系统工程化先进制造技术课程群教学模式研究

尹建阁，徐博铭，2

（1.同济大学浙江学院机械与汽车工程系，浙江嘉兴314051；2.同济大学机械电子工程研究所，上海201804）

系统工程化先进制造技术课程群教学模式研究

尹建阁1，徐博铭1，2

（1.同济大学浙江学院机械与汽车工程系，浙江嘉兴314051；2.同济大学机械电子工程研究所，上海201804）

先进制造技术是制造业高新技术的载体，是引领世界制造业核心技术和装备的战略性新兴产业。面对“制造强国”新的国家战略目标，高校本科教育及专业建设向应用型转变，应用型高校亟待改进先进制造技术课程教学模式。在分析课程教学现状的基础上，应用系统工程的思维，研究先进制造课程群体系组成及其构建条件、各组成部分改革方案及措施，并针对实践环节提出了“菜单式”拓展性实验教学模式和组织保障，以提升先进制造技术课程教学水平，培养学生的先进制造技术工程实践能力和创新能力。

先进制造技术课程群；教学模式；系统工程

2015年5月，国务院公布了《中国制造2025》，确立了我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。纲领指出了大力推动突破发展的“重点领域”，其中包括高档数控机床和机器人以及航空、海洋电力、农机装备等领域。同时纲领还指出“强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次多类型人才培养体系”。10月教育部、国家发展改革委和财政部联合发文（教发［2015］7号），引导部分地方普通本科高校向应用型转变。在新的形式下，以市场为导向，适时调整人才培养，创新各个环节教学是学校进一步发展的关键。

先进制造技术是制造业高新技术的载体，是引领世界制造业核心技术和装备的战略性新兴产业。掌握先进技术的专业人才是实现我国制造业发展和崛起的根本。作为培养先进制造技术人才的高等院校，应加强对高层次高质量的创新型应用型机械专业人才的培养［1］。国内20多年历史的先进制造技术教学，基本上分为三大块，即基础教学、专业教学、专业选修课程教学以及相应的实验、实训、实习教学［2］。这些教学由不同的教师在不同的阶段完成，教学过程呈现离散状态。由于缺乏关联，普遍存在内容冗余及缺乏有效递进的问题。

因此，结合我校教学改革及实验室建设实际，在分析课程教学现状的基础上，应用系统工程的思维，研究先进制造课程群体系组成及其构建条件、各组成部分改革方案及措施，并提出了“菜单式”拓展性实验教学模式及其实施的组织保障，以提升先进制造技术课程教学水平，培养学生的先进制造技术工程实践能力和创新能力。

1　现行课程教学现状

1.1理论课程开设

根据先进制造技术的功能和研究对象，其主要内容归纳如下：（1）现代设计技术包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工业过程设计（CAPP）、优化设计、可靠性设计、并行设计（CE）、绿色设计等。（2）先进制造工艺技术包括精密与超精密加工技术、特种加工技术、高速加工技术、快速成型技术。（3）加工自动化技术包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、传感技术、自动检测技术、信号处理及识别技术等。（4）现代生产管理技术包括现代生产管理信息系统、物流系统管理、工作流管理、产品数据管理、质量保障体系。如物流需求计划（MRP）、制造资源计划（MRPⅡ）、企业资源计划（ERP）、准时生产（JIT）等。（5）先进制造生产管理模式及系统包括敏捷制造（AM）、智能制造（IM）、虚拟制造（VM）、精益生产（LP）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）等［3］。从研究的角度看，先进制造技术在不同时代具有不同的含义。2012年以来，以物联网（in－ternet of things）和大数据（big data）为代表的信息技术、以绿色能源为代表的新能源技术、以3D打印技术为代表的数字化智能制造等技术系统协同创新，将柔性化、智能化、敏捷化、精益化、全球化和人性化融为一体［3］。

