面向新工科教育的機械工程專業(yè)計算機能力培養(yǎng)方法

丁毓峰

摘要：隨著近幾年人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等高新科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級導(dǎo)致對機械工程專業(yè)畢業(yè)生提出了新的要求，其中計算機能力就是一個突出體現(xiàn)。文章結(jié)合制造業(yè)的發(fā)展趨勢，針對機械工程專業(yè)新工科人才需求進行了分析，提出了面向新工科教育的機械工程專業(yè)計算機課程體系和計算機相關(guān)課程設(shè)置方法，最后介紹了面向新工科教育的機械工程專業(yè)學(xué)生計算機應(yīng)用實踐案例。

關(guān)鍵詞：新工科;機械工程;計算機能力;工科教育

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0212-02

新工科是相對于傳統(tǒng)工科而言的，以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，是一個動態(tài)的概念[1]。新工科的建設(shè)，一方面要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，并加強建設(shè)、提升質(zhì)量;另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，探索符合工程教育規(guī)律和時代特征的新培養(yǎng)模式。鐘登華等[2]提出經(jīng)濟全球化的發(fā)展催生產(chǎn)業(yè)重大變革和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，自主機器人、大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實等新興科技趨勢使得傳統(tǒng)的工科教育體系已經(jīng)無法滿足這種新的發(fā)展趨勢。

新工科以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景，以科技創(chuàng)新為核心，在新興領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中形成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機制。周崇松等在新工科背景下計算機在專業(yè)中的應(yīng)用課程教學(xué)改革實踐中提出新工科建設(shè)可通過設(shè)置和發(fā)展新興工科專業(yè)來完成，也可以通過傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革創(chuàng)新進行拓展[3]。杜彥斌提出針對機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程建設(shè)存在的課程內(nèi)容與工程實際聯(lián)系不緊密等問題，圍繞教學(xué)策略實施、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)以及評價反饋改革等內(nèi)容，提出機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程改革的理念與思路[4]。

在國際新經(jīng)濟大趨勢下，在工業(yè)4.0和國家2025戰(zhàn)略引導(dǎo)下，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、機器人等智能制造相關(guān)技術(shù)改造或者升級傳統(tǒng)制造業(yè)的工作已經(jīng)展開，因此迫切需要既懂得傳統(tǒng)制造理論和知識，又掌握高新技術(shù)的專業(yè)人才。

一、機械工程專業(yè)新工科人才需求分析

圍繞機械工程的新工科實踐和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及智能制造是密不可分的。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是自動化與信息化深度融合的有效手段，可以實現(xiàn)自動化裝備與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的連接，從而實現(xiàn)數(shù)字化管理，采用云平臺提供數(shù)據(jù)采集、云端分析，進而實現(xiàn)企業(yè)間的聯(lián)動協(xié)同。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將推動智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外資源整合。智能制造發(fā)展趨勢包括數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化推進智能制造范式演進，數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化推進智能制造范式演進和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展推動智能制造系統(tǒng)集成高速興起。

可見，圍繞新工科的要求和企業(yè)自身在國際化進程中的發(fā)展需要，企業(yè)對機械工程專業(yè)新工科人才的要求是：在掌握傳統(tǒng)機械設(shè)計及制造知識的基礎(chǔ)上，能夠掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的基礎(chǔ)理論、方法和技術(shù)，知曉工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的發(fā)展趨勢，能夠適應(yīng)企業(yè)在智能制造領(lǐng)域的不斷發(fā)展需要。

二、面向新工科教育的機械工程專業(yè)學(xué)生計算機課程體系

目前機械工程專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中涉及的計算機課程包括C語言、單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機仿真、機械CAD/CAM。新工科背景下需要對這些傳統(tǒng)的計算機應(yīng)用相關(guān)課程進行整合，并和人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、并行計算、大數(shù)據(jù)等方向結(jié)合，制定符合新需求的計算機相關(guān)課程體系?？紤]到目前中國制造業(yè)的發(fā)展方向，將和計算機相關(guān)的課程分成物聯(lián)網(wǎng)和智能制造兩個大的方向，如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)方向分成硬件和軟件兩個層次，硬件主要涉及電路設(shè)計、底層DSP開發(fā)、PCB設(shè)計等課程知識，應(yīng)在傳統(tǒng)機電專業(yè)課程中體現(xiàn)，軟件層次包括兩個系分類，一個是嵌入式軟件設(shè)計開發(fā)，主要涉及C語言、單片機、可編程邏輯控制器（PLC）等嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程，另外一類就是App及應(yīng)用服務(wù)器開發(fā)，企業(yè)需要通過手機監(jiān)控企業(yè)內(nèi)部機床設(shè)備、工件的生產(chǎn)狀況、質(zhì)量情況、發(fā)生故障時候的報警就需要采用這種系統(tǒng)實現(xiàn)。

