新工科背景下智能制造工程专业虚实结合实践课程体系的构建

浙江理工大学机械与自动控制学院 蔡高参 胡 明 陈本永 杨金林 王丙旭

智能制造是实现中国从“制造大国”向“制造强国”迈进的关键，而智能制造工程专业人才是推进智能制造发展的支撑和源动力。智能制造工程专业是先进信息技术与先进制造技术的深度融合，涉及数字化设计、智能加工与工艺、智能装配、智能供应链、智能设计与分析、智能生产工艺、智能装备数字控制与智能传感、智慧工厂管理及智能服务等领域及技术，已成为当代工科的热点专业之一。由此可见，智能制造是新一轮科技革命的核心，也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向。通过智能制造，可带动产业数字化水平和智能化水平的提高。在此背景下，智能制造专业人才的竞争必将成为国内外竞争的热点。因此，把握新工科人才培养的机遇不仅可为国家重大专项研究赢得先机，还可实现对资源配置的优化。

因此，需要对其专业实践课程体系进一步完善，并构建虚实结合的实践课程体系，以提升专业的核心竞争力，培养适应新工科的新型复合人才。

一、智能制造工程专业实践课程体系现状

（一）智能制造工程专业现有实践课程体系

截至目前，我国已有135 所高校设立了该专业。然而，因开设专业时间短，相应的专业课程体系还不够完善，且智能制造工程专业的实践课程体系大多参照传统机械工程、机械设计制造及其自动化专业而设置，其对应的实验室功能较为单一，缺乏综合性、创新性实验项目及功能，导致学生的主动参与度明显不够。

（二）智能制造工程专业实践课程体系的不足

智能制造工程专业现有的课程体系还不够完善，开设该专业的部分高校在专业实践课程体系建设方面存在一些共性问题：一是现有专业实验室功能较为单一，导致实验室不具备虚实结合能力；二是创新教育落实比较困难，智能制造实践环节学生主动参与度不够；三是实践教学过程中的工程背景弱化明显，从而阻碍了智能制造工程专业的人才培养。为解决这些共性问题，迫切需要构建新的实践课程体系。

二、智能制造工程专业虚实结合实践课程体系的构建

为了更好地培养新工科背景下智能制造专业人才，需在考虑现有的相关实践课程、实验课程及实验室条件下，合理构建专业实践课程体系。若想改善智能制造工程专业的实践课程功能单一、工程背景弱化的现状，构建智能制造工程专业新的实践课程体系需从以下几个方面考虑。

（一）构建集智能加工、智能装配、智能仓储为一体的专业实践课程体系

根据现有的设备资源，在原有的机械工程、机械设计制造及其自动化专业实践课程体系的基础上，构建集智能加工、智能装配、智能仓储为一体的专业实践课程体系，培养学生能基于云计算、大数据、物联网等前沿信息化技术解决智能制造领域的复杂工程问题。同时，根据智能制造工程专业培养方案，淘汰一些不符合新工科要求的实验课程，并增加一些自主性、综合性、研究探索性较强的实验课程，以完善新的专业实践课程体系，培养学生具有机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等学科知识交叉融合、应用复合型高级工程技术人才。

（二）构建虚实结合的专业实践综合实训平台

根据所设置的智能制造工程专业实践课程体系，构建具备虚实结合功能的综合实训平台，学生可全程参与，能够实现三类以上零件的混流自动加工及协作组装，全程高度智能化，具备高柔性、高扩展性，具备二次开发及在线编程功能，并可进行在线模拟仿真，达到学生数控机床与编程实践、数字化工厂仿真实训之目的。

所谓虚实结合，虚是指虚拟仿真，学生可在构建的综合实训平台上进行模拟仿真，在线模拟加工、装配、仓储、检测等各个环节，提升学生对智能工厂及智能制造的整体概念，虚是实的前提和基础；实是实践，根据虚拟仿真的过程，学生可进行实际操作，选定具体零件在综合实践平台上进行加工，体验模拟的真实性、准确性。同时，构建这种互为联系的虚实结合理念，对培养新工科背景下智能制造领域的人才具有很好的促进作用。

（三）构建师生共建模式下的综合实践运行平台

所构建的智能制造专业虚实结合实践运行平台主要实训项目包括以下内容：加工制造系统实训（数控机床自动开关控制实训、刀具选型与应用实训、自动夹具安装、调整与应用实训、自动夹具控制实训机器人与数控机床的自动上下料实训、数控机床数据采集与监控实训）、仓储物流系统实训（RFID 原理与应用实训、工业机器人与输送线自动上下料控制实训、工业机器人远程故障、监控与夹具安装控制实训）、视觉检测实训（视觉检测系统的原理及操作使用、视觉检测设备与机器人联调）、信息管理系统实训（工位信息终端应用实训、系统运行状态监控实训）、系统自动化控制部分实训（PLC 编程、网络通讯实训、上位机组态监控系统建立与应用实训、人机界面的应用开发实训）、系统集成应用实训（机器人与数控机床集成案例应用实训、机器人与检测及清洗系统集成实训、AGV 与机器人集成应用实训、机器人与料仓集成案例应用实训）、MES 系统应用实训（机器人与检测及清洗系统集成实训、AGV 与机器人集成应用实训、机器人与料仓集成案例应用实训）、数字双胞胎（数字孪生）实训（智能生产线多生产要素协同规划控制实训、智能生产线物理信息系统数据交互转换实训、智能生产线数字孪生的虚实系统同步运行实训）、大数据采集及工艺优化实训（机床加工大数据采集实训、大数据存储及分析实训、基于大数据的加工工艺优化实训）、云数控实训（云数控平台基本原理及操作应用实训、基于云数控平台的机床“健康保障”“铁人三项”应用实训、基于云数控平台和大数据应用的远程故障诊断实训）等内容，以达到学生为中心、学生高度参与的目的。该综合实训运行平台作业流程如下图所示。

综合实训平台作业流程图

（四）采取校企联合、平台+知名企业强强联合的方式

强化智能制造综合实践过程中，为改善智能制造工程专业的实践课程体系现状所构建的虚实结合综合实践运行平台应充分结合企业元素，采取校企联合、平台+知名企业强强联合的方式，借助智能制造领域相关企业的优势及工程背景，邀请企业人员全程参与构建专业实践课程体系，或共建虚实结合的综合实训运行平台，以弥补现有的实践课程中工程背景弱化的不足，并达到强化智能制造综合实践课程体系中的工程背景之目的。

综上所述，新工科背景下构建智能制造专业的实践课程体系，培养面向国际、面向未来的智能制造领域高端人才，不仅要完善现有的实践、实验课程，还要构建具备虚实结合功能的综合实践课程体系，促使学生综合掌握智能制造各方面的知识，全面提升学生的工程背景，从而培养出适应新工科环境的新型复合人才。