工业4.0下自动化专业课程体系的发展研究

刘燕，徐本连，鲁明丽

（常熟理工学院电气与自动化学院，江苏 常熟 215500）

工业4.0下自动化专业课程体系的发展研究

刘燕，徐本连，鲁明丽

（常熟理工学院电气与自动化学院，江苏 常熟 215500）

工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命，是构成未来工业体系的一个关键特征。随着我国智能制造装备的发展，自动化专业的知识体系将面临重组与优化，人才培养计划与课程体系需要及时反映新技术、新学科之间的交叉与融合。本文分析了工业4.0下自动化专业发展的新内涵，给出自动化专业知识体系的发展趋势和系统集成类课程的教学特点，在探索适应工程界和企业界未来对自动化人才要求的课程体系，以促进自动化专业的前瞻性发展。

工业4.0；自动化专业；课程体系；发展研究

工业4.0是德国政府于2011年11月在高技术战略2020中公布的一项工业发展战略概念，它的提出带动了国际制造业的空前发展，也意味着人类将迎来以生产高度数字化、网络化、自动化为标志的第四次工业革命。2014年底，中德政府签署了基于工业4.0的《中德合作行动纲要：共塑创新》，提出两国将开展工业4.0合作，这将意味着我国制造业在未来若干年将向自动化、无人化、高精度、高效率迈进。新工业革命的到来、新经济形态的变化对我国高等工程教育提出了新挑战，也促使高等教育的教学理念、方式、学习模式发生重要变革。

自动化专业主要是培养具有控制理论和方法、控制工程应用人才的专业。其知识体系与工业4.0提出的智能制造、智能工厂、产业集成紧密相关，同时工业4.0的提出又对自动化专业的发展注入了更广泛的技术内涵。面对未来工业界的制造特征，针对智能制造趋向智能化、自动化、网络化的趋势，自动化专业的知识体系需要更新以反映新技术、学科的新发展以及学科之间的交叉与融合；课程体系将面临重组与优化。从满足工程界和企业界未来对自动化人才的要求出发，探索合理的课程体系，使人才培养目标具有工业发展的前瞻性、适应性具有重要意义。

一、工业4.0对自动化专业的影响

（一）自动化技术的新内涵

“工业4.0”通过计算、自主控制和联网利用信息技术和制造技术的融合，使人、机器和信息的互相联接融为一体。在技术研究方面，“工业4.0”按两大主题展开：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统、过程控制技术，以及网络化分布式生产设施的实现。二是“智能生产”模式，重点研究整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用。无论是智能制造还是智能工厂，从技术应用的角度将更广泛地采用数字化和信息化技术，并通过互联网这个平台实现互通互联［1］。工业4.0赋予智能制造所包含的技术是多层次、多方面、立体交叉的，其中也赋予了自动化技术的应用以新的概念和内涵，即“融合IT的自动化”，是对自动化发展的前瞻性定义。从专业构架来说将更多地融合通信、计算机、互联网等知识，促使自动化专业的核心技术和重要知识在新一轮产业变革中呈现交叉融合、群体跃进的先兆。

（二）培养目标的延展性

工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命，“十三五”及更长一段时间内我国工业和信息化领域产业技术融合的主要任务是改造传统的产业，发展智能制造业，培育战略新兴产业。应用先进的自动化控制技术可以提升和改进传统的生产过程，优化升级传统产业，提高工业生产中的自动检测水平和执行中的速度、精度；将自动化技术全方位整合并服务于制造业可以快速适应市场对产品需求的变化，满足智能制造需要灵活功能的要求；自动化技术与信息技术的深度融合将促进新兴产业的崛起以及新技术的发展。随着工业装置的大型化、连续化、高参数化，对自动化产品的要求也在不断提高，自动化系统集成已成为自动化行业新的发展趋势。需要自动化类从业人员具备从事生产一线自动化系统工程所需的生产工艺、自动化装置、仪器仪表、控制系统工程、行业技术标准等多学科知识，以及相关工程科学、工程技术、经济社会和自然环境等知识的融合和综合运用能力［2］。

