基于新工科建设的“智能制造生产系统数字化驱动技术”课程建设与教改探索——以上海建桥学院为例

董嘉伟 张迪 刘立华

上海建桥学院 上海市 201306

1 引言

《智能制造生产系统数字化驱动技术》是一门以数字孪生与仿真技术为主的课程，要在生产线上进行数字孪生，首先要进行设备同步，就是以真实的生产线为基础，搭建一套虚拟生产线，通过对真实生产线上每一台设备进行3D 建模，并将建好的3D 模型放置到场景内，实现真实生产线和虚拟生产线一一对应，然后进行数据同步，真实的生产线是通过PLC 驱动，让设备实现一些既定动作，我们通过采集PLC 的数据，来驱动虚拟环境下相应的设备模型进行同样的既定动作，实现真实设备与虚拟设备实时联动，有了这些，我们就可以实现生产线的实时监控，监控人员只需要坐在控制室内，看着虚拟的生产线，就可以了解真实车间的实时状态，不需要到车间进行巡视检查，而且通过虚拟生产线的3D 可视化效果，能清晰了解到真实设备的实际生产状况。

为应对新一轮的产业变革，教育部先后多次组织新工科建设研讨会，形成新工科建设的“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，提出了新工科建设整体发展思路。根据“教育部办公厅关于公布首批‘新工科’研究与实践项目的通知”要求，新工科建设相关高校应把握好新工科建设的内涵，统筹考虑“新的工科专业、工科的新要求”，创新教育模式。我国智能制造工程技术人才储备不足，缺乏系统规范的人才培养体系和有效的人才培养模式，多为相近专业兼顾培养，其培养目标、课程体系、教学资源、师资队伍等均未形成专业化和系统化，不能满足智能制造产业的需求。

上海建桥学院地处上海市临港新片区，其作为科创中心主体承载区，强势发力智能制造，聚集智能高端产业，建设国际智能制造中心，以专业园区为载体，重大项目为抓手，功能平台为支撑，积极推动技术应用和产业化。同时，上海市经济和信息化委员会发布了“上海市智能制造行动计划（2019-2021年）”，进一步推广应用智能制造新模式，把高端制造打造成城市的新名片。

在“互联网+”新时代，高等教育正处于从外延发展到内涵发展转型的关键阶段，教学资源库是“互联网+高等教育”的重要实现形式，必须要紧紧抓住内涵发展的主线，适应教育形态的革命，在人才培养的内涵发展上下功夫，不断提高人才培养的质量，建设一流本科教育。建设优质教学资源库，正是在这一背景下解决部分重点领域教学资源短缺关键痛点，推进新工科建设实施的一大举措。

2 《智能制造生产系统数字化驱动技术》课程建设

《智能制造生产系统数字化驱动技术》课程有两大部分组成，以数字孪生与仿真技术为主，以生产系统集成与调试为辅，其中数字孪生方向涉及内容包括：数字孪生建模、工厂规划与仿真、工程规划与仿真、可编程控制器程序设计、组态界面设计以及虚拟调试和人因工程等，使用的软件包括Process Simulate 以及博途V16 等西门子数字孪生技术系列软件，是一种基于控制逻辑事件驱动的虚拟仿真过程。生产系统集成与调试模块主要对工站进行实际操作，并结合数字孪生技术实现虚实联调的功能。通过本课程的学习，学生能在仿真环境中，学习设计完整的自动控制生产线，并能培养学生的独立分析问题以及解决问题的能力。

