系統(tǒng)工程化先進制造技術課程群教學模式研究

尹建閣，徐博銘，2

（1.同濟大學浙江學院機械與汽車工程系，浙江嘉興314051；2.同濟大學機械電子工程研究所，上海201804）

系統(tǒng)工程化先進制造技術課程群教學模式研究

尹建閣1，徐博銘1，2

（1.同濟大學浙江學院機械與汽車工程系，浙江嘉興314051；2.同濟大學機械電子工程研究所，上海201804）

先進制造技術是制造業(yè)高新技術的載體，是引領世界制造業(yè)核心技術和裝備的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。面對“制造強國”新的國家戰(zhàn)略目標，高校本科教育及專業(yè)建設向應用型轉(zhuǎn)變，應用型高校亟待改進先進制造技術課程教學模式。在分析課程教學現(xiàn)狀的基礎上，應用系統(tǒng)工程的思維，研究先進制造課程群體系組成及其構(gòu)建條件、各組成部分改革方案及措施，并針對實踐環(huán)節(jié)提出了“菜單式”拓展性實驗教學模式和組織保障，以提升先進制造技術課程教學水平，培養(yǎng)學生的先進制造技術工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

先進制造技術課程群；教學模式；系統(tǒng)工程

2015年5月，國務院公布了《中國制造2025》，確立了我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領。綱領指出了大力推動突破發(fā)展的“重點領域”，其中包括高檔數(shù)控機床和機器人以及航空、海洋電力、農(nóng)機裝備等領域。同時綱領還指出“強化工業(yè)基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養(yǎng)體系”。10月教育部、國家發(fā)展改革委和財政部聯(lián)合發(fā)文（教發(fā)［2015］7號），引導部分地方普通本科高校向應用型轉(zhuǎn)變。在新的形式下，以市場為導向，適時調(diào)整人才培養(yǎng)，創(chuàng)新各個環(huán)節(jié)教學是學校進一步發(fā)展的關鍵。

先進制造技術是制造業(yè)高新技術的載體，是引領世界制造業(yè)核心技術和裝備的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。掌握先進技術的專業(yè)人才是實現(xiàn)我國制造業(yè)發(fā)展和崛起的根本。作為培養(yǎng)先進制造技術人才的高等院校，應加強對高層次高質(zhì)量的創(chuàng)新型應用型機械專業(yè)人才的培養(yǎng)［1］。國內(nèi)20多年歷史的先進制造技術教學，基本上分為三大塊，即基礎教學、專業(yè)教學、專業(yè)選修課程教學以及相應的實驗、實訓、實習教學［2］。這些教學由不同的教師在不同的階段完成，教學過程呈現(xiàn)離散狀態(tài)。由于缺乏關聯(lián)，普遍存在內(nèi)容冗余及缺乏有效遞進的問題。

因此，結(jié)合我校教學改革及實驗室建設實際，在分析課程教學現(xiàn)狀的基礎上，應用系統(tǒng)工程的思維，研究先進制造課程群體系組成及其構(gòu)建條件、各組成部分改革方案及措施，并提出了“菜單式”拓展性實驗教學模式及其實施的組織保障，以提升先進制造技術課程教學水平，培養(yǎng)學生的先進制造技術工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

1　現(xiàn)行課程教學現(xiàn)狀

1.1理論課程開設

根據(jù)先進制造技術的功能和研究對象，其主要內(nèi)容歸納如下：（1）現(xiàn)代設計技術包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工業(yè)過程設計（CAPP）、優(yōu)化設計、可靠性設計、并行設計（CE）、綠色設計等。（2）先進制造工藝技術包括精密與超精密加工技術、特種加工技術、高速加工技術、快速成型技術。（3）加工自動化技術包括數(shù)控技術、工業(yè)機器人技術、柔性制造技術、傳感技術、自動檢測技術、信號處理及識別技術等。（4）現(xiàn)代生產(chǎn)管理技術包括現(xiàn)代生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、物流系統(tǒng)管理、工作流管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量保障體系。如物流需求計劃（MRP）、制造資源計劃（MRPⅡ）、企業(yè)資源計劃（ERP）、準時生產(chǎn)（JIT）等。（5）先進制造生產(chǎn)管理模式及系統(tǒng)包括敏捷制造（AM）、智能制造（IM）、虛擬制造（VM）、精益生產(chǎn)（LP）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）等［3］。從研究的角度看，先進制造技術在不同時代具有不同的含義。2012年以來，以物聯(lián)網(wǎng)（in－ternet of things）和大數(shù)據(jù)（big data）為代表的信息技術、以綠色能源為代表的新能源技術、以3D打印技術為代表的數(shù)字化智能制造等技術系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新，將柔性化、智能化、敏捷化、精益化、全球化和人性化融為一體［3］。

