工业4.0时代的特征与高校课程体系改革研究

吕春芬，宋绪丁

(长安大学 工程机械学院，西安 710064)

【教育教学研究】

工业4.0时代的特征与高校课程体系改革研究

吕春芬，宋绪丁

(长安大学 工程机械学院，西安 710064)

面向世界工业4.0的发展方向和《中国制造2025》发展战略，对高等学校机械设计制造专业的人才培养课程体系和实践教学环节进行改革思考，尝试建立以机械创新设计与制造和信息物理系统(CPS)为基础，以工业数字化和智能化为标志的课程体系和教学内容。以学生基本实践能力训练为基础，以创新意识、创新精神和创新能力培养为突破口，知识、能力、素质协调发展的实践教学模式。以保证培养的机械类人才满足未来社会制造业的需求。

制造业;工业4.0;课程体系;实践教学

随着工业革命进程的发展，当代工业正从工业2.0和3.0逐步向工业4.0时代迈进。工业4.0是一场新的工业革命，是德国联邦教研室与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的新概念。[1]“工业4.0”概念是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方式。该战略的提出，旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统(Cyber-Physical-System)相结合的手段，将制造业向智能化转型和升级。

高等学校具有培养社会需要的专门人才、科学研究和服务社会的三大职能，培养专门人才是高等学校的首要任务。新工业时代的到来，必然要求我们教育工作者的教育思想和教育方法要跟着时代的步伐，并具有超前意识，这样才能使我们培养的学生满足未来社会的要求。“工业4.0”时代的到来，首先影响到机械设计制造专业人才的培养方向。因此，本文在全面理解“工业4.0”概念的本质、特征和运行模式的基础上，对机械设计制造专业的课程体系、教学内容和实践教学环节进行深入思考，以建立适应现代工业生产方式的课程体系，使我们培养的学生更适应于未来制造业发展的需要。

一、工业4.0运行模式的本质与特征

人类机械制造业的发展经历了从18世纪末到20世纪初第一次工业革命，伴随着蒸汽驱动的机械制造设备的出现，人类进入了蒸汽机时代，实现了机械自动化，这个时代称为“工业1.0”；从20世纪初到20世纪70年代第二次工业革命，伴随着电力驱动的大规模生产的出现，人类进入了大规模生产流水线和电气化时代，实现了由机械化向电气化的转变，这个时代称为“工业2.0”；从20世纪70年代到现在是第三次工业革命，随着电子技术、工业机器人和IT技术的大规模使用提高了生产效率，使大规模生产自动化水平进一步提高，实现了由模拟化向数字化的转变，这个时代被称为“工业3.0”；现在正在迈向第四次工业革命，它是基于大数据和物联网(传感器)融合的系统在生产中的大量使用，实现由自动化向智能化的转变，称为“工业4.0”。[2]

工业4.0描述了制造业的未来愿景，人类将迎来以信息物理系统(CPS)为基础，打通所有生产环节的数据壁垒，无线网掌控一切，进一步提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率和人因工程学的智慧工厂，在商业流程和价值流程中整合客户和商业伙伴。工业4.0的基础是信息物理系统(CPS)，它包含网络实体系统和物联网技术。工业4.0提倡以生产的高度数字化、网络化和机器自组织为标志的第四次工业革命，其本质是形成物联网的智能工业。

工业4.0的主要四大主题是建立智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。[3]智能工厂和生产就是要建立智能化的生产系统和过程以及网络化的生产分布模式。生产过程应用人机互动、智能生产物流管理、3D打印等先进的制造技术，并对整个生产过程流程进行监控、数据采集和数据分析，形成高度灵活、个性化和网络化的产业链。智能物流和服务就是要建立以互联网、物联网和企业网为基础的大数据处理网络，提高资源的有效流动效率和需求方快速的服务匹配，以改变现原有的销售模式和使用模式。

