新工科背景下“智能制造导论”课程建设研究与实践

王国平,刘吉轩,程 爽,门 静,闫菲菲

(1.西安交通大学城市学院机械工程系,陕西 西安 710018) (2.机器人与智能制造陕西省高校工程研究中心,陕西 西安 710018)

我国新工科建设6年来,应用型本科院校以“中国制造2025”为指引,以服务区域新经济的现实急需为中心,以培养交叉复合的应用型工程科技创新人才[1]为根本任务,在不断改革创新中,有相当数量的高等学校机械学科新建了智能制造专业或在专业内增设智能制造方向,然而智能制造涵盖了当今世界最为前沿的系统知识体系,具有高度的交叉复合性,那么如何在教学实践中比较直观又不失深度和广度地将智能制造知识体系全面展示给学生成为当前必须要解决的问题。自2019年以来,上海交通大学出版社、机械工业出版社和高等教育出版社先后出版了4本《智能制造导论》[2-5]教材以供实践。2021年7月,又由教育部高等学校机械类专业教学指导委员会组织,在华中科技大学召开了“智能制造导论”课程建设研讨会,周济、李培根、卢秉恒、李伯虎、柴天佑等院士及众多国内专家对课程的进一步建设给出了指导意见。

到目前为止,鲜有公开发表的与应用型本科“智能制造导论”课程建设有关的文献。西安交通大学城市学院(以下简称“本校”)自2019年开设“智能制造导论”课程以来,已开设满5个周期。在教学过程中,通过广泛查阅文献资料和调研,先后对教学内容进行了甄选,编制了教学大纲,并在教学方式方法、考核评价方式改革上进行了实践,获得了宝贵的经验。

本文通过系统梳理“智能制造导论”课程(以下简称“本课程”)的建设与教学实践,从建设理念、课程教学目标的确定、教学内容的甄选、教学模式的实施、考核评价及实践环节的创新等多个方面,建立较为完善且适用于应用型本科的“智能制造导论”课程教学实施方案,可为其他院校智能制造方向教学提供借鉴,同时为推进对新工科背景下应用型人才培养课程建设提供案例。

1 课程建设的理念和思路

“智能制造导论”课程作为机械大类专业智能制造方向或智能制造工程专业系列课程教学的第一课,是智能制造高素质人才培养和教育的导论课,其教学内容必须符合“中国智造”的基本国情和新工科建设的理念,体现为谁培养人,培养什么样的人;必须兼顾学科的广度和深度,能够对智能制造这一高度交叉复合系统有关知识梳理出一个较为清晰的脉络;必须理论联系实际,提升学习效果和促进工程应用,切实起到智能制造类课程知识学习和智能制造工程技术认知的引领和导向作用。

因此,关于“智能制造导论”课程的建设,首先要深入理解“中国制造2025”的总体部署和内涵,充分调研新工科建设的最新进展与理念,形成正确的课程建设指导思想。其次对智能制造系统知识要有较为全面、深刻的认识和理解,对智能制造工程实际需求有比较清晰的把握,并对智能制造技术有一定的研究基础,以确定恰当的课程教学目标,甄选和梳理符合应用型人才培养的课程教学内容(包括理论教学与实践教学内容),以及课程教学大纲的制定。第三要根据教学目标与内容,设计促进教学目标达成效果的教学方法,课程教学效果的评价方式。最终通过在教学实践中的检验、总结和优化实现符合时代特征的“智能制造导论”课程的良好建设。

2 课程教学目标的确定

2.1 中国“智造”国情分析

当前,我国还不是一个制造强国,我国制造业大而不强,存在突出的问题,面临严峻的挑战。

从产业现状来看,我国智能制造发展的成就是显著的,制造业水平紧紧跟随德国和日本,处于第三方阵领头羊,但同时也存在着明显的问题和不足。一正一反形成课程思政的构建点和课程内容的落脚点,正向坚定信心,反向激发动力,正向为课程内容建设的主体,反向则为明晰主体后的导引。

从人才需求与现状来看,我国智能制造人才供不应求,尤其在质量上,供给人才不能适应行业或满足企业的需求,关键原因在于智能制造人才在培养中和产业链对接不足,这就决定了课程建设应突出工程化和产业化的应用型特征。