根據(jù)以上先進制造技術的闡述，我?，F(xiàn)行培養(yǎng)計劃中先進制造技術有關課程如圖1所示。

圖1　現(xiàn)行先進制造技術課程

從圖1中可以看出，現(xiàn)行培養(yǎng)計劃中關于先進制造技術課程群的課程，在先進設計、先進制造、現(xiàn)代生產(chǎn)管理技術等方面還可以進一步完善。

1.2實踐教學環(huán)節(jié)

作為應用型人才培養(yǎng)本科高校，我校在加強理論教學的同時，也非常注重實踐教學環(huán)節(jié)，結(jié)合實驗室的先進設備，開設了專業(yè)基礎實驗和專業(yè)綜合實驗。專業(yè)基礎實驗包括傳感與測試技術、數(shù)控編程加工、機械振動基礎、自動控制原理、流體力學與液壓傳動、機械控制技術等六個大型專業(yè)課程基礎型實驗，共51學時。專業(yè)綜合實驗包液壓回路設計與控制、集裝箱起重機抗地震減隔振、先進制造技術、數(shù)字化設計與制造、PLC、物流工程、無線傳感、數(shù)控磨削加工等九個大型多學科綜合性設計型實驗共68學時。此外，認知實習、金工實習等實踐環(huán)節(jié)教學開展約12周。已建及在建的機械基礎實驗室、專業(yè)基礎實驗室和專業(yè)綜合實驗室以及在長三角區(qū)域建立的十幾家校外實踐基地保障了實踐教學環(huán)節(jié)的實施。

在上述學時分配及硬件設施投建基礎上，多數(shù)應用型本科高校在實踐環(huán)節(jié)的投入不斷增加，但是仍普遍存在以下問題：實踐環(huán)節(jié)與理論環(huán)節(jié)在實施上存在基本的時序矛盾；學生普遍對實踐環(huán)節(jié)投入的時間和精力不足；現(xiàn)代化設備及技術在教學中更新周期過長；實踐環(huán)節(jié)與工程實際缺乏有效對接等問題。

1.3教學組織開展

現(xiàn)行先進制造技術課程群開展基本按照理論與實踐兩部分開展。實訓和實習受時間、地點以及實踐基地生產(chǎn)計劃的限制，與課堂理論缺乏有效關聯(lián)。實驗部分在時間和內(nèi)容上與課堂教學雖然實施緊湊，但是囿于傳統(tǒng)的實驗課組織形式（講解＋演示＋模仿），學生的積極性也不高，教學過程局限于對所學知識的復習鞏固和實驗操作流程的重復。這種方式在很大程度束縛了學生的思想，限制了學生的興趣，實驗課效果不好。除了在時空上實踐與課堂相互割裂，實踐環(huán)節(jié)在整個實施上基本上時間地點固定、內(nèi)容步驟統(tǒng)一、分組批量進行，一方面不利于激發(fā)學生的專業(yè)興趣及培養(yǎng)其自主意識和創(chuàng)新精神，一方面實驗室資源性使用率未能最優(yōu)化。

因此，面對國家高校以及專業(yè)的轉(zhuǎn)型，人才培養(yǎng)的發(fā)展，亟待調(diào)整和完善善先進制造技術課程理論教學體系、改進教學組織開展的形式以及方式方法、解決實踐環(huán)節(jié)存在的普遍問題。

2　構(gòu)建系統(tǒng)工程化教學模式

目前許多高校機械類專業(yè)都開展了先進制造技術課程及實驗教學方法的研究，研究了先進制造技術的體系結(jié)構(gòu)、綜合性實驗教學、虛擬實驗教學、建立先進制造技術實訓基地，并提出了開放性實驗教學、創(chuàng)新實驗項目開放形式、分層次跨學科開放實驗教學實踐等，并取得了一定等效果［4-9］?；谖倚C械類特色專業(yè)及實驗中心的建設，采用系統(tǒng)工程的思維，從課程體系、組織開展、教學實施等方面進行改革探索。

2.1課程體系統(tǒng)一

單靠一門課程教學與實驗內(nèi)容的更新來建立先進制造技術實驗教學體系是遠遠不夠的，必須從專業(yè)培養(yǎng)目標出發(fā)，全盤考慮整體規(guī)劃，建立一體化教學體系，包括課堂教學和實踐教學，如圖2所示。由于校外實習中實踐基地存在不確定因素，故圖2中實踐教學體系主要含校內(nèi)的實驗和實訓教環(huán)節(jié)。