根据以上先进制造技术的阐述，我校现行培养计划中先进制造技术有关课程如图1所示。

图1　现行先进制造技术课程

从图1中可以看出，现行培养计划中关于先进制造技术课程群的课程，在先进设计、先进制造、现代生产管理技术等方面还可以进一步完善。

1.2实践教学环节

作为应用型人才培养本科高校，我校在加强理论教学的同时，也非常注重实践教学环节，结合实验室的先进设备，开设了专业基础实验和专业综合实验。专业基础实验包括传感与测试技术、数控编程加工、机械振动基础、自动控制原理、流体力学与液压传动、机械控制技术等六个大型专业课程基础型实验，共51学时。专业综合实验包液压回路设计与控制、集装箱起重机抗地震减隔振、先进制造技术、数字化设计与制造、PLC、物流工程、无线传感、数控磨削加工等九个大型多学科综合性设计型实验共68学时。此外，认知实习、金工实习等实践环节教学开展约12周。已建及在建的机械基础实验室、专业基础实验室和专业综合实验室以及在长三角区域建立的十几家校外实践基地保障了实践教学环节的实施。

在上述学时分配及硬件设施投建基础上，多数应用型本科高校在实践环节的投入不断增加，但是仍普遍存在以下问题：实践环节与理论环节在实施上存在基本的时序矛盾；学生普遍对实践环节投入的时间和精力不足；现代化设备及技术在教学中更新周期过长；实践环节与工程实际缺乏有效对接等问题。

1.3教学组织开展

现行先进制造技术课程群开展基本按照理论与实践两部分开展。实训和实习受时间、地点以及实践基地生产计划的限制，与课堂理论缺乏有效关联。实验部分在时间和内容上与课堂教学虽然实施紧凑，但是囿于传统的实验课组织形式（讲解＋演示＋模仿），学生的积极性也不高，教学过程局限于对所学知识的复习巩固和实验操作流程的重复。这种方式在很大程度束缚了学生的思想，限制了学生的兴趣，实验课效果不好。除了在时空上实践与课堂相互割裂，实践环节在整个实施上基本上时间地点固定、内容步骤统一、分组批量进行，一方面不利于激发学生的专业兴趣及培养其自主意识和创新精神，一方面实验室资源性使用率未能最优化。

因此，面对国家高校以及专业的转型，人才培养的发展，亟待调整和完善善先进制造技术课程理论教学体系、改进教学组织开展的形式以及方式方法、解决实践环节存在的普遍问题。

2　构建系统工程化教学模式

目前许多高校机械类专业都开展了先进制造技术课程及实验教学方法的研究，研究了先进制造技术的体系结构、综合性实验教学、虚拟实验教学、建立先进制造技术实训基地，并提出了开放性实验教学、创新实验项目开放形式、分层次跨学科开放实验教学实践等，并取得了一定等效果［4-9］。基于我校机械类特色专业及实验中心的建设，采用系统工程的思维，从课程体系、组织开展、教学实施等方面进行改革探索。

2.1课程体系统一

单靠一门课程教学与实验内容的更新来建立先进制造技术实验教学体系是远远不够的，必须从专业培养目标出发，全盘考虑整体规划，建立一体化教学体系，包括课堂教学和实践教学，如图2所示。由于校外实习中实践基地存在不确定因素，故图2中实践教学体系主要含校内的实验和实训教环节。

图2　先进制造技术课程群体系

从图2可以看出，先进制造技术课程群改革建设体系庞大、课程教学和实践教学门类多、实施学期跨度大，为此从系统工程的角度，从以下几个方面实施课程体系的构建：（1）确立人才培养目标，以培养计划为主线，围绕应用型高校建设要求调整课程、学时及实施学期。针对先行先进制造技术发展，增加选修课程模块，保障教学体系完善，实现专业内课程教学拓展。（2）根据先进制造技术发展，先进制造技术课程群定期调整教学大纲。大纲制定时，要求统筹理论教学、课内课外实验实训教学，以对课程及实验交叉内容进行统一安排，避免冗余。同时对实践教学环节制定统一的教学要求，但在具体实施过程中给教学和学生充分的自主发挥空间。（3）制定具体的实施文件，如教学进度表、实验手册等，并分期进行严格的审核，以保障统一的教学体系可以有效实施。

