智能制造背景下开放教育机电一体化专业实践教学改革研究*

张 娟

（广州开放大学，广东 广州 510000）

机电一体化专业是制造业数字化转型、智能制造业发展的基础，为了更好地助力产业升级和高质量发展，改变智能制造业应用型人才不足的现状，国家开放大学（简称国开） 启动了“新型产业工人培养和发展助力计划”（简称“助力计划”），这对机电一体化专业的实践教学改革提出了新的要求。目前，部分学校机电一体化专业的实践教学体系、教学内容、师资和基地建设需要进一步完善。因此，本研究以智能制造发展需求为契机，以就业技能为导向，以提高学生对智能制造的认识与应用能力为目标，以“双证书、高素养”的高质量技能型人才培养模式为基准，从实践教学体系构建、教学内容改革、教学方法创新、师资和实践基地建设等方面进行了研究与实践。

一、构建双融合的机电一体化专业实践教学体系

（一） 开放教育实践教学的特点及现状分析

开放教育是在学习型社会发展的背景下，为了顺应人们终身教育和高等教育大众化的迫切需求，在计算机信息技术支持的基础上产生的育人方式。开放教育提倡“教学广惠，有教无类”，这不仅意味着对学习者的开放，更重要的是教育理念、教学资源和教学过程的开放。它是以学生自主学习为重点，采用线上线下相结合的教学方式，突破时间和空间的限制，在教学上实现了信息化、智能化、数字化。开放教育的主要目的就是快、准、好地培养社会发展所需要的应用型人才。然而，开放教育在实践教学方面存在不足：生源的复杂多样性使得学生的基础和实践经验参差不齐；在职学习的学生存在工学矛盾；实训场地、设备和师资存在不足[1]。实训基地与场所的建设需要大量的资金，为顺应制造业的高质量发展，工程教育上的投入需要增加。因此，机电一体化专业实践教学的改革与创新应该从以上问题出发，结合制造业的智能化发展，综合考虑开放教育的规律与特点，建立相应的机电一体化专业实践教学体系。

（二） 构建双融合实践教学体系

1. 完善职业教育和继续教育融合机制，共享实训资源

落实机电一体化专业实践教学工作，职业教育与继续教育相融合的机制需要完善，共享实训教学资源，这样才能使开放教育实践环节正常开展。机电一体化专业的生源部分来自中职技工学校，这类学生主要是想通过开放教育提升学历和知识水平。中职技工学校拥有相应的实训场地、实训设备和实训师资，这可以弥补部分开放大学实训力量的不足。拥有一套完善的职继融合机制，充分利用中职技工学校的实训条件和场地，可以帮助金工实习与课程实训等环节的开展。

2.完善产教融合机制，加强校企合作

完善产教融合机制，加强校企合作，在校企合作的基础上，强化校外实训基地的建设。以校企合作共建为工作重点，实现基地的整合与完善。校外实习基地是进行专业综合实训和岗位实践教学的基本条件，学生在实训基地能够进行电气维修、生产机械设备操作以及生产过程管理等项目的训练。对此，开放大学应重视校外实践基地的建设，积极联系优质企业。学校为企业提供应用型人才，企业又为学校提供相应的实训岗位，使实践教学的质量得到提升。其次，学校还可以聘请一些掌握前沿技术的工程技术人员，不定期为学校的专职或兼职教师进行培训或开展专业讲座，并作为产教融合的桥梁和沟通纽带，提高校企合作的深度与质量[2]。

3.完善实践教学质量评价标准

科学合理、全面详细的实践教学评价体系是提高实践教学质量的重要保障，是影响实践教学质量的重要环节。质量评价指标体系要涉及实践教学过程中的各环节并对其进行系统性的监控与评估。对此，开放大学要注重实践教学评价标准的制定，这一标准需要同当前社会企业实际工作标准相对照、相适应，要在广泛社会调研和集思广益的基础上，融入职业标准，由专业工作人员和指导教师协同制定并请相关专家审定通过[3]。从而提高实践教学的指导性，更好地突出实践教学的价值和意义，促进实践教学质量持续提高。