將機器學(xué)習(xí)應(yīng)用于智能制造系統(tǒng)，一種方式是建設(shè)的單個系統(tǒng)本身具備機器學(xué)習(xí)的功能，另外一種方式是建立企業(yè)級的機器學(xué)習(xí)平臺，為企業(yè)中的其他系統(tǒng)提供機器學(xué)習(xí)的能力和服務(wù)。

智能制造方向可以細分為智能設(shè)計、智能裝備和智能測試等，將整合傳統(tǒng)的計算機仿真、Matlab/Labview、機械CAD/CAM等課程，另外新增Python設(shè)計及開發(fā)課程。在智能設(shè)計子方向，以機械CAD/CAM課程為基礎(chǔ)，加強二次開發(fā)能力的訓(xùn)練，按照傳統(tǒng)培養(yǎng)模式培養(yǎng)的學(xué)生是沒有這些技能的，企業(yè)只好自己培養(yǎng)這方面的人才，這樣無疑增加了企業(yè)的開發(fā)學(xué)習(xí)成本和開發(fā)周期。

三、面向新工科教育的機械工程專業(yè)學(xué)生計算機相關(guān)課程設(shè)置方法

按照新工科下機械工程專業(yè)計算機課程體系，在傳統(tǒng)計算機課程的基礎(chǔ)上，增加了較多計算機課程相關(guān)知識。按照現(xiàn)在機械工程專業(yè)的課時規(guī)劃，很難一下再增加這么多課程，如何解決這個矛盾呢？考慮有以下幾個方式進行處理：（1）傳統(tǒng)課程內(nèi)容的改革。圍繞新工科知識要求，增加人工智能等相關(guān)前沿內(nèi)容，壓縮傳統(tǒng)內(nèi)容。例如機械CAD/CAM課程中增加和企業(yè)案例結(jié)合的具體產(chǎn)品的二次開發(fā)內(nèi)容，如汽輪機葉片CAD/CAM系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)，壓縮如曲面建模理論等內(nèi)容。（2）以方向選修課的方式開設(shè)相關(guān)課程。如開設(shè)機器學(xué)習(xí)及Python實現(xiàn)、手機App及服務(wù)器開發(fā)等課程。（3）通過實踐環(huán)節(jié)增加課程學(xué)習(xí)。實踐環(huán)節(jié)包括現(xiàn)有課程體系內(nèi)實踐、畢業(yè)設(shè)計實踐和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新實踐，如在課程體系內(nèi)的CAD/CAM及數(shù)控技術(shù)實踐的實踐課程中增加機器人編程及遠程控制內(nèi)容。

四、面向新工科教育的機械工程專業(yè)學(xué)生計算機應(yīng)用能力培養(yǎng)實踐

從2010年開始，我們就開始嘗試通過一些創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目培養(yǎng)學(xué)生的計算機應(yīng)用能力，指導(dǎo)學(xué)生參加了國家大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新計劃、機器人比賽、互聯(lián)網(wǎng)+比賽、機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽等。在2017年，結(jié)合企業(yè)的具體需求，帶領(lǐng)機械工程專業(yè)機械15級和16級的6名學(xué)生實現(xiàn)了基于Unity的虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)。

基于Unity的虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)的目標是將真實數(shù)控車床與虛擬仿真技術(shù)相融合，將虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)發(fā)布于網(wǎng)頁端，使學(xué)生不受地理位置限制，可以隨時隨地進行數(shù)控機床的原理和操作的學(xué)習(xí)，開發(fā)該系統(tǒng)需要學(xué)生具備數(shù)控機床、機械裝備設(shè)計的傳統(tǒng)知識，還需要學(xué)生基于Unity的虛擬仿真開發(fā)、C#開發(fā)、js網(wǎng)頁開發(fā)等計算機相關(guān)知識。

通過基于Unity的虛擬數(shù)控機床仿真系統(tǒng)實踐，學(xué)生熟悉了和機械專業(yè)密切相關(guān)的計算機應(yīng)用系統(tǒng)從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、運行和測試的完整流程，并且還學(xué)習(xí)了基于Unity的虛擬仿真開發(fā)、C#開發(fā)、js網(wǎng)頁開發(fā)等計算機相關(guān)知識。從實踐過程來看，如果學(xué)生只具備傳統(tǒng)的機械工程領(lǐng)域知識或者計算機知識是無法勝任該項工作的，只有具備機械工程新工科知識的學(xué)生才能完成該項目工作。

參考文獻：

[1]吳愛華，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究，2017，（01）：1-9.

[2]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（03）：1-6.

[3]周崇松，等.新工科背景下《計算機在專業(yè)中的應(yīng)用》課程教學(xué)改革實踐[J].山東化工，2017，（16）：180+187.

[4]杜彥斌.“新工科”建設(shè)背景下機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018，（13）：38-40.