德國工業(yè)4.0與機械專業(yè)高等教育結合的探討

王海芳，褚天爭，王繼強，張　恒

（東北大學秦皇島分?？刂乒こ虒W院，河北秦皇島066004）

德國工業(yè)4.0與機械專業(yè)高等教育結合的探討

王海芳，褚天爭，王繼強，張恒

（東北大學秦皇島分校控制工程學院，河北秦皇島066004）

結合德國“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的智能化技術背景，分析了國內外工業(yè)發(fā)展及機械專業(yè)高等教育的現(xiàn)狀，針對工業(yè)發(fā)展智能化的要求，分析了當前機械專業(yè)高等教育中普遍存在的理論與實踐知識與工業(yè)智能化脫節(jié)的教學實際，通過采用樹立綠色、智慧生產新觀念，改變單一教學內容，引導學生跨專業(yè)學習，提高學生科研實踐和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生合作意識和終生學習觀念，轉變學生對傳統(tǒng)工作環(huán)境的認識等措施，就如何使我國機械專業(yè)高等教育與工業(yè)4.0相結合的問題進行了探討。

德國工業(yè)4.0；中國制造2025；教育改革；機械工程

德國在2013年4月推出《德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃實施計劃》，旨在支持德國工業(yè)領域新一代技術性革命與創(chuàng)新?！肮I(yè)4.0”主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，研究智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現(xiàn)；二是“智能生產”，主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用。同時，我國也推出了“中國制造2025”計劃，旨在推進工業(yè)的智能化，使我國工業(yè)堅持創(chuàng)新驅動和智能轉型，由制造大國轉向智能強國。通過實施此戰(zhàn)略，德國企業(yè)一方面可以滿足消費者的個性化需求，也能夠對變化的市場需求和原材料供應變動做出及時的反應和調整。生產自動化，生產IT化的生產模式將對世界工業(yè)產生影響，工業(yè)生產將趨向智慧生產、綠色生產、都市生產。目前，高校機械專業(yè)還是基于機械化大生產模式而設置，因此，必須對現(xiàn)在的機械專業(yè)高等教育進行相應改革，以此適應德國“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”計劃。

一、國內外工業(yè)發(fā)展及機械專業(yè)教育現(xiàn)狀

（一）國內外工業(yè)現(xiàn)狀

世界工業(yè)發(fā)展經歷了四個階段工業(yè)1.0（機械化）、工業(yè)2.0（電氣化），工業(yè)3.0（自動化、信息化），工業(yè)4.0（智能制造）。隨著原子能技術、航天技術、生物科學以及五花八門的新能源技術的產生與快速發(fā)展，全球的工業(yè)制造業(yè)迅速發(fā)展并產生了巨大的改變，信息技術使得工業(yè)生產智能化、個性化，大大地提高了生產效率，節(jié)省了成本，工業(yè)制造變得越來越簡潔、環(huán)保、高效。德國工業(yè)4.0通過將嵌入式系統(tǒng)生產技術與智能生產過程相結合，將給工業(yè)領域、生產價值鏈、業(yè)務模式帶來根本性變革，從而開創(chuàng)一條通往新技術時代的道路。同時，部分發(fā)達國家進行了“再工業(yè)化”，即在發(fā)展先進制造業(yè)的基礎上，加強制造業(yè)與服務業(yè)的融合，實現(xiàn)服務業(yè)高端化發(fā)展，優(yōu)化產業(yè)結構，在繼續(xù)堅持增長方式由粗放式向集約式轉變的同時，將轉型的對象從生產要素結構進一步擴展至供給結構、需求結構等領域。以經濟結構戰(zhàn)略調整為主攻方向，更強調協(xié)調經濟發(fā)展與自然環(huán)境的關系，個人、城鄉(xiāng)、區(qū)域間的利益關系，推動經濟發(fā)展方式加快轉變，實現(xiàn)經濟長期可持續(xù)發(fā)展?？傊I(yè)發(fā)展越來越合理化、人性化。

（二）機械專業(yè)教育的現(xiàn)狀

1.機械專業(yè)教育的規(guī)模不斷增長、結構逐步優(yōu)化。機械類專業(yè)逐步成為工程教育當中的第二大專業(yè)，適應了國家工業(yè)化進程對各個層次機械工程人才的需求，專業(yè)細分為機械設計制造及自動化，材料成型及控制工程，工業(yè)設計，過程裝備及控制工程等專業(yè)，便于其和以體現(xiàn)信息技術與制造技術深化融合的數(shù)字化、網絡化、智能化制造為主線的“中國制造2025”相結合。

2.高校機械專業(yè)學科的實力顯著增強，產學研合作更加緊密。通過創(chuàng)新體制機制，搭建創(chuàng)新平臺等措施，一批高等工科學校創(chuàng)新能力明顯增強。高校已經成為先進制造技術、基礎研究的主力軍，在科學研究、技術開發(fā)和技術成果轉化等方面做出了重要貢獻。

3.機械專業(yè)的教育過程中依舊存在不少問題。首先，高校依舊用傳統(tǒng)的模式進行教學工作，學生被動地接受知識，使學生的主動性和能動性被壓制，嚴重影響了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。其次，學生的動手實踐能力較差，眼高手低，在校期間的實習只讓學生對工業(yè)制造有略微的了解，并不能開拓學生的眼界與思路，無法培養(yǎng)全能型機械人才。最后，在高校的專業(yè)課程里，缺少一些與“智能化”相關的科目。雖然培養(yǎng)計劃里面說到，但是實際做不到。