4.加强师资队伍建设

教师是教学工作的关键，无论是理论教学还是实践教学，教师都具有重要的指导作用。因此，在落实专业实践教学工作时，应该明确目标，积极完善师资队伍建设。首先，人才引进方面，在继续教育培养的基础上，引进师资时还要注重第一专业及教育背景、注重现场实操能力考核；其次，注重整个实践教学教师团队的年龄、学历和职称结构合理化，目的是打造高质量、高水平的“双师型”师资队伍。

开放教育机电一体化专业的实践教学体系是一个多层次、多目标、多元化的体系。该体系是在职业活动的基础上，以继续教育的形式，进行职业能力和职业素养的培养；该体系将职业教育与开放教育相融通，产业需求和人才培养相融合，校内课程实训和校外岗位实习相辅相成，知识、技术和技能培养相互交叉，通过完善师资队伍和质量评价标准，从而构建一个科学、有效的开放教育实践教学体系。

二、基于智能制造的实践教学内容创新

目前，开放大学机电一体化专业实践教学改革的关键是教学内容的改革，这主要是由学生的特点决定。开放教育的学生包含有继续教育需求的在职人员、中职技工学校毕业生、普通高中毕业生等。按国开的“助力计划”要求，其人才培养目标定位是培养生产一线需要的、具有创新能力和良好专业素养的新型产业工人。这一培养目标决定了智能制造时代的机电一体化专业实践教学内容改革要适应生产企业智能化发展的需要，以培养智能设备应用能力和数字化改造为主线，设计教学内容和学生应知应会的知识，能力和素养；按照基础知识、一般能力与专业技能相结合的职业教育要求，在奠定实践教学环节基础的同时，突出专业核心能力的培养，重点培养学生的电工电子技术、单片机技术、液压与气动技术等与工业机器人密切相关的应用技术，以及电气设备的故障诊断与维修能力[4]。

（一） 构建智能制造教学平台

智能制造教学平台在充分利用大数据和云计算技术的基础上，根据机械制造、机电一体化、电子与通信工程、自动化系统工程、人工智能等领域常用的工程设备来规划设计而成。它采用模块化结构，包括AGV 移动机器人单元、工业网络单元、运行控制单元、立体仓库单元和总控操作显示单元。该平台除了应用于智能制造的综合实训，还可应用于多门课程的课程实训，例如可编程控制器应用、传感器检测与测量、液压与气动、计算机控制、软件工程、控制工程及数控加工等智能制造课程群。平台的模块组成和功能特点包括两个方面。

1.模块组成

智能制造教学平台主要由监控与调度、物流立体仓库、自动生产线、产品加工与制作（包括镭雕，包装贴标等）、机器人装配（如关节轴装配）、机器人搬运、机器人2D 和3D 视觉应用（包括视觉检测）、AGV 导航群（移动机器人应用） 等模块组成[5]。

2.功能特点

（1） 数字化与智能化

基于数字化立体仓库，能够实现对加工物料出库、生产线运输、数控加工、机器人搬运、产品装配、产品视觉检测和AVG 运载协同合作运行等智能化处理功能。

（2） 实训教学个性化

平台的各个组成单元独立运行，可以根据课程内容需要单独进行实训教学，也可以根据专业领域需要分层次分模块进行教学，比如产品加工与制作单元可作为数控加工专业学生单独实训教学，体现了实训平台灵活、实用、可共享及节能环保等特点。

（3） 总控监管可视化

对全过程数据信息进行可视化管理，比如物流管理信息、网络下单信息、电子看板监视功能等，支持客户网络下单，定制个性化产品，实时跟单，以智能的方式满足客户的需求。

（4） 全自动柔性制造功能

平台整合数控机床、立体仓库、装配机器人、AGV、机器人视觉质量检测、自动生产线等功能单元，使仿真工厂能够根据订单迅速转换加工程序及物料配送，实现产品加工的自适应和全自动，体现智能制造的柔性和智慧性。

（5） VR/AR 仿真感化

VR（Virtual Reality） 虚拟现实功能，将动态画面和真实体感融合在多维环境中，营造出现实的仿真场景；AR（Augmented Reality） 增强现实功能，实时将视觉设备拍摄的全景图像及传感器的位移跟踪进行数据化图形化处理，从而实现教学平台现实场景和虚拟仿真的全景互动。