生产流程的智能化是实现工业4.0的关键。在智能工厂生产的每一件新产品都必须拥有自己的数据信息，这些信息包括产品的研发、设计、制造和物流的各个环节，把这些信息能够实时存储在大网络数据平台上。基于这个网络数据平台与企业资源计划(ERP)系统、产品寿命周期(PLM)系统、工厂制造执行(MES)系统和供应链管理系统相互连接实现信息互联，将产品和生产生命周期进行集成，缩短产品上市周期，形成基于信息物理融合系统的数字化和智能化生产模式。

二、机械设计制造专业课程体系设置的思考

2015年5月19日，李克强总理签批了《中国制造2025》，部署全国推进实施制造强国战略，提出了9项战略任务和重点工作。[4]其中提高国家制造业创新能力，推进信息化与工业化深度融合和强化工业基础能力排在最重要的位置。

面对现代工业正在向工业4.0迈进和《中国制造2025》发展战略的新形势，作为高等学校的教师必须思考和改革现有的人才培养方法，使我们机械设计制造专业的培养模式和教学课程体系符合时代发展的要求。我国大多数高等学校机械设计制造专业的教学课程体系还是采用传统的课程体系，课程体系和课程教学的内容还停留在上个世纪末形成的课程体系和教学内容。因此，我们提出“强化专业基础课程，重视专业创新课程和信息化课程的建设”的改革思路，尝试建立以机械创新设计与制造和信息物理系统(CPS)为基础，以工业数字化和智能化为标志的课程体系。

机械设计制造专业的课程体系主要由基础课程、专业基础课程和专业课程组成。基础课程设置一般由高等数学、线性代数、数理统计与概率论、大学物理、画法几何与机械制图、外语、计算机应用基础、政治思想教育等课程组成，各个高校设置的课程基本上是一致的，但专业基础课程和专业课程各个高校的设置差别比较大，下面我们就对专业基础课程和专业课程体系的设置，谈一些改革性的思路和看法。

1．专业基础课程的改革

专业基础课程是大学生掌握本专业的基础知识，它强调基础性、通用性和实用性。专业基础课程改革的指导思想为强化专业基础课程，改变原来传统的课程设置，把原来的专业基础课程进行适当的压缩，在原有课程课时的基础上压缩20%的学时。把这20%的学时主要用于增加信息化和数字化的课时，以适应工业4.0和《中国制造2025》发展战略的要求。建议增加的课程为《测试与传感技术》《数字接口技术》《互联网与物联网技术导论》和《数据库与云计算技术》。这些课程的设置为学生以后利用大网络数据平台打下扎实的基础，同时让学生掌握先进的网络技术和智能测试与传感技术。

2．专业课程的改革

2008年4月16日，美国机械工程师学会和未来学研究所在华盛顿召开的“全球机械工程之未来峰会”上提出了今后机械工业发展的战略主题，同时，日本机械学会也预测了未来机械工程技术发展的十大重要工程技术。由此，我国机械工程学会也提出了我国“面向2030中国机械工程技术路线图”，[5]在此路线图中提出我国制造技术要实现的四大关键技术路线图。因此，专业课程体系的建设必须围绕现代工业发展的四个关键技术路线和要实现工业智能化的方向来建立，体现未来工业的发展方向对人才培养的要求。下面以现代工业发展的关键技术来进行课程体系的设置与规划。

(1)产品设计制造工艺与装备创新设计

产品设计制造工艺与装备是机械设计制造专业的核心课程之一，它培养学生掌握设计、制造和重要装备制造的基本理论和专业知识。每个学校可以根据自己的办学特色，选择一些重要装备，例如机车车辆装备、机床装备、冶金装备、工程机械装备、井下装备、海洋装备等，以这些重要装备的设计与制造为对象，培养学生的创新设计能力和制造工艺的设计能力。随着制造业的发展，新的制造技术不断出现，形成了以3D打印技术、高精加工技术、激光加工及其成型技术等为代表的先进制造技术，使制造业发生了巨大的变化。因此，专业所有设置的课程应包含产品的创新设计、先进制造技术、数字化加工方法的选择、装配、测试与调试、包装和配套的基础设备的内容。具体设置的课程应为《机械原理创新设计》《机械装备创新设计》《机械制造工艺学》《数控机床与编程》《先进制造技术》等。

