智能制造新工科专业建设探索

蔡红霞 刘丽兰 王小静

摘要：智能制造工程新专业是新工科专业的典型代表。智能制造工程新兴工科专业为满足未来制造领域的高端复合人才需求而应运而生。建设智能制造新工科专业，必须形成在通识教育理念下，强调数理基础，基于传统机械学科知识体系，融合交叉学科科技新元素的模块化课程体系;大力建设“智能制造”、“互联网+制造”、“人工智能”等时代背景下的新技术特色课程。需要推进教学方法改革，在有限的学制内让学生获得更宽更深知识，落实智能制造工程新工科专业领域要求的工程人才需要具备的解决复杂工程问题能力的培养。为建设有利于学生自由发展的课外实践环境和平台，需要联合智能制造领域国际知名企业、国内领先企业，建设企业实践基地、校内课内外一体化的教学实践环境以支撑本专业高端复合人才培养。智能制造工程新兴工科专业的建设探索将促使机械工程学科领域的工程教育进一步适应未来制造领域新发展，推动高等教育機械工程专业复合型高端人才的培养模式改革创新。

关键词：智能制造;新工科;高等教育;课程体系

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）20-0107-04

2017年教育部启动了“新工科”发展研究工作[1]，并于2月18日形成了“‘新工科建设复旦共识”[2]，4月8日形成了“‘新工科行动路线（天大行动）”[3]。6月9日形成了北京指南[4]。新工科建设在我国高等教育界掀起了一阵新的改革热潮，也让我们真切感受到了高等工程教育改革的迫切性。当前国家正在实施创新驱动发展战略和“中国制造2025”、“互联网+”、“网络强国”等一系列重大发展战略，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程科技人才，对于支撑服务以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展具有十分重要的现实意义和战略意义，也是建设制造强国和创新型国家的重要前提。建设与发展“新工科”已然成为当前社会产业升级与发展的必然要求，成为提高国家未来竞争力，赢得全球市场竞争的重要途径，成为深化高校工程教育范式改革，满足国家产业经济发展的现实需求[5]。

一、智能制造新工科专业内涵

在“工业4.0”时代发展背景下，机械工程领域正在经历大的变革。机械工程学科领域的工程教育如何适应未来制造领域新发展，如何培养社会、企业需要的本专业领域高端复合人才？科学、技术、工程知识都急剧增长，理论体系越来越庞大，学科渗透、交叉学科越来越多，如何形成在通识教育理念下，强调数理基础，结合传统学科知识体系，融入最新智能制造科技新元素，以学生为中心、以能力培养为宗旨的多元化的培养体系？如何改变传统的机械等单一学科领域知识传授模式，在有限的学制内让学生获得更宽更深知识的同时获得足够的工程推理能力、人际交流能力和产品、系统和过程的建造能力等等，落实本专业领域要求的工程人才需要具备的解决复杂工程问题能力的培养？如何建设企业实践基地、校内课内外一体化的教学实践环境以支撑本专业高端复合人才培养？这些是机械工程专业教育必须回答、关系到学生培养质量的关键瓶颈问题。

智能制造是机械工程自动化、生产管理及物流技术、计算机科学及信息通信技术等多技术交叉融合形成的技术体系。第四次工业革命的到来，促使工程教育进行全方位的变革。新工科改革倡议正是我国工程教育面对《中国制造2025》所做出的积极回应[6]。近年来，以物联网、移动互联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术，以3D打印、机器人、人机协作为代表的新型制造技术，与新能源、新材料与生物科技呈现多点突破、交叉融合，智能制造不断取得新突破。毫无疑问智能制造工程新专业是新工科专业的典型代表。

我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点，新工科建设复旦共识提出，我国高校要加快建设和发展新工科。一方面推动现有工科专业的改革创新，另一方面主动设置和发展一批新兴工科专业，构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业新结构，探索实施工程教育人才培养的新模式[2]。培育建设智能制造工程新兴工科专业是未来制造领域新发展的需要。建设智能制造新工科专业，必须形成在通识教育理念下，强调数理基础，结合传统学科知识体系，融合交叉学科科技新元素的模块化课程体系;大力建设“智能制造”、“互联网+制造”、“人工智能”等时代背景下的新技术特色课程。需要推进教学方法改革，在有限的学制内让学生获得更宽更深的知识，落实智能制造工程新工科专业领域要求的工程人才需要具备的解决复杂工程问题能力的培养。为建设有利于学生自由发展的课外实践环境和平台，需要联合智能制造领域国际知名企业、国内领先企业，建设企业实践基地、校内课内外一体化的教学实践环境以支撑本专业高端复合人才培养。