二、機械專業(yè)應對德國“工業(yè)4.0”的教學改革探討

德國“工業(yè)4.0”的出現(xiàn)將會使機械行業(yè)傳統(tǒng)的加工制造產生重大變革，同時也要求機械行業(yè)相關的從業(yè)人員具備更高的專業(yè)素養(yǎng)，所以，應對機械專業(yè)的教學模式做出相應的教學改革。

（一）打破傳統(tǒng)生產觀念，樹立綠色、智慧生產新觀念

“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”都強調的是智能化生產系統(tǒng)及過程和人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用。為了適應工業(yè)領域的這一革命，這就需要教師和學生在教學過程中打破粗放式生產方式的舊觀念，樹立綠色智慧化的全新生產觀念。在過去的幾十年里，我國的工業(yè)化水平有了很大的提高，對經濟發(fā)展起到了至關重要的作用。但大部分是依靠粗放式的生產方式，資源利用率低，形成了巨大浪費和環(huán)境問題。為了改變這一現(xiàn)狀，高校機械專業(yè)在教學過程中必須引導學生形成適應時代發(fā)展的智能化、綠色化的生產新觀念。

（二）改變傳統(tǒng)的單一教學內容

德國“工業(yè)4.0”的核心概括為建設一個網絡、研究兩大主題、實現(xiàn)三項集成、實施八項計劃。雖然涵蓋技術范圍十分廣泛，但是建立在機械的基礎之上。所以要求機械工程師在具備高水平的專業(yè)知識的同時能對其他相關技術有一定了解，這就要求學校機械專業(yè)的課程設置進行全面改革。德國“工業(yè)4.0”實現(xiàn)的是“智能化工廠”和“智能生產”，所以軟件技術、傳感器、通信系統(tǒng)網絡等課程在機械專業(yè)的教學中應該有所涵蓋。很多學校由于課時原因可能無法集中開設課程，老師應該引導學生組成學習小組進行自學，然后利用部分時間集中進行難點講解，使機械專業(yè)的教學適應行業(yè)的發(fā)展。

（三）引導學生進行跨專業(yè)交流學習

“工業(yè)4.0”的實現(xiàn)要求工作人員在掌握自己相應領域的專業(yè)知識外，還要對相關專業(yè)知識有一定的了解，這就要求在校機械專業(yè)學生成為符合時代發(fā)展要求的專業(yè)水平突出、學習范圍廣泛的全能型人才。但是就目前的高校教育現(xiàn)狀來看，學生能自主進行與其他專業(yè)學生交流學習的情況十分罕見，大部分學生把只學好自己本專業(yè)的課程作為唯一目標，但這并不符合我國的“中國制造2025”政策對機械專業(yè)人才的要求。所以，高校機械專業(yè)在教學過程中，應該通過適當為機械專業(yè)學生安排與其發(fā)展相關的系列專題講座，定期舉辦跨專業(yè)學習交流會等措施，激發(fā)學生交流學習熱情，提高學生自身知識素養(yǎng)，鼓勵、引導學生成長為適應時代發(fā)展需要的復合型人才。

（四）提高學生科研實踐能力

德國“工業(yè)4.0”要求機械行業(yè)的從業(yè)人員能夠攻克相關的技術難題，提供最優(yōu)的技術方案，這就要求在校機械專業(yè)的學生具備良好的科研實踐能力。所以高校的機械專業(yè)在教學過程中應該提高實踐課程的比例，讓學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，利用自己所掌握的知識和能力解決問題。

（五）基于學科競賽提高學生創(chuàng)新意識

創(chuàng)新是時下的熱門話題，同時也是“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的重要內容。機械專業(yè)的學生需要創(chuàng)新意識，但是在教學過程中使用的教材內容都相對固定，對學生的創(chuàng)新意識的培養(yǎng)作用甚微。所以在高校內組織貼近學生生活、具有一定現(xiàn)實意義的學科競賽，不僅可以提高學生的學習熱情和參與度，還可以讓學生在比賽過程中激發(fā)創(chuàng)新能力和提高動手能力。

（六）培養(yǎng)學生合作意識和終生學習觀念

高校機械專業(yè)在教學過程中，應該讓學生重視技術合作的重要性。因為“工業(yè)4.0”打破了傳統(tǒng)的產業(yè)鏈，進行的是智能化的生產。這就要求各個生產環(huán)節(jié)間進行精密的合作，對于機械工程師來說和其他的行業(yè)人員合作是必不可少的環(huán)節(jié)，合作直接關系到產品的生產。高速發(fā)展的科學技術也要求機械工程師對整個生產過程進行了解，這其中就關系到別的領域的相關知識，龐大的知識系統(tǒng)要求學生要培養(yǎng)終生學習的觀念。

（七）轉變學生對傳統(tǒng)工作環(huán)境的認識

“工業(yè)4.0”采取新的協(xié)作工作方式使得工作可以脫離工廠，通過虛擬的、移動的方式開展。員工將擁有高度的管理自主權，可以更加積極地投入和調節(jié)自己的工作。所以高校在教學過程中應該轉變學生以往對本行業(yè)工作環(huán)境的認識，提高學生的自控能力，培養(yǎng)學生成為一名優(yōu)秀的機械工程師。

三、結論

工業(yè)4.0是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢，為了在世界工業(yè)界占有一定地位，我國提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略。機械專業(yè)的高校教學水平對我國“中國制造2025”戰(zhàn)略的實現(xiàn)有重要影響。所以，對我國高校機械專業(yè)進行適應機械行業(yè)發(fā)展的教學改革，使學生成為專業(yè)水平突出、綜合能力強的全能型人才具有重要意義。

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編輯/趙卓然

王海芳（1976－），男，山西高平人，博士，副教授，研究方向：軋制過程及液壓伺服控制研究，液壓元件可靠性。

河北省高等教育學會高等教育科學研究課題；東北大學教研課題；東北大學秦皇島分校教研課題