(2)数字化建模与仿真

以C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的计算机辅助设计工具在工业界的普及和应用，产生了巨大的经济和社会效益。近十年来，以C3P为代表的面向多体系系统的动态设计、基于多学科协同集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域物理建模和全寿命周期管理等技术和平台工具开始用于机—电—液—控数字化功能样机的研发，成为当代技术研究、开发和应用的时代特征。

机—电—液—控数字化是工业实现智能化的基础，重视数字化建模与仿真课程的建设就显得特别重要。数字化建模与仿真包括产品设计、生产工艺和企业公司的建模和仿真。数字化建模与仿真的软件主要有Pro/e、ANSYS、UG、Solidworks等三维建模软件，我们应选择一些功能强大、通用性强的软件作为教学的重点，让学生掌握一种到两种应用软件，学会建模的方法和仿真方法。工业机器人是实现制造业集成化和自动化的重要工具，随着我国人口红利的持续消退和自动化水平的大幅提高，机器人的需求会在今后几年大规模增长，给机器人产业和工业机器人的应用带来了重大的发展机遇。由此必须重视工业机器人设计与应用课程的建设。建议开设的课程为《机械制造软件工程》《工业机器人》《计算机辅助设计与制造CAD/CAM》《动态建模与仿真》《机电液一体化技术》等。

(3)制造业信息系统

制造业信息系统是企业信息化管理的重要基础，它包含生产设计过程数据的互换、制造计划与执行，以及公司资源管理等内容，在企业建立有效的企业资源计划(ERP)系统。以企业的企业资源计划(ERP)系统为基础，让学生掌握ERP系统和工厂制造执行(MES)系统的主要内容，培养学生既可以进行产品制造执行系统的集成，又可以进行企业现代管理的基本理论和知识。因此可以开设《企业资源计划(ERP)系统》《柔性制造系统》《信息系统设计技术》和《现代企业管理》等课程。

(4)企业集成技术

企业集成技术就是实现企业产品的全寿命周期管理(PLM)和商业运作过程。全寿命周期管理就是实现产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养，直到回收再用处置的全生命周期中的信息与过程。以企业的全寿命周期管理(PLM)系统为基础，让学生掌握PLM系统和现代集成制造系统的主要内容，培养学生既可以进行产品的全寿命周期管理，又可以进行企业的制造系统集成的基本理论和知识。因此可以开设《全寿命周期管理(PLM)技术》《现代集成制造系统》和《质量控制与可靠性》等课程。

总之，从以上四个方面所建立的机械设计制造专业的专业课程体系，体现了工业4.0的发展方向和我国2025年中国制造发展战略的要求。各个高校应按照自己的办学特点和专业特色，有选择、有重点地规划专业课程体系，并按照学校办学特色把重要装备设计和制造的内容与我国制造技术要实现的四大关键技术路线图相融合，这样建立的专业课程体系才能符合本校的办学方向和专业特色。

3．实践教学内容改革

专业课程体系除了上述课程的设置之外，还必须包含实践教学内容。实践教学环节是高等学校培养专门人才的重要途径之一。教育部为了加强高等学校工科学生培养的质量，从2010年实行了本科卓越工程师专业的招生和培养，旨在加强工科专业学生的实践能力和工程素质的培养。因此，我们应把增强学生的综合素质、创新能力和实践才干作为实践教学改革的着眼点，把培养基础宽、适应性强、具有创新和竞争能力的高素质人才作为本科教学工作的目标。科学分析学生应具有的知识、能力和素质结构，构建合理的课程结构体系，加强核心专业课程体系和实践教学环节的改革和建设。