二、智能制造新工科专业建设框架

面向未来的新工科专业必然具有新知识，包括与战略新兴产业相关的工科专业的新技术（尤其是信息技术）、新内容（尤其是学科交叉内容），由此构建新的知识体系与课程体系[7]。如图1所示，建立智能制造工程新专业必须重组并优化涵盖各学科基础知识的新工科专业的课程体系和教学内容。智能制造新工科专业的课程体系必须充分考虑新工科交叉学科的特色，以原来的机械工程专业为基础，融合机械、计算机、自动化、管理、通信等各交叉学科专业相关课程。

为更好地融合各交叉学科的教学内容，我们需要分析未来工程人才应具备的素质，明确工程人才在工程技术、信息技术、经济管理、法律、文化、伦理等重点领域应具备的能力体系，开展学习成果导向的课程体系重构，建立能力达成和课程体系之间的一一对应关系[8]。在建设智能制造工程新工科专业特色课程时，具体可以从以下几个方面着手：（1）大力开展通识教育，强化思维方式重要性远大于具体知识学习的重要性;（2）有目的性地加强专业基础课程群建设，为创新能力的培养打下基础;（3）有侧重点地整合、精化、创新专业课，形成数字化机械设计类课程群以及机电结合的控制类课程群;根据新兴交叉领域对创新复合型人才的需求，加入突出智能化的新技术类课程群，培养学生解决智能制造工程这一新兴交叉科学领域复杂新工程问题的能力;（4）依托校内实验室、校外基地，落实、强化实践环节，开展项目式教学，落实学生能力培养;（5）整个课程体系通过智能制造典型载体——机器人紧密串联起来，落实特色课程建设，实现教学内容及教学模式改革。培养适应未来制造领域新发展，能够解决人类面临重大问题和国家重大战略需求的智能制造工程领域未来工程创新人才。

三、智能制造新工科专业建设实施路径

（一）通识教育建立对交叉学科领域的认知及创新思维方式

智能制造新工科专业是新兴的学科体系，需要宽广深厚的人文素质及专业素养。学生通过大一通识教育，选修经济、法律、社会类课程，在进入专业学习之前通晓人类各种“基本知识类型”，使学生兼具倾向于直觉的、发散性的、情感驱动的，解决问题方式主要是情感交流、相互理解、不断沟通的以情感人文学艺术思维方式以及逻辑的、讲究严密推理所谓以理服人的科学思维方式。同时帮助学生发展远大理想和抱负，培养他们的公民意识、社会责任感以及职业道德等。教学理念强调思维方式重要性远大于具体知识学习的重要性。

智能制造涉及机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、认知科学等科学技术问题，依托通识教育课程体系以及采用任意选修课全校专业打通模式，让学生自由选择其他专业通识类及专业类课程，建立对交叉学科领域的认知及创新思维方式。

（二）突出创新能力培养的专业必修课改革

1.有目的性地加强专业基础课程群建设。创新能力是建立在深厚、扎实的数理基础上的。为让学生有建模、分析、求解、论证工程问题的能力，有较强的自学能力，有目的性地加强专业基础课程群建设。课程教学加强数学软件的教学，如Matlab等，降低学生使用数学工具的门槛，增强学生应用数学软件解决工程问题的能力。加强工程力学、流体力学与传热学等课程。课程教学加强实验及仿真软件的应用。

2.有侧重点地整合、精化、创新专业课。智能制造是机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、信息通信技术、生产技术及工业管理多技术交叉融合形成的技术体系。所以在学科专业课设置上需要整合、精化原有的传统课程，加入体现智能化的计算机科学与技术、信息通信技术、工业管理等最新技术的相关课程。加强机械原理、机械设计关联课程的紧密连接，辅以完整的课程项目，使学生的能力能获得螺旋形提升。改革传统自动化课程体系，讲授面向智能制造工程领域的控制理论、控制技术的具体应用。结合当今技术发展，开发专业领域新兴专业课程。人工智能原理加入最新科技元素，网络技术原理偏向于工业互联网体系，智能制造导论引领学生对专业的整体认识，机器人原理及应用、机器人传感技术以深入的技术点实现基础类课程向专业类课程深入学习的过渡。

