基于工业4.0管理的机械类课程实践教学改革

王志强, 倪 敬

(杭州电子科技大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310018)



基于工业4.0管理的机械类课程实践教学改革

王志强, 倪 敬

(杭州电子科技大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310018)

分别从教学理念、教学体系、教学内容、教学方法和教学平台等方面进行改革，构建了一个适合机械类专业培养目标要求,以现代制造业的“信息、智能”为特征、以机电管控等多学科综合训练为特色、以工业4.0技术为纽带的实验教学体系。该体系以国家对工程人才需求为导向,能充分调动学生对课程学习的积极性和主动性,有利于学生工程实践能力的培养,提高学生的自主创新能力,为应用型人才的培养奠定了基础。

工业4.0； 项目与竞赛驱动； 多学科综合训练； 校企联合培养

为了提高学生的学习兴趣,增强课堂的教学效果,促进学生知识、能力和素质的协调发展,许多教育学者对于课程教学模式进行了一系列的改革与探索[1-4]。这些教学改革均取得了不错的实践效果,但在“工业4.0”[5-6]、“智能制造”[7-8]及“互联网+”[9-10]迅猛发展的形势下,这些教学理念已经很难为国家培养出具有两化特色、能驾驭未来智能制造技术发展方向的复合型人才。本文基于工业4.0管理、项目与竞赛驱动及校企联合培养的教学理念，是基于工业4.0的智能制造技术发展方向、围绕多个完整的竞赛及实践项目、紧密结合地方产业，并联合地方企业而开展的全面工程教育理念,综合了当前传统教育、任务驱动教学[11-13]和案例教学的特点,将学生的学习兴趣、探索解决问题的能力和团队合作精神的培养融入实践课程中,让学生以设计实践为导向,积极地进行学习、自主地进行知识的建构。

1 以学生为主体的全面工程教学理念

为了培养具有两化融合特色的能驾驭未来智能制造发展方向的国家需求工程人才,提出以工业4.0全周期管理、项目与竞赛驱动、校企联合培养的知识、能力、素质综合发展的全面工程教学理念。

1.1 构建工业4.0的智能制造综合实验平台

充分利用学院已有的省级示范中心及重点实验室，与西门子合作打造先进的基于工业4.0的智能制造平台,并引入工厂实际产品,从产品设计、工艺设计、生产制造和物流服务等多个方面,建立接近或真实的智能工厂实训系统。

在产品初期设计阶段引入NX系统、SW系统等三维设计工具,在工艺设计阶段引入工艺优化仿真系统、数控编程系统,对产品进行进一步设计。在生产制造及物流服务方面利用大数据、云计算、互联网、三维打印技术等对产品进行数据化控制及制造,同时利用制造执行系统SIMATIC IT和全集成自动化解决方案(TIA),实现信息无缝互联,建立基于工业4.0的智能制造实验系统,如图1所示。

图1 基于工业4.0的智能制造实验系统

该系统建成后可以让学生在实验—实训—实习—实践的过程中,得到产品从无到有全过程的系统和深入的训练,提高学生解决问题的能力、创新能力和工程实践能力。

1.2 以项目为导向,提高学生的工程实践能力

我省开展的“新苗计划”以及我院开展的本科生导师制,可以充分地让学生参与到科研项目中。这些项目在实施过程中,教师可以分阶段对学生进行教育指导。在构思阶段鼓励学生自由发挥,以学生为主体,对构思新颖的组给予鼓励和表扬；在设计阶段对学生进行指导,尽量使学生了解各种设计模型的利弊；在实现阶段要有阶段性检查,鼓励学生做好项目规划,避免盲从。同时,每个项目都需要小组内成员的通力合作才能完成,这就需要在小组人际关系和谐的基础上,做好组织、分工、配合等各方面的工作,培养了学生在团体中找准定位、发挥特长、与人协作等能力,为以后更好地适应工作环境打好基础。这些活动也增加了学生之间互相了解、互相交往的机会,培养了学生的人际交往能力,由此形成一个有机整体,逐步提高学生解决问题的能力、实践能力、创新能力和社会适应能力等。