所谓系统工程，即每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体。在先进制造技术课程群中，课堂、和实践（实验、实训）两大环节，教室、实验室和实训中心三个场所，教师、学生、教辅和管理人员四类主体构成一个完善的系统，上述三条保障系统整体高效运行，而教学、人员及场地等每一部分功能的发挥还需要制定详细的改革方案。

2.2教学模式创新

实践教学一般有实验、实习、实训三种形式。这三个概念同属于实践教学的范畴，都强调对实际的了解和对技能的掌握，强调提高学生的实践能力；教学的目的都是为了培养学生掌握所学专业的知识和能力。为了凸显本科人才的特点，实训不单纯是操作训练，而是在操作训练时，着眼于对大学生实践能力和创新意识的培养。而应用型本科人才的培养，在此基础上更强调实训项目与生产一线所需的操作技能尽可能在本质上吻合［10］。

为此，实践环节的改革以课程范例和教学模式创新为手段，构建科学优化、层次清晰、目标明确、逐层递进的教学体系，将实验实施划分为“基础性实验”和“拓展性实验”两个模块，如图2所示。拓展性实验与学生活动竞赛、工程实例、创新项目相融合，如图3所示。该模式通过项活动竞赛的形式可激发学生的专业兴趣；以工程实例为基础仿真模拟及实际加工制造，强化操纵技能；以项目为主线贯穿理论、操作和实际应用，提升学生的专业综合素质，并使学生在较短的时间内达到企业应用级的水平。

图3　“菜单式”拓展实验组成

拓展性实验模块，对学生参与的主动性，实施过程的创新意识与自主能力要求高于基础性实验模块。因此在实施过程中，主要考虑学生自身特点，在该部分进一步实施分类分层教学。图3所示的“菜单式”模式，将拓展性实验各组成部分菜单化，通过增加项目、竞赛及加工实例的种类和数量以形成资源合集，学生根据自身兴趣爱好进行选择。此外，操作过程中提供相关案例指导分册，以便于学生具体实施及改进。传统的分层教学由教学主体对学生进行分类筛选，该模式实现学生主体对教学资源的自主选择，在自身原基础上进行锻炼提升，以实现不同教育个体的能力发展。

2.3教师主体融合

改变课堂和实践教学任务分别由教研室和实验室人员分别承当、分别管理的传统的格局，教学主体之一——各类教师相互融合，实现以下目标：（1）根据理论及技术前沿，任课教师创新实践教学内容及操作；（2）根据理论教学大纲修订实验教学，发挥实验教师参与理论教学的积极性；（3）两类教师的融合，有效提升课堂教学与实践教学关联程度，形成图2所示完整的先进制造技术课程体系。此外，两类人员的融合实现师资统一管理，便于实现教学安排的连贯性和教学资源的统一调配。

2.4组织实施保障

为有效实施先进制造技术课程群教学改革，具体组织实施过程中还需要以下方面配合保障：（1）教学各部门需要达成共识，由教学口统一实施培养计划和教学大纲的修订，并集中进行专家论证；（2）管理部门要制定改进的长效机制，以确保整个教学体系改革持续进行；（3）人事部门制定相应的配套政策以及激励机制，促进各类教师融合；（4）形成灵活的实验室运行及管理机制，提高“菜单式”拓展性实验模块开放程度，以充分利用实验设备等设施，提升实验设备的利用率［11］。