（三）智能化为方向的专业选修课设计

智能制造工程新工科专业强调“数字化为核心”、“机电结合”、“智能化为方向”的思想。推进教学方法改革，探索与企业的联合培养模式，落实每一教学环节。加入互联网、人工智能时代新技术特色课程，如制造业信息化技术及应用、工业大数据分析与决策、现代机床与制造系统、智能制造中的软件设计与实践等课程。课程强调课程内容紧跟当今最新科技，最終形成数字化机械设计类课程群、机电结合的控制类课程群，突出智能化的新技术类课程群，培养学生解决智能制造工程这一新兴交叉科学领域复杂新工程问题的能力。

（四）强调课内外联动的实践环境建设

根据新工科建设与发展的内涵特征，需要培养大批新兴工程科技人才，应该在现有大学培养计划中，强化工程实践的教学内容，增加工程实践课程的时间，更注重于培养工科大学生的工程能力和创新能力，通过专业教学计划的修订，突出强化实践教学地位[9]。在总结卓越工程师教育培养计划、CDIO工程教育人才培养模式改革等经验的基础上，新工科将进一步深化产教融合、校企合作的体制和人才培养模式。基于课外的各种大学生工程实践活动，让学生在体验、参与、理解、熟练实践的过程中实现创新能力的提升。以科学研究和工程实践为主导，把课内和跨课程的有关实践能力有机地结合起来，树立全周期工程教育的“新理念”，在实践中逐渐掌握并使用各种技术、技能和现代工程工具的能力以及在团队中工作、与他人合作的能力。探索科学基础、实践能力和人文素养融合发展的人才培养模式。创新教育教学方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学。促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容，实验室、研究室等向学生开放。支持本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队。注重学习过程考查和学生能力评价。

（五）以机器人为载体的教学内容及教学模式改革

解决交叉学科工程新问题需要学生具备对各专业知识的综合理解，对领域学科内容的融会贯通，乃至对人文学科的全局认识。学生在学习各门课程之时，如果缺乏主线，没有载体，无法使学生形成由点到线再到面的知识体系构建，便难以最终形成解决智能制造工程领域复杂新工程问题的能力。机器人技术是智能制造的重要组成部分，可以充分发挥机器人技术的引领和载体作用，以机器人为载体设置智能制造工程专业人才培养的实践教学内容，不仅提高学生学习兴趣，强化工科学生的动手能力，同时也利于掌握智能制造涉及的机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、认知科学等科学技术问题，寓教于实践。

在新专业的课程体系中，可以通过机器人将专业导论课、学科基础课和专业课教学内容相贯穿，按照专业能力逐层递进，使学生在课程学习的时候带着问题学习，将不同课程知识综合运用实践，激发学生学习主动性，教学方法转移到“以学生为中心”。

四、结束语

新工科代表现代科学、应用科学、工程和工业实践的创新与进步，不同的学科交叉与融合，由此形成的新兴或新生工程学科。智能制造工程新专业是新工科专业的典型代表。建设智能制造新工科专业，在传统机械学科原有的培养体系上，融合交叉学科科技新元素的模块化课程还不够，必须推进教学方法改革，在有限的学制内让学生获得更宽更深的知识，落实智能制造工程新工科专业领域要求的工程人才需要具备的解决复杂工程问题能力的培养。培育建设智能制造工程新兴工科专业是未来制造领域新发展的需要，以满足社会、企业需要的制造业领域高端复合人才的需求。

参考文献：

[1]教育部高等教育司.关于开展新工科研究与实践的通知[Z].教高司函[2017]6号，2017.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017，（1）：10-11.

[3]教育部高教司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017，（4）：24-25.

[4]教育部高等教育司.新工科建设指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017，（6）：21-21.

[5]陆国栋.“新工科”建设的五个突破与初步探索[J].中国大学教学，2017，（5）：38-41.

[6]周开发.新工科的核心能力与教学模式探索[J].重庆高教研究，2017，（5）：22-35.

[7]徐晓飞，等.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017，（6）：6-10.

[8]吴爱华，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017，（1）：1-7.

[9]龚晓嘉.综合性高校在实践教学中培养新工科创新型人才的探索[J].高教学刊，2017，（12）：141-142.