1.3 以学科竞赛为载体,促进学生的创新能力

我院每年都开展各种形式的科技竞赛活动,如挑战杯、机械设计大赛、数学建模大赛、“飞思卡尔”智能汽车比赛、“铁制工艺品制作大赛”“斯特林发动机制作大赛”“慧鱼制作创意大赛”“西子奥的斯杯”等,这些都是学生科技训练、培养创新能力的载体,可以充分展示学生的学习研究才能,图2—图4分别为学生参加挑战杯及机械设计大赛的作品。学生在参加竞赛的过程中,需提出作品的设计方案、制定作品进展的计划、进行作品的加工制作、对作品进行演示或展示。学生通过这些竞赛,在自主设计、制作及装配各种机械零件的过程中,想象力得到激发,解决问题的能力得到锻炼,创新设计能力、工程实践能力和团队协作能力得到全面的培养。同时,学生通过竞赛将其学习兴趣、探索解决问题的能力和团队合作精神的培养融入竞赛当中,促进智力因素及非智力因素的发展。

图2 可提高带锯床工作效率的振动锯切工作台

图3 小型苹果网套自动包装机

图4 树干刷白自动涂装机

2 创新型的教学体系与教学内容

为了培养能力与素质并重,知识、能力、素质综合发展的复合型工程人才,实施了“工业4.0全生命周期管理、项目与竞赛驱动、校企联合培养”的教学体系及适应学生创新与发展的教学内容。

2.1 基于工业4.0教学平台的实践教学

实践教学是工程人才培养中非常重要的组成部分。实验教学内容由浅入深,包括基础训练、专业训练、综合创新自主训练4个不同阶段,针对不同年级、不同专业学生的需要,不断拓展和挖掘实践课程的内容。其中基础训练和专业训练可以通过综合实验教学平台来完成,而综合创新自主训练则可以借助工业4.0教学平台来完成,学生可以自主设计实验。通过手机APP应用程序进行客户需求的设定,进而将数据传输到数据管理平台,然后完成设计、制造、装配、包装、物流等环节的工作。

在综合创新自主训练中,工业4.0教学平台实验设计的自主性可以极大地激发学生学习兴趣,摆脱传统实验教学中说教模式带来的被动学习弊端。通过实践教学,可以培养学生的实践动手能力与创新能力,增强学生实际工作的适应能力,从而使学生在毕业后能更快地适应工作岗位。

2.2 基于项目和竞赛的实践教学

在实践教学体系中增加创新项目和学科竞赛环节,该环节在本科培养计划中有2学分。针对国家对复合型工程应用人才的需求,设置以项目与竞赛为驱动的实践教学,在竞赛和项目完成的过程中要求学生综合应用各科知识和技能解决1个或多个复杂的设计和操作问题。

以项目和竞赛为基础的实践教学是把专业知识与工程实际问题结合起来,学生通过竞赛和项目可以总结工程实际中所遇到的各类问题。项目与竞赛通常以团队合作方式完成,并以论文、现场操作、PPT答辩和演示等方式展示作品,教师或评委对其进行评定。在项目或竞赛的设计过程中教师能够实时地对学生的操作进行指导,将自己的经验传授给学生,并纠正错误,对知识进行细化讲解,加强师生间的交流和沟通。通过以项目与竞赛为基础的实践教学，可以培养学生的创意设计、创新设计、团队协作能力、成本分析与控制及工程管理等方面的能力。

2.3 实行“3+1”教学模式,培养“卓越工程师”

校企合作培养是实施“卓越计划”培养方案的重要组成部分。学生在完成以学校为主要教学环境的工程人才专业知识、实践课程及基础工程能力训练后,到企业接受企业的课程培训、顶岗实习和工程项目实践等学习,进而培养学生运用专业知识分析和解决工程实践问题的能力,提高学生实际交流的能力、团队协作的能力及现场应变的能力等,以适应国家对工程技术人才的需求。校企合作培养主要包括企业课程学习、企业顶岗实习、生产实习和毕业设计等环节,图5及图6为学生参加培训及实习的场景。