自动化专业的发展趋势向重视系统与管理的方向，向含机、含电、含计算机、含通信网络的大系统、复杂系统与人机系统的方向，向“跨行业的专业”方向，向培养出能处理各行各业复杂系统问题的“系统集成者”方向发展。

目前我国高校自动化教学体系中的课程设置和教学内容还难以培养出能够驾驭智能制造的优秀自动化技术人才，现有的课程体系中融合和集成的技术还不能解决复杂控制系统的问题，教学内容的综合性和延伸性还有待提高。

二、工业4.0对自动化专业课程结构的要求

基于工业4.0的发展需要，自动化专业课程体系应以工程应用能力为主线进行课程体系的重构，从能力培养目标层次把握课程内容的分配与实施。专业课程建设不应再强调单门课程自身的系统性和完整性而忽视专业知识点的联系；专业课程安排上厘清专业宽口径与人才多样化的矛盾，将专业课程结构进一步优化，由纵向结构、横向结构向综合交叉的立体方向发展。

（一）知识体系的发展趋势

近代工业革命的发展经历了四个阶段，从蒸汽驱动机械制造设备的第1次工业革命，到电力驱动的大规模生产的第2次工业革命，再到电子与IT技术实现制造流程自动化的第3次工业革命，以及基于信息物理融合系统的工业4.0阶段。在此发展过程中自动化理论方法与技术也不断发展，经历了物理自动化、信息自动化、知识自动化的发展过程。物理自动化是在对控制系统建立模型、优化算法的基础上应用传感器、变送器、执行机构、控制器等自动化元件实现的；信息自动化是将现代控制理论、自适应控制、模糊控制、神经网络理论应用于控制系统并采用DCS、智能仪表、网络通讯技术等使控制系统具有分层递阶控制的功能而达到的；知识自动化则须通过计算、通信和控制（3C）的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务而实现的，更强调对物理体系的实时控制与服务、在工业4.0的知识自动化阶段生产过程的基本特征为：

（1）整个生产过程中贯穿智能活动；

（2）智能活动与智能机器有机融合（软硬结合），而不单单是智能设备的应用；

（3）各个环节以柔性方式集成起来；

（4）以全流程的优化为整体目标。

智能制造是以自动化、数字化、柔性化及系统集成技术为核心，将智能技术与装备制造技术深度融合与集成［3］。因此自动化技术领域必将嵌入新的交叉学科知识：如泛在计算、感知与控制；多层次、多尺度的网络化；动态重组与重构；工业智能机器人、无人机、数据采集和存储装备知识；信息技术和网络环境可用性的高度确保与互相依赖等。

表1概括了工业4.0下智能制造中自动化关键技术的特征。结合表1的内容，从学科交叉、专业融合的角度看，以智能制造为技术特点的自动化专业将涉及如下的理论与技术：

（1）运动控制、机器人、机器人控制、无线通信、机器人控制等。

（2）图像采集、图像处理、编程、网络、网络控制、视觉检测等。

（3）无线通信、数控、FRID、读写器、嵌入式系统等。

（4）数据库、调度控制、网络互连、PLC编程、离散事件、系统集成、系统仿真等。

表1 工业4.0下智能制造中自动化关键技术的特性

（二）课程体系重构

智能制造与工业4.0的发展要求自动化专业的知识体系能够在此背景下具有完整性、系统性和实用性的架构，能够将工业4.0的最新技术、最新理论、最新工具引入课程体系，培养学生具有研制、设计、运行复杂自动化系统与装置所需的知识和能力。课程结构强调知识的综合、理论与实践的综合、人文与理工的综合；课程体系要满足工程知识、解决复杂工程问题、系统集成能力的培养要求，同时兼顾学生职业规范、工程道德修养的知识，从课程构成上来说，要建立学生对工程大系统的认识；补充分布式系统理论的课程教学；加强网络化信息系统课程教学。图1给出自动化专业课程体系重构路径。