（6） 教学方式多样

受资金、场地、人力的投入及学生工学矛盾等因素的影响，平台可以通过VR、AR、AI（Artificial Intelligence），利用物联网、大数据、云计算等现代计算机信息技术手段，采用线上远程仿真学习与线下生产实际相融合的方式来实现，也可以通过增加仿真网络带宽，提高实验室管理智能化水平，开发基于IOS 和安卓系统手机/平板的应用APP，使学生可以随时随地进行移动式学习。

（二） 有效开展仿真实训教学

有团队针对数字化背景下机电一体化专业的仿真实训进行了系统研究，例如，蔡晓君等[6]认为，仿真实训不仅能提高学生的操作技能，使学生能更好地适应企业的工作环境，还能培养学生的创新思维。建构主义学习理论认为，学习是学习者在原有知识的基础上，在一定的社会环境中，主动对新信息进行加工处理，建构知识的过程，学习者通过与现实环境的互动，创造和建构自己的知识。在仿真实训的环境中，学生可以直接参与工程问题的解决，从而获取丰富的实践经验，建构并深化自己的知识结构。同时，从认知学习理论角度看，仿真实训环境提供了大量的、可感知的实物，有利于增加学生的认知积累，激发学生的学习兴趣，从而提高学生的学习效果。此外，仿真实训的环境也能帮助学生从整体上理解和把握工程问题，提升学生的系统思考能力。从教育技术的视角来看，教育数字化和人工智能为仿真实训提供了技术支撑。数字化技术能够帮助构建生动、逼真的仿真环境，丰富教学手段，提高教学效果。此外，数字化技术也有助于改善教学评价体系，使之更加客观和全面，促进学生的全面发展。

因此，有效地开展仿真实训不仅可以丰富教学手段，提高教学效率，培养学生的团队精神，还能激发学生的创新思维。特别是在工程教育中，利用数字化技术的仿真实训可以助学生理解复杂的工程问题，获取实践经验，提升学生的实践操作能力，同时还能激发学生的学习动力，提高学生的学习兴趣。

（三） 加强一般能力与专业技能结合培养

实践教学环节除了培养学生适应未来职业岗位的专业技能外，还应包括一般能力的培养，比如写作与表达能力、英语与计算机应用能力、收集和处理现代信息的能力、自学和获取新知识的能力、分析和解决实际问题的能力、以及团结协作和组织社会活动的能力等。这些能力都与专业技能的提升息息相关，因此，在进行教学内容设计的时候要注重一般能力培养与专业技能训练相结合。

（四） 以赛促学，以赛促教

参加各种职业技能赛事也是实践教学环节的一项重要内容。通过参赛，学生不但训练了专业核心能力，还能培养综合能力。机电一体化专业的核心能力，主要是CAD/CAM 应用能力，电气控制系统安装与调试能力以及PLC 技术应用，其培养主要通过机电一体化系统设计、CAD/CAM 计算机辅助设计和制造、数控加工实操等环节逐步完成。在参赛的过程中，学生要提前进行各种培训和练习，针对竞赛内容和要求进行系统学习，参加命题考试，进行现场演示，进入承办企业进行实地考核，这一过程能够使学生全面了解本专业所需的各种核心技能和未来的岗位需求。因此，学生在整个比赛的过程中，既训练了核心技能也提高了综合能力。

（五） 将思政元素融入实践教学

实践教学的思政教育是培养学生的敬业精神，而制造业岗位敬业精神的核心是“工匠精神”，从其内涵来看，是将“匠人、匠心、匠魂”三个层次的培养有机融入实践教学之中。

1.培养“匠人”意识

在开展实训课之前通过不同方式对学生进行培养，使其对工匠精神形成一个初步的概念。比如，学校有着丰富的校园文化宣传手段，可以利用海报、广播、演讲比赛、社团活动等方式让学生耳濡目染，不断熏陶，从而理解“匠人”意义，感受“工匠精神”。

2.凝炼“匠心”