周济院士曾指出,智能制造发展过程中,制造是主体、智能是主导、人是主宰,人是技术推进的根本驱动力。因此,对于应用型本科而言,培养的学生应掌握制造技术,熟悉数字化、网络化、智能化技术,具备实战能力,善于解决工程问题,这才是对智能制造人才素质和专业能力的根本要求。

2.2 新工科建设最新理念内涵分析

新工科理念与建设是“中国制造2025”强国战略在高等工程人才培养方面的具体实施。当前关于新工科的内涵主要体现在专业精神、工程思维能力、工程实践能力及可持续发展能力四个方面。专业精神包含职业规范、家国情怀等,与“课程思政”相对应,因此课程需要“道”“业”一体;工程思维能力和工程实践能力强调的是学生要具有对系统工程整体的认知与把握,且具有较强的解决复杂工程问题的能力和实践动手能力,决定了课程知识的复合性和突出应用的特点;可持续发展能力要求学生具有团队协作能力和终身学习能力,决定了课程教学的组织和实现形式。

由此可见,以中国“智造”国情和新工科理念为指引,从宏观上可以为课程建设提供正确的导向,从微观上则可指导课程目标、课程内容及课程教学实现形式等的建设。

2.3 课程目标的确定

基于上述分析,结合本校人才培养定位,确定了符合国家战略、能够服务区域经济发展需求、适应工程实际要求、具有自我特色的“智能制造导论”课程教学目标,如图1 所示。

图1 课程目标确定思路

思政目标:通过全面认识我国智能制造发展取得的辉煌成就,以及在此过程中产生重大影响的重要人物事迹,将国家的强大和荣耀扎根学生意识深处,从为英雄点赞,到崇尚、模仿英雄种下一颗种子。同时客观展现发展过程中存在的不足,激发学生思考、探索、追求的兴趣,唤醒其内在动力,并了解基本的工程规范与制度,使之具备相关的职业素养。

知识目标:了解智能制造发展的历程,国家智能制造的战略布局、建设进程及其重要意义,各领域涉及到的技术手段等。掌握智能制造定义、内涵、体系架构;理解智能制造产品、系统、产线的实际应用模式和实现方式。

能力目标:根据课程性质和特点,通过智能制造系统总体架构模式、方法等的学习,培养学生工程系统思维能力和初步提出工程问题解决方案的能力;另外通过教学分组讨论协作解决实际问题,培养学生自主学习、团队协作、文献检索、实践动手等基本能力。

3 课程教学内容的建设

3.1 课程思政内容

课程思政内容和目标架构如图2所示。以改革开放40年,中国制造业、智能制造领域辉煌成就为思政内容一,彰显中国人民的强大能力,树立学生的家国情怀。以辉煌成就背后辛勤付出的若干典型人物事迹为思政内容二,促进崇尚英雄意识和奉献精神的形成。以国家智能制造有关法规、智能制造国家或行业标准为思政内容三,使学生懂得工程规范与行业法律法规,提高其职业素养。

图2 课程思政内容和目标架构

3.2 理论教学内容

智能制造是一个大概念,也是一个大系统,是先进制造技术与新一代信息技术的深度融合,主要由三大功能系统(智能产品、智能生产及智能服务)及两大支撑平台(工业互联网和智能制造云平台)集合而成。其发展过程主要经历了3个阶段,即数字化制造阶段、数字化网络化制造阶段、数字化网络化智能化制造阶段。而我国智能制造发展起步较晚,根据“中国制造2025”战略总体部署,应发挥后发优势,采取3个阶段“并行推进、融合发展”的技术路线,走出一条推进智能制造的新路。

由此,“智能制造导论”课程理论教学内容的总体框架如图3所示。

图3 课程理论教学内容框架

3.3 实践教学内容

认识来源于实践,也只有在实践进程中才能不断深化认识。智能制造高质量人才的培养也必然要在实践中锤炼成长。“智能制造导论”课程实践教学将依托本校建设的陕西省机械工程实验教学示范中心,从单个智能设备到智能制造单元,再到智能产线系统,进行由浅入深、由局部到整体、由个体到系统的虚实一体的认知与示范教学,加深学生对智能制造的理解与把握。智能制造实践平台体系如图4所示。

