檢打標單元：完成成品的打標，送至智能倉儲單元2。通過該單元的學習，學生能夠掌握Python機器學習、激光打標、機器人控制技術等知識與技能。

智能倉儲單元2：智能倉儲單元2有別于單元1的巷道倉貨架，采用的是環(huán)形倉貨架。按照倉儲單元1的流程，完成成品的倉儲。通過該單元的學習，學生能夠掌握電氣控制與PLC、人工智能與大數(shù)據(jù)等知識。通過以上每一個單元的學習及綜合生產(chǎn)流程的訓練，學生可以達成實驗教學理念中提到的4個指標。

由上述流程可見，每一個單元涵蓋工業(yè)機器人、數(shù)控機床、AGV自動小車、PLC、 RFID、工業(yè)以太網(wǎng)總線、MES、數(shù)字化仿真等技術，各個單元既能獨立完成相關功能，也可根據(jù)工藝要求銜接成一個生產(chǎn)流程。由于所有的智能單元均以同一產(chǎn)品為對象，實現(xiàn)了實驗內容的全流程貫通，通過這一實踐創(chuàng)新平臺的訓練，幫助學生將所學的專業(yè)知識轉化為工程應用能力，在工程實踐、工業(yè)應用上具有更強的適應性，達到了所學即所用、畢業(yè)即可上崗的要求。

三、依托平臺的實驗教學

依托上述的智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺，借助學科競賽、創(chuàng)新訓練項目等賽事，學生可以結合自身的興趣及發(fā)展需求，進行某一方向的創(chuàng)新拓展訓練。例如，學生通過智能加工單元1，對機器人從對接機構抓取半成品并自動送至數(shù)控車床的路徑點及軌跡進行規(guī)劃、避障處理，完成加工后，再對機器人抓取成品至超聲波清洗機的路徑點及軌跡進行規(guī)劃、避障處理，以上內容是關于機器人的位姿描述與坐標變換（平移加旋轉）的計算，是工業(yè)機器人運動學和動力學課程所學。完成機器人的運動軌跡計算后，要編寫程序，使之驅動機器人完成上下料等動作，這是機器人離線編程課程所學。將所編程序輸入到機器人系統(tǒng)，操控機器人動作，是機器人技術及應用課程所學，所以，通過這個實踐平臺的其中一個單元，學生將碎片化的課程內容融合起來，在實際的應用中主動建構了這一模塊的知識體系。學生在參加有關工業(yè)機器人的學科競賽或創(chuàng)新訓練項目時（比如機器人焊接競賽），學生可以根據(jù)所掌握的知識、技能，進行創(chuàng)新、應用，從而解決了實驗內容碎片化、融合度不高、創(chuàng)新性不足的問題。

同時，鑒于智能制造工程專業(yè)的創(chuàng)新性、發(fā)展性的特征，在每一單元中都設置虛擬仿真工位，引入云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術。實驗的教學不再局限于傳統(tǒng)的教師講授、學生操作的程式，而是根據(jù)學生自身發(fā)展需求，對于自學能力強的學生可以借助虛擬仿真系統(tǒng)進行新知識、新技能的拓展學習。對于跟不上實驗進度的學生可以借助虛擬仿真系統(tǒng)進行重復性的訓練。比如，A組學生在掌握了所有的實驗教學內容后，想在機器視覺方向有所研究，就可以根據(jù)教師提供的自編教材——機器視覺與機器學習，借助智能檢測單元的虛擬仿真系統(tǒng)，學習訓練機器視覺檢測技術、工業(yè)微小缺陷的智能識別和診斷等拓展內容，從而鍛煉學生數(shù)字圖像處理、深度學習算法、智能視覺檢測、智能工業(yè)零部件識別等實踐創(chuàng)新能力。B組學生在學習智能加工單元的機器人位姿描述與坐標變換的計算后，在根據(jù)計算結果編寫程序時，如果在規(guī)定的實驗教學時間內沒有掌握相關內容，學生也可以借助該單元的虛擬仿真系統(tǒng)，根據(jù)教師自編的關于該實踐創(chuàng)新平臺的教材——工業(yè)機器人運動學和動力學、機器人離線編程，再進行該部分內容的學習訓練，直至掌握后才在實踐創(chuàng)新平臺進行真實設備的操作訓練，使得設備得到合理利用，這種虛實結合的分層次的模式打破了傳統(tǒng)的實驗程式，解決了程式化的過程應用性不強、個性化不夠的問題。

四、結語

隨著智能制造工程的發(fā)展，其行業(yè)人才的緊缺已成為制約智能制造工程專業(yè)發(fā)展的瓶頸。鑒于實驗教學在工科課程教學中的作用，高校從國家發(fā)展與產(chǎn)業(yè)需求出發(fā)，建設了以前沿工業(yè)應用為基礎的智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺，該平臺劃分成不同單元，學生通過每一單元的學習訓練能夠掌握智能制造不同環(huán)節(jié)，且能夠促進學生對智能制造工程專業(yè)領域前沿技術的掌握，而將所有單元合起來又能覆蓋一件典型產(chǎn)品從創(chuàng)意、設計、制造、生產(chǎn)管理到產(chǎn)品運維的全生命周期，便于學生對全流程進行完整把握，不僅培養(yǎng)了學生解決復雜工程問題的能力，也培養(yǎng)了學生的多學科交叉融合能力，以勝任智能制造產(chǎn)業(yè)的崗位需求。

本文依托該平臺，緊緊圍繞智能制造工程專業(yè)所需達成的指標點，構建了“基礎型—綜合型—應用創(chuàng)新型”的實驗教學體系，重新界定實驗的配置方案，使之更具有系統(tǒng)性、時效性、應用性?；A型實驗是縮減知識滯后的演示型、驗證型實驗，增加前沿的虛擬仿真實驗。綜合型實驗是對該平臺的每一單元所需的技術技能進行模塊化的綜合訓練，使得知識點得以有效銜接。應用創(chuàng)新型實驗是依托智能制造工程專業(yè)實踐創(chuàng)新平臺，對不同單元的技術技能進行了交叉融合，并借助虛擬仿真系統(tǒng)進行拓展，使學生對大工業(yè)體系有了較深入的了解， 從而實現(xiàn)“專業(yè)認知—能力強化—應用創(chuàng)新”的實驗教學目標，有效推動智能制造工程專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)。

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[作者簡介]孫平平，濰坊科技學院智能制造學院副教授，碩士，研究方向：先進制造業(yè)。

[責任編輯 韋志巧]