图1 自动化专业课程体系重构路径

表2 自动化专业4.0课程体系

表2给出了工业4.0下自动化专业课程体系。

（三）系统集成类课程的特点

智能制造带来的技术转变、生产过程的转变，使自动化专业课程结构趋于综合化、集成化。未来知识的融合与集成将成为自动化专业发展的必经之路。例如基于PC的嵌入式系统和技术，将在工业4.0时代得到广泛的应用。传统的工控机多用于数据采集和人机交互，基于PC的嵌入式系统可以运行在任何一台工业PC上，将其变成一台功能强大的控制器，并通过工业以太网连接远程的分布式I/O，形成一个工业以太网总线标准的嵌入式控制系统。基于数字化平台的“全集成自动化（TIA）”“全集成驱动系统（IDS）”“过程自动化”“能源效率”和“服务”等几大主题打造的“数字制造”产品，以及涵盖工业软件、数字化硬件和数据驱动服务等几大类别的产品及解决方案将得到广泛的应用与发展。

上述要求对自动化专业课程提出了系统集成类课程的概念：如可以构建计算机控制类集成课程、测控系统原理与设计类集成课程、虚拟仪器原理及设计类集成课程、工业控制网络类集成课程等。该类课程是控制器、传感器、执行器等课程的集成，具有设计性、综合性、创新性的特点。此类课程可构成不同规模的完整自动化系统。按照在系统中学习系统的理念，该类课程在教学中应具有如下的特点：

（1）以设计、制作为主线进行分模块、分阶段教学。将教学内容分为几个设计题目，按照讲授-设计-制作的过程完成相关理论知识的讲授及实践能力的训练。

（2）讲授阶段采用案例教学法、讨论式教学法、实例贯穿教学法，尝试CDIO教学法。讲授内容紧密结合设计内容，设计内容对接行业技术，并将教师科研成果转化为教学资源，课堂教学中引入的典型工程案例应包括项目背景、设计要求、技术路线、详细方案、现场调试过程、验收标准的讲授。

三、结束语

工业4.0的发展使自动化专业呈现多学科交叉和融合的特征，对通信、现场总线、测量方面提出更高的要求，未来知识的融合与集成将成为专业发展的必经之路。当前我国高等工程教育正处于发展、转型的新时期。课程体系建构与改革需要先进的理念做指导，需要与社会的发展相适应。重构与优化课程体系是自动化专业前瞻性发展的前提。

［1］安琳.借鉴德国“工业4.0”加快我国制造业转型升级［J］.电器工业，2014（7）：32-34.

［2］张淑艳，邢浩，李月朋.京津冀协同发展背景下河北高职自动化类人才培养模式探究［J］.价值工程，2015（24）：161-162.

［3］傅建中.智能制造装备的发展现状与趋势［J］.机电工程，2014，31（8）：959-962.

［4］王华忠，孙自强，凌志浩.自动化专业核心课程体系与课程模块建设［J］.电气电子教学学报，2012，34（5）：18-19.

［5］郭晓华，田作华.影响自动化专业教育教学的若干因素［J］.电气电子教学学报，2012，34（4）：4-7.

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

［7］胡杰.从德国“工业4.0”看中国未来制造业的发展［J］.民营科技，2014（12）：268.

A Research on the Development of Automation Specialty Curriculum System under Industrial 4.0

LIU Yan,XU Benlian,LU Mingli
(School of Electric and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Industry 4.0 is the fourth industrial revolution based on intelligent manufacturing as the leading factor.It is a key feature of future industrial system.With the development of intelligent manufacturing equipment in China, automation specialty knowledge system will call for restructuring and optimization,and the talent training plan and course system need to timely reflect the intersection and integration between new technologies and new disciplines. This paper analyzes the new connotation of automation professional development under Industry 4.0,and develop⁃ment trend of automation professional knowledge system,and teaching characteristics of the system integration course are given.The purpose of the paper is to explore a curriculum system to meet engineering and business cir⁃cles’needs for future automation talents in order to promote the prospective development of automation specialty.

Industrial 4.0;automation specialty;curriculum system;development research

G642

A

1008-2794（2016）06-0034-04

2016-09-18

2015年江苏省高等教育教改研究立项重点课题“基于中国制造2025的自动化专业课程体系重构与教学内容研究”（2015JSJG040）；2014年自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究立项课题“基于国际视野面向技术应用能力培养的自动化专业课程群建设的创新研究”（2014A28）

刘燕（1964—），女，山东济宁人，教授，硕士，主要从事电气工程、自动化专业的教学与科研工作。