3　结束语

系统工程化先进制造技术课程群教学改革从专业培养目标出发，全盘考虑整体规划，建立一体化课程群体系，纵向研究理论教学与实践教学内在关联，优化的教学大纲和实践教学要求，实现二者内容的衔接印证；横向研究各组成部分，尤其创新实践环节教学模式，实现基础性实验到拓展性实验的拓展，并且“菜单式”拓展性实验的设计促进开放性实验实施。此外，从师资融合、人事政策、激励机制、资源配置等方面组织保障先进制造技术课程群教学体系改革，以提升先进制造技术课程教学水平，培养学生的先进制造技术工程实践能力和创新能力，从而符合国家制造业发展，高校应用型人才培养转型对人才培养的要求。

同济大学浙江学院机械与汽车工程系实施先进制造技术课程群教学体系改革两年来，教研室相关任课教师全部走进实验室，新的实验模式受到2012级和2013级学生的欢迎，教学改革收到了良好的效果。

［1］魏效铃，张宝刚，王剑锋.关于先进制造技术实训基地建设的思考［J］.河北工程大学学报（社会科学版）.2014，31（2）：80-82.

［2］刘梅，钟佩思，邹蓉.先进制造技术课程群实验教学方法研究［J］.实验室研究与探索.2008，27（10）:128-131.

［3］苏发，陈益严，詹有基.先进制造技术的体系结构及综合性实验教学方法的研究［C］.2011 2nd International Confer ence on Management Science and Engineering Advances in Artificial Intelligence.Vol.1-6:386－390.

［4］周佳军，姚锡凡.先进制造技术于新工业革命［J］.计算机集成制造系统.2015，21（8）：1963-1978.

［5］李钢.先进制造技术虚拟实验室教学研究［J］.长沙大学学报，2005.9，19，（5）：116-117.

［6］肖红霞.开放式实验教学对创新型应用人才培养等内在机理［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）：326-335.

［7］王晓岗，赵超，许新华，等.分层次、跨学科开放实验教学实践［J］.实验室研究与探索，2013，32（9）：160-163.

［8］刘新华.在先进制造技术课程中开展3D打印实验的方法探究［J］.东方教育，2014，（6）：65-67.

［9］袁庆霓，胡耀，朱汉阳.“先进制造技术”课堂教学与实验环节改革和探索［J］.课程教育研究，2014，（16）：226-227.

［10］胡剑慧，应用型本科院校实训中心建设中的问题及其对策研究－以若干所上海应用型本科院校为例［D］.上海：华东师范大学职业教育与成人教育研究所，2007.

［11］余志华，王光军，王宏，等.加强实验教学队伍建设，提高开放实验教学水平［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：211-213.

Research on Systematic Engineering Teaching Mode of Advanced Manufacturing Technology Courses

YIN Jian-ge1，XU bo-ming1，2
（1.Department of mechanical and automotive engineering，Tongjizhejiang College，Jiaxing Zhejiang 314051，China；2.Institute of Mechanical&Electronic Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Advanced manufacturing technology is the carrier of high-tech manufacturing industry，and is the strategic emerging industry leading the core technology and equipment manufacturing in the world.The new national strategic goals of“powerful manufacturing county”propels the application type transformation of the university undergraduate education and professional construction，and application-oriented colleges and universities require advanced manufacturing technology course teaching mode to be urgently improved.Based on the analysis of the current situation of teaching，the system of advanced manufacturing course and its construction conditions，and the reform plan and measures of each part are explored，by systematic engineering thinking.According to the practice link，the "menu style"teaching mode for expansive experiments is designed and the organization support to properly carry out the mode is proposed.All of these improve the teaching level of advanced manufacturing technology course，and cultivate students‘advanced manufacturing technology engineering practice ability and innovative ability.

advanced manufacturing technology courses；teaching mode；systematic engineering

TB47

A

1672-545X（2016）08-0266-04

2016-05-22

尹建阁（1983-）女，湖北襄阳人，硕士研究生，系主任助理，讲师，主要方向为机电一体化，飞轮储能；徐博铭（1962-），男，上海人，本科，系主任，教授，主要方向为机械工程。