圖2　先進制造技術課程群體系

從圖2可以看出，先進制造技術課程群改革建設體系龐大、課程教學和實踐教學門類多、實施學期跨度大，為此從系統(tǒng)工程的角度，從以下幾個方面實施課程體系的構(gòu)建：（1）確立人才培養(yǎng)目標，以培養(yǎng)計劃為主線，圍繞應用型高校建設要求調(diào)整課程、學時及實施學期。針對先行先進制造技術發(fā)展，增加選修課程模塊，保障教學體系完善，實現(xiàn)專業(yè)內(nèi)課程教學拓展。（2）根據(jù)先進制造技術發(fā)展，先進制造技術課程群定期調(diào)整教學大綱。大綱制定時，要求統(tǒng)籌理論教學、課內(nèi)課外實驗實訓教學，以對課程及實驗交叉內(nèi)容進行統(tǒng)一安排，避免冗余。同時對實踐教學環(huán)節(jié)制定統(tǒng)一的教學要求，但在具體實施過程中給教學和學生充分的自主發(fā)揮空間。（3）制定具體的實施文件，如教學進度表、實驗手冊等，并分期進行嚴格的審核，以保障統(tǒng)一的教學體系可以有效實施。

所謂系統(tǒng)工程，即每個系統(tǒng)都是由許多不同的特殊功能部分所組成，而這些功能部分之間又存在著相互關系，但是每一個系統(tǒng)都是完整的整體。在先進制造技術課程群中，課堂、和實踐（實驗、實訓）兩大環(huán)節(jié)，教室、實驗室和實訓中心三個場所，教師、學生、教輔和管理人員四類主體構(gòu)成一個完善的系統(tǒng)，上述三條保障系統(tǒng)整體高效運行，而教學、人員及場地等每一部分功能的發(fā)揮還需要制定詳細的改革方案。

2.2教學模式創(chuàng)新

實踐教學一般有實驗、實習、實訓三種形式。這三個概念同屬于實踐教學的范疇，都強調(diào)對實際的了解和對技能的掌握，強調(diào)提高學生的實踐能力；教學的目的都是為了培養(yǎng)學生掌握所學專業(yè)的知識和能力。為了凸顯本科人才的特點，實訓不單純是操作訓練，而是在操作訓練時，著眼于對大學生實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。而應用型本科人才的培養(yǎng)，在此基礎上更強調(diào)實訓項目與生產(chǎn)一線所需的操作技能盡可能在本質(zhì)上吻合［10］。

為此，實踐環(huán)節(jié)的改革以課程范例和教學模式創(chuàng)新為手段，構(gòu)建科學優(yōu)化、層次清晰、目標明確、逐層遞進的教學體系，將實驗實施劃分為“基礎性實驗”和“拓展性實驗”兩個模塊，如圖2所示。拓展性實驗與學生活動競賽、工程實例、創(chuàng)新項目相融合，如圖3所示。該模式通過項活動競賽的形式可激發(fā)學生的專業(yè)興趣；以工程實例為基礎仿真模擬及實際加工制造，強化操縱技能；以項目為主線貫穿理論、操作和實際應用，提升學生的專業(yè)綜合素質(zhì)，并使學生在較短的時間內(nèi)達到企業(yè)應用級的水平。

圖3　“菜單式”拓展實驗組成

拓展性實驗模塊，對學生參與的主動性，實施過程的創(chuàng)新意識與自主能力要求高于基礎性實驗模塊。因此在實施過程中，主要考慮學生自身特點，在該部分進一步實施分類分層教學。圖3所示的“菜單式”模式，將拓展性實驗各組成部分菜單化，通過增加項目、競賽及加工實例的種類和數(shù)量以形成資源合集，學生根據(jù)自身興趣愛好進行選擇。此外，操作過程中提供相關案例指導分冊，以便于學生具體實施及改進。傳統(tǒng)的分層教學由教學主體對學生進行分類篩選，該模式實現(xiàn)學生主體對教學資源的自主選擇，在自身原基礎上進行鍛煉提升，以實現(xiàn)不同教育個體的能力發(fā)展。

2.3教師主體融合

改變課堂和實踐教學任務分別由教研室和實驗室人員分別承當、分別管理的傳統(tǒng)的格局，教學主體之一——各類教師相互融合，實現(xiàn)以下目標：（1）根據(jù)理論及技術前沿，任課教師創(chuàng)新實踐教學內(nèi)容及操作；（2）根據(jù)理論教學大綱修訂實驗教學，發(fā)揮實驗教師參與理論教學的積極性；（3）兩類教師的融合，有效提升課堂教學與實踐教學關聯(lián)程度，形成圖2所示完整的先進制造技術課程體系。此外，兩類人員的融合實現(xiàn)師資統(tǒng)一管理，便于實現(xiàn)教學安排的連貫性和教學資源的統(tǒng)一調(diào)配。