2.1 课程框架设计

本门课程以培养学生工程思维、协作性思维、系统性思维、分析思维为主，以培养个人技能与态度、创造性思维、实践性思维为辅。通过多元的教学目标，提升学生的价值、知识、能力与素质。《智能制造生产系统数字化驱动技术》课程框架主要分为三个方向，分别是思维养成、专业应用与工程实践。思维养成主要培养学生的基础理论知识，对模型的创建、布局装配、操作定义有一个基本的了解。专业应用则是在课程中使用成熟的项目模型，为学生讲述相关行业中的设备运行原理，并且展示我们是如何通过PS 与PLC实现相关数字化驱动技术的。而工程实践中包含项目实践与开放性大作业，其中项目实践是成套的项目模型，学生需要利用所学到的知识，将项目模型进行定义设计、智能对象创建、信号绑定等，还需要在博途软件中进行驱动程序编写与联调。极大地培养了学生的工程能力，通过开放性大作业，让学生自行选择主题方向，并与同组的学生进行分工合作，以培养学生的协作能力与创造性能力。通过混合式学习、移动式学习、沉浸式学习、协作学习与案例学习，最终实现目标，达成评价，同时课程资源的建设将持续改进。

2.2 从OBE-CDIO 到新工科建设

OBE-CDIO 工程教育实质上是培养未来工程师的创新教育框架，包括12 条CDIO标准和380 多条CDIO 能力大纲。标准是实施OBE-CDIO 工程教育综合改革实践和评估的准则，能力大纲则对学生在专业知识之外的能力和职业素质提出较全面的要求。这一教育模式回答了“工程师需要具备哪些知识、能力和态度”以及“工程教育如何使学生具备这些知识、能力和态度”两个核心问题。

新工科建设是在“卓越工程师教育培养计划”的基础上，提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划，具有反映时代特征、内涵新且丰富、多学科交融、多主体参与、涉及面广等特点，新工科建设需要高校与行业进行深入接触，了解企业需要什么样的人才，同时，高校需要邀请企业人士参与到高校的人才培养模式中。探索建立新工科建设的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化，实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领。

2.3 多媒体资源建设

依托超星学习通平台建设在线开放课程，推进数字资源、优秀师资、教育数据共建共享，开展线上线下混合教学，深化教法改革，实施教师分工协作模块化的教学模式，推动课堂改革，改变学生学习习惯和行为模式，促进学生自学、泛在和个性化学习。同时超星学习通平台能起到检测监督学生学习状态，并发起线上讨论的作用，对于这类内涵新且丰富、多学科交融、多主体参与、涉及面广等特点的课程而言，具有非常好的效果。

2.4 能力等级划分

结合多媒体资源建设的优势，本课程将采用案例教学法将实验划分成初级、中级和高级3 个阶段等级，每个阶段所需要具备的能力也各不相同。

初级阶段是课堂中所讲述的知识点，包括软件的安装、工程的新建与保存、数据模型的导入、装配仿真、设备定义、机器人仿真，其主要目的是为了解决装配规划与验证、机器人与自动化规划验证。装配规划与验证主要用于规划验证产品在装配过程中是否存在错误，是否存在干涉碰撞的情况，把产品、资源和工艺操作紧密结合起来，分析产品装配的顺序和工序顺序，验证装配工装夹具的动作，产品装配流程仿真、验证产品装配工艺性，以达到及早发现问题、解决问题的目的；机器人与自动化规划验证则是用于创建机器人和自动化制造系统的共享工作环境，不仅能处理单个机器人和工作平台，也能处理多个机器人协同的情况，还能满足完整生产线和生产区域的仿真及验证要求。

中级阶段将进一步学习机器人路径规划、生产线仿真模式下CEE 模式控制与PLC 模式控制、物料流表设定以及各项信号的设定，并通过PLCSIM Advanced 软件实现可编程控制器程序集成控制与调试虚拟设备的能力，进一步增加机器人与自动化程序编写的能力。其中除了本课程所设计到的工艺过程控制仿真软件Process Simulate 之外，还需要掌握博途PLC 编程软件的程序设计能力以及触摸屏界面设计的能力。