根据教学需要，将真实项目引入课堂，设计项目式教学案例，构建真实的职业活动场景，把学生“工匠精神”的培养落实在具体作品上。比如，以螺母、螺栓的设计制造为例，学生从设计产品、制订工艺方案、到零件加工检测，形成完整而真实的职业活动，从而在整个项目活动过程中感受敬业精神，体会职业道德，锻炼综合素养，淬炼“匠心”。

3.铸造“匠魂”

学生“工匠精神”的培养，不仅需要长期工作经验的累积，还需要企业文化的熏陶。因此，开展校企双方合作，让学生到企业去实习，通过实践学习，感受企业文化，是培养学生“工匠精神”和敬业精神的重要方式。此外，在校期间让学生关注各类竞赛，并积极组织学生参加全国性技能竞赛，把每一次比赛当作一种历练。比赛的认真过程和竞争过程使学生的“匠心”得以磨炼，“匠魂”得以铸造，从而职业素养得以提升[7]。

三、实践基地建设及实践教学方式的创新

（一） “开放—整合—互动”的校外实践基地的建设

开放大学可与相关技校或考证培训工程中心合作，积极利用校外办学资源，在资源共享、互惠互利原则的基础上，挂牌成立稳定的校外实训基地，为学生的工程应用能力以及综合职业能力的培养提供有力的保障。

自开放大学启动“助力计划”以来，积累了许多校外合作经验，初步形成了“开放—整合—互动”的校外实践基地建设新认知，其包括三个方面的开放、整合、互动：一是实践环境与物质资源方面，二是实践教学与人力资源方面，三是实践项目与信息资源方面。

“开放—整合—互动”的校外实践教学基地建设的途径包括成立专业建设委员会，共同开展专业建设和课程改革活动；建立企业冠名班，为企业订单式培养人才；承接企业技术外包，实现产、学、研三方面的和谐统一；将分校办进企业车间，采用“双元制”办学模式，共同为企业培养未来员工、培训在职员工；将企业生产流水线搬进校园，实行仿真环境下的技能教学，从而实现与校外基地的开放、整合、互动。

（二） 线上线下混合教学，多元拓展实践教学方式

通过将线上和线下教学资源相互结合，教师可以充分利用在线学习平台和互动课件，为学生提供丰富多样的学习资源和学习手段[8]。在线学习平台可以提供课程资料、视频讲解、模拟实验等线上资源；而互动课件可以设计交互式演示、模拟实践操作等学习活动。教师可以整合相关资源，通过线上学习逐渐引导学生了解和掌握相关概念和知识，并在线下课堂中进行实践操作和讨论。例如，在学习数控加工知识的时候，学生可以通过线上教学观看数控编程的指导视频并进行交互式仿真实验，从而理解数控编程原理和数控加工流程；然后，在线下课堂中进行实际机床操作和自主编程任务的实践操作，提升学生的实践技能和问题解决能力。此外，通过针对性的教学步骤安排，教师可以引导学生有序地进行学习，深化理解和提升学习效果。在混合式实践教学过程中，互动课件的设计应考虑学习内容的逻辑关联和实践教学规律的推进。通过设计有序的教学步骤，可以将学习任务和互动活动结合起来，让学生在合适的时间里完成任务和反馈学习成果。例如，在学习机械工艺基础内容的时候，可以通过互动课件依次引导学生了解机械切削原理、选择合适的切削刀具、进行刀具磨损分析等，每一步骤都紧密联系，有助于学生建立知识框架和提升解决实际问题的能力。

四、结语

在智能制造背景下，开放教育机电一体化专业实践教学创新包含教学体系和教学内容的创新，它是一个系统工程，涉及人才培养模式、质量评价标准以及区别于普通高校的开放教育办学方式。只有积极探索实践教学改革与创新，构建新的实践教学体系，设计新的实践教学内容，拓展新的实践教学方法，加强师资建设和校企合作，使实训教学活动和人才培养工作与智能制造领域人才需求相适应。建立与开放教育人才培养模式相符合的、与开放大学办学条件相适应的实践教学模式，不断探索与进步，才能培养出高质量、高水平的新时代应用型人才。