图5 企业培训课程

图6 企业实习课程

3 多样化教学方法与校企联合创新教学平台

3.1 “启发式、项目化、竞赛制、多样化”教学方法

为了提高学生的学习兴趣、动手能力及团队协作能力,更好地增强学生对专业知识的理解程度。建立以学生为中心、教师为引导、以项目教学为导向、以学科竞赛为载体的多样化教学方法,在教学过程中为学生提供主动学习和动手实践的机会和平台,加强师生教学互动交流。同时充分利用计算机、多媒体、网络新媒体、PPT课件等现代化的教学手段，并结合机电一体化及管控一体化进行多学科的复合交融,突出“智能

制造”和“互联网+”新技术的发展方向,将基于工业4.0的教学理念切实落实到国家工程人才培养中。这种多样化的教学方式,可以克服理论教学和实践相脱节的问题,增强教与学的互动性,使教学从原理性向应用性、综合性转变,有利于培养学生的创造力和动手能力。

3.2 校企联合实践教学平台

以我院“机电工程综合”省级示范中心、“船港机械装备”省级重点实验室、“海洋机电装备技术实验室”“流体计算力学实验室”“海洋机电装备集成技术实验室”“海洋流体动力学实验室”等为基础的校内平台与西门子、吉利、浙江银轮,杭州机床、宁波海天、舟山扬帆等企业的校外基地相结合,进行资源的整合与共享,开展机械、车辆、海洋等专业方向的人才培养,如图7所示。同时结合教学实际和学科发展,自制实验系统,研发实验机构,搭建工业4.0实验平台,进一步提高教师自身的实验技术水平及实验教学效果。通过以省级示范中心、重点实验室、工业4.0平台、校外实践基地等为载体,瞄准国家工程师人才培养目标,全面实施工程教育,培养学生的创新、创造及实践能力,使“产、学、研”真正结合起来,建立校企合作、共同育人的长效运行机制。

图7 校企合作共同培养实践教学平台

4 结语

为培养国家所需的具有两化融合特色、能驾驭未来智能制造发展方向的工程人才,本文提出了工业4.0管理、项目与竞赛驱动及校企联合培养的全面工程教育理念。该理念以学生为主体,以社会需求为导向,以全面工程教育为目的,以工业4.0的智能制造技术为方向,以信息化和智能化为特征,以项目及竞赛带动教与学,以典型的企业工作任务来组织理论和实践教学内容,克服了理论教学和实践相脱节的问题,增强了教与学的互动性,使教学从原理性向应用性、综合性转变,由此形成一个有机整体,逐步提高学生的实践能力和社会适应能力,促进学生非智力因素发展,促进良好教风、学风和考风的养成。同时以工业4.0管理、项目与竞赛驱动及校企联合培养的教学理念，从平面静态的教学模式中整合、完善、创新为立体动态式的实践教学模式。该模式可以培养和塑造学生多层次、多思维、多创新及沟通协调的能力,并且达到培养宽口径、厚基础、强能力的复合型人才的目标。

References)

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Study of practical teaching reform on mechanical courses based on industry 4.0 management

Wang Zhiqiang, Ni Jing

(School ofMechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The teaching idea, teaching system, teaching content, teaching method and teaching platform are reformed. This experimental teaching system course has its unique features, that is, information and intelligence of the manufacturing industry are characteristic, the mechanical and electrical, management, control and other multidisciplinary comprehensive training is feature, the industry 4.0 technology is the bond. Meanwhile, the system fits the educational objectives for students’ training of mechanical degree. This teaching mode has always been directed by related industry needs whose educational target reflects national needs. And it can excite the students’ learning ability and mobilize initiative of students’ learning in practice. It is beneficial for cultivating engineering practical abilities and improving the innovative capacity of students and can lay the foundation of training applied talents.

industry 4.0; projects and competition to drive; multidisciplinary comprehensive training; cultivation of school-enterprise joint operations

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.058

2016-05-18

杭州电子科技大学高教研究重点课题“结合教师科研的大学生工程实践创新能力培养研究”(ZD201505)

王志强(1984—),男,河北张家口,博士,讲师,主要从事机电、液压系统及其教学的研究

E-mail：wangzq@hdu.edu.cn

倪敬(1979—),男,浙江金华,教授,副院长,主要从事机电控制系统及其教学的研究.

E-mail：nj2000@hdu.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)11-0223-05