高级阶段将需要掌握具备利用虚拟三维技术进行工厂布局设计，对工厂产能、物流进行分析和优化，能在工厂正式施工之前，提前发现工厂设计中可能存在的问题和缺陷，避免企业的损失能力，即工厂设计及验证优化能力；同时能结合实际产线进行虚实联调能力，完成真正意义上的数字孪生技术。此阶段将不再课堂上进行，依托超星学习通，给学生提供丰富的学习资源，教师只需提供答疑服务即可。

2.5 融合课程思政元素

理学与工学类专业课程要在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。

本课程属于工科类专业课程，要注重强化学生的工科伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

3 具体教学改革措施与实施效果

《智能制造生产系统数字化驱动技术》的课程建设实施采用双主线的教学模式、三阶段的教学设计以及多形式的教学活动作为指导方针，进一步提高学生对本课程的参与度。

3.1 双主线教学模式

双主线模式将理论与实践有机融合，课内进行知识传授、课外进行项目设计。以过程引导课程，课程的知识点通过课程项目的载体展开并得到应用。教师将作为引导者和陪伴者，在课内外指导学生，学生将作为工程实践的主体，以小组的形式自主完成项目。

3.2 三阶段的教学设计

课前学生通过超星学习通的学习，进行看视频、做练习，确保提前了解课程中所需要使用的软件功能，课程中进行测试、习题分析、针对性讲解、讨论，课后进行作业布置与下讲预习。

3.3 多形式的教学活动

由于课程涉猎面广，概念较繁杂且抽象难懂，目前主要以案例教学法开展教学，但有限的90 分钟课堂时间里学生完成多元教学内容难度较大，因此学生除了可以利用课余时间进行超星学习通的学习以外，还可以利用空余时间参加不定期举行的学习活动，上海建桥学院机电学院每个学期都会举办多次与数字孪生有关的学习活动，利用假期时间进行启发式教学与项目式教学，让很多学生能够提前学习或者巩固知识点。该项举措不仅有效利用了学生的课余时间，还能提高学生的学习热情。

同时每学年我们学校会举办相关校内竞赛《智能制造生产系统数字化驱动大赛》，邀请学习过相关课程的同学参加竞赛也邀请还未学习过的同学自行加入超星学习通学习后参加竞赛，以便学生在学完相关课程后能继续对相关技术持续的深入学习，激励学生进行自主学习，推动学习方式的深度变革。同时校内竞赛成绩优异的同学将受邀参加校外竞赛继续深造学习，如中国大学生机械工程创新创意大赛智能制造大赛、“四大品牌”职业技能大赛、全国技能大赛世赛项目全国机械行业选拔赛等。

在这些活动过程中，学生除了能得到校内的各项资源，如素质拓展学分、假期培训等，还将获得来自企业的培训以及实习机会，大大提升了学习动力，我校在近两年相关赛项中取得了不错的成绩，获得过智能制造大赛全国总决赛综合成绩二等奖、多赛项单项一等奖的成绩，有效的激发了学生们的积极性。

3.4 评价多元耦合

学生的成绩构成将分为以下六大模块：

课程项目的过程性评价（10%）：评判人为教师评价+校内外工程师评价+学生互评；

课程项目的结果性评价（20%）：评判人为教师评价+工程师评价+学生互评+组内成员互评（个人贡献因子）+校内其他师生+行业专家+校友。通过项目答辩和项目展示，各方参与，评分评奖；

线上学习测试（10%）：平台学习的讨论参与和测试，检查学生基本概念的学习情况；

线下学习练习（10%）：每周的实验都需要布置作业，及时批改，返回给学生；

基本应用测试（15%）：以基本概念的应用为主，检验学生课堂基本内容的学习情况；

综合应用测试（35%）：测试课堂知识的综合应用和灵活应用。

4 结语

教育的核心是育人，而育人的核心是育德，在进行知识教育的同时，我们也要加强课程思政的融合，在习近平总书记思想指导下，将中国智造、工匠精神、团结协作、学术诚信、知行合一融入课程之中，将蕴含的大量思政元素和课程教学有机融合，春风化雨，润物无声，激励学生德智体美劳全面发展。