实践教学环节采用构建以加强实践教学，注重能力培养，以学生基本实践能力训练为基础，以创新意识、创新精神和创新能力培养为突破口，知识、能力、素质协调发展的实践教学模式。依据学生创新能力培养的需求，将机械、电子、信息、材料等单一训练内容进行有机结合，建立现代机械制造实践训练、现代工程材料实践训练、电子信息技术实践训练和机械创新设计与制造训练四大训练模块。

(1)机械制造实践训练模块

机械制造实践训练应在原有的金工实习基础上，开展现代的数字化机床及其数字化和智能化控制的实践教学。如数控车床、数控铣床、加工中心、数控线切割、电火花机床等数字化设备的训练，并开展CAD/CAPP/CAM/网络远程控制实习培训。

(2)现代工程材料实践训练模块

在原来工程材料实习的铸、锻、焊接的内容基础上，应开展现代的注塑成型、压铸成型和增材制造技术(3D打印成型技术、激光扫描成型技术和激光加工技术)。增材制造技术是当今最具有广阔前景的制造成型技术，通过增材制造技术的训练，可以激发学生的创新思维和创新意识。

(3)电子信息技术实践训练模块

电子信息技术发展很快，电子信息技术对机械设计制造专业的学生很重要，机械制造设备和重要装备的自动化和智能化靠的是电子信息技术。因此，电子信息技术的实践内容除了电子电工的强电控制实训之外，还要进行微电子和计算机控制技术的实训。微电子和计算机控制技术的实训应围绕测试传感技术、PLC(可编程序)控制技术、计算机控制与接口技术、机器人控制技术和互联网技术等方面进行。

(4)机械创新设计与制造训练模块

在实践教学环节上，必须建立帮助学生增强综合创新能力、分析解决问题能力、团队合作能力和技术技能的机械创新设计与制造等内容的实训，建立大学生机械创新设计与制造的实习训练基地。学生可以通过参加全国机械创新设计竞赛、大学生“挑战杯”竞赛和大学生创新试验项目来提高学生的创新意识和创新能力。

三、结语

在全球制造业格局面临重大调整、我国经济发展环境发生重大变化、建设制造强国任务艰巨而紧迫的形势下，国家制造业的创新能力成为实现制造强国之梦的保障。我们必须思考机械设计制造专业的改革方向，建立适应制造业格局变化和国家制造业调整的人才培养课程体系、课程内容和实践教学内容，以保证培养的人才满足未来社会制造业的需求。

[1] 宋慧欣．“工业4.0”，制造业未来之路[J]．自动化博览，2013，(10)：26-27．

[2] 齐治平．德国工业4.0：制造业的未来吗？[J]．决策，2013，(9)：71-72．

[3] 郑红．工业4.0：更智能、更节能、更有趣[N]．人民日报，2013-04-10(海外版)．

[4] 国务院印发．《中国制造2025》 系强国战略首个“十年纲领”[N]．人民网—国际频道，2015-05-20．

[5] 中国机械工程学会． 面向2030中国机械工程技术路线图[M]．北京：中国科学技术出版社，2011．

[责任编辑 朱小琴]

Research on Features of Industry 4.0 and CurriculumSystem Reform in University

LU Chun-fen, SONG Xu-ding

(SchoolofMechanicalEngineeringChang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Facing the development of Industry 4.0 and the strategy of China Manufacturing Industry 2025, this paper discusses the curriculum system and teaching practices of mechanical engineering majors in university and tries to establish a teaching system based on mechanical innovation and CPS, with industry digitalization and intelligence as its symbol. This practical teaching modal focuses on the coordinating development of knowledge, ability and quality to meet the future needs for qualified personnel in manufacturing industry.

manufacturing industry；industry 4.0；curriculum system；teaching practice

2015-06-27

吕春芬(1964—)，女，陕西西安人，长安大学工程机械学院助理研究员，主要从事高等教学管理工作。

G642

A

1008-777X(2015)05-0107-04