2.4組織實施保障

為有效實施先進制造技術課程群教學改革，具體組織實施過程中還需要以下方面配合保障：（1）教學各部門需要達成共識，由教學口統(tǒng)一實施培養(yǎng)計劃和教學大綱的修訂，并集中進行專家論證；（2）管理部門要制定改進的長效機制，以確保整個教學體系改革持續(xù)進行；（3）人事部門制定相應的配套政策以及激勵機制，促進各類教師融合；（4）形成靈活的實驗室運行及管理機制，提高“菜單式”拓展性實驗模塊開放程度，以充分利用實驗設備等設施，提升實驗設備的利用率［11］。

3　結(jié)束語

系統(tǒng)工程化先進制造技術課程群教學改革從專業(yè)培養(yǎng)目標出發(fā)，全盤考慮整體規(guī)劃，建立一體化課程群體系，縱向研究理論教學與實踐教學內(nèi)在關聯(lián)，優(yōu)化的教學大綱和實踐教學要求，實現(xiàn)二者內(nèi)容的銜接印證；橫向研究各組成部分，尤其創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)教學模式，實現(xiàn)基礎性實驗到拓展性實驗的拓展，并且“菜單式”拓展性實驗的設計促進開放性實驗實施。此外，從師資融合、人事政策、激勵機制、資源配置等方面組織保障先進制造技術課程群教學體系改革，以提升先進制造技術課程教學水平，培養(yǎng)學生的先進制造技術工程實踐能力和創(chuàng)新能力，從而符合國家制造業(yè)發(fā)展，高校應用型人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型對人才培養(yǎng)的要求。

同濟大學浙江學院機械與汽車工程系實施先進制造技術課程群教學體系改革兩年來，教研室相關任課教師全部走進實驗室，新的實驗模式受到2012級和2013級學生的歡迎，教學改革收到了良好的效果。

［1］魏效鈴，張寶剛，王劍鋒.關于先進制造技術實訓基地建設的思考［J］.河北工程大學學報（社會科學版）.2014，31（2）：80-82.

［2］劉梅，鐘佩思，鄒蓉.先進制造技術課程群實驗教學方法研究［J］.實驗室研究與探索.2008，27（10）:128-131.

［3］蘇發(fā)，陳益嚴，詹有基.先進制造技術的體系結(jié)構(gòu)及綜合性實驗教學方法的研究［C］.2011 2nd International Confer ence on Management Science and Engineering Advances in Artificial Intelligence.Vol.1-6:386－390.

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［5］李鋼.先進制造技術虛擬實驗室教學研究［J］.長沙大學學報，2005.9，19，（5）：116-117.

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［8］劉新華.在先進制造技術課程中開展3D打印實驗的方法探究［J］.東方教育，2014，（6）：65-67.

［9］袁慶霓，胡耀，朱漢陽.“先進制造技術”課堂教學與實驗環(huán)節(jié)改革和探索［J］.課程教育研究，2014，（16）：226-227.

［10］胡劍慧，應用型本科院校實訓中心建設中的問題及其對策研究－以若干所上海應用型本科院校為例［D］.上海：華東師范大學職業(yè)教育與成人教育研究所，2007.

［11］余志華，王光軍，王宏，等.加強實驗教學隊伍建設，提高開放實驗教學水平［J］.實驗技術與管理，2012，29（4）：211-213.

Research on Systematic Engineering Teaching Mode of Advanced Manufacturing Technology Courses

YIN Jian-ge1，XU bo-ming1，2
（1.Department of mechanical and automotive engineering，Tongjizhejiang College，Jiaxing Zhejiang 314051，China；2.Institute of Mechanical&Electronic Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Advanced manufacturing technology is the carrier of high-tech manufacturing industry，and is the strategic emerging industry leading the core technology and equipment manufacturing in the world.The new national strategic goals of“powerful manufacturing county”propels the application type transformation of the university undergraduate education and professional construction，and application-oriented colleges and universities require advanced manufacturing technology course teaching mode to be urgently improved.Based on the analysis of the current situation of teaching，the system of advanced manufacturing course and its construction conditions，and the reform plan and measures of each part are explored，by systematic engineering thinking.According to the practice link，the "menu style"teaching mode for expansive experiments is designed and the organization support to properly carry out the mode is proposed.All of these improve the teaching level of advanced manufacturing technology course，and cultivate students‘a(chǎn)dvanced manufacturing technology engineering practice ability and innovative ability.

advanced manufacturing technology courses；teaching mode；systematic engineering

TB47

A

1672-545X（2016）08-0266-04

2016-05-22

尹建閣（1983-）女，湖北襄陽人，碩士研究生，系主任助理，講師，主要方向為機電一體化，飛輪儲能；徐博銘（1962-），男，上海人，本科，系主任，教授，主要方向為機械工程。