图4 虚实一体的智能制造实践教学平台体系架构

4 课程教学方式与方法的创新

为切实提升教育教学效果,课程围绕教学内容与思政内容有机融合、教学过程学生主体与教师主导的关系、智能制造知识技术体系工程化与应用化展示等三大问题,提出了4个解决措施,如图5所示。首先,从教学内容安排上进行优化,实现课程的模块化分解,每个模块有机包含思政模块、理论技术与应用模块、技术标准与规范模块、实践模块。各模块之间形成智能制造技术体系的有机整体,极大方便了教学。其次,从教学组织与实现形式上“解放”课堂,以翻转、分组配合等形式促进学生主动学习、发现问题、解决问题,并培养学生能够进行组织表达及团队协作的能力。以“雨课堂”进行课前、课中、课后教学组织、管理与服务,实施教师主导的智能化教学。第三,从教学方法及表现形式上突出教学内容系统化、工程化以及媒体形式的多样化。开展以多种媒体支持的、基于各内容模块的、依托实践平台的项目式和案例式教学。第四,由于智能制造知识体系的交叉复合性,构建了复合型教学课程组,从专业方向上涵盖了机械自动化及控制技术、测试技术、数控技术、数字化设计与制造4个方向的6位教师,且教师岗和实验岗教师相结合,有力地保障了课程教学的深度和广度、知识的多元复合性和应用性。

图5 教学问题及解决措施

5 课程考核与评价方式的构建

课程本着有效提升智能制造基本知识与技术体系教与学的效果,同时促进学生自主学习习惯的养成、工程系统思维的建立、团队协作与组织表达能力的训练、职业规范意识的形成等,拟从课前准备、课中教学、课后巩固、课外实践、课终考核、反馈评价等6个维度,构建包含预习、出勤、课堂展示、课中表现、课内实验、课后作业、课外实践、课终考核、思政评价等9个方面成绩的多维多元闭环过程考核与评价体系,如图6所示。

图6 课程过程化考核与评价体系架构

6 课程实践效果

6.1 教师教学及教研能力大幅提升

通过本课程的建设研究与实践,课程教师教学水平和能力大幅提升,获得校内课堂创新教学大赛和在线教学比赛三等奖3项。教师的教研能力有明显突破,5年来先后立项省级各类教研课题3项,校级教改课题4项,发表教学研究论文3篇,其中核心期刊论文2篇。教学改革以来,学生评教持续保持在92分以上,学生表现出较高的满意度。

6.2 学生学习效果达成较好

在由本课程团队老师指导学生参加的第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛中,充分运用工程系统思维和智能控制技术,成功设计了搬运机器人、水下巡检机器人,参赛作品设计理念先进、运行及控制性能优良,最终获评省级一等奖1项,二等奖1项。指导学生申请并授权实用新型专利4项。另通过教学改革,极大提升了学生对课程学习兴趣,考核成绩保持在较高水平,中等及以上成绩的学生平均占比61.31%,平均通过率96.79%。

6.3 辐射示范作用好

该课程实践成果在“机电液传动与控制”和“流体传动与控制”2门课程中推广,从教学内容、教学方式方法、实践教学环节全面进行了优化,其教学改革与实践获批1项省级“十三五”教育科学规划课题、1项校级教改项目和1项校级教材建设项目,并发表核心教改论文1篇。

7 结束语

本文通过深入分析中国“智造”的基本国情和新工科对课程教学与建设的内涵需求,在5个教学周期实践的基础上,给出了“智能制造导论”课程完备的建设与实施方案,包括课程目标的确定、课程内容的甄选与课程模块体系的设计、教学方法与实现形式的创新、考评体系的构建以及课程组的建设情况等,凸显了课程建设与实施的目标导向性,教学内容与教学方法的体系化思维、工程化思想与“课程思政”相融合的特性,教学实施与考评的全过程性。通过实践检验,不论从学生学习效果的达成,教师教学水平与科研能力的提升,还是其辐射示范作用,都具有较为明显的效果。该课程的实施方案可为国内应用型本科“智能制造导论”及其相关课程的建设提供案例参考。