新工科背景下面向復(fù)雜工程問(wèn)題的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

劉肖燕， 左 鋒， 張 玨， 劉曉潔

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

0 引 言

以人工智能、智能制造、機(jī)器人等為代表的新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，新經(jīng)濟(jì)和新產(chǎn)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的需求，需要工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)符合型新工科人才［1-4］。這對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)，因此應(yīng)加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的步伐，在實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)方面融入新知識(shí)和新技術(shù)，使人才培養(yǎng)從知識(shí)傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)知識(shí)應(yīng)用、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以應(yīng)社會(huì)發(fā)展和技術(shù)變革對(duì)人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)［5-6］。為此，我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)以新工科和中國(guó)制造2025 為指導(dǎo)思想，面向新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的需求，從課程體系建設(shè)和人才培養(yǎng)模式兩個(gè)方面積極改革，以能夠解決復(fù)雜工程問(wèn)題為目標(biāo)，構(gòu)建面向新工科和中國(guó)制造2025 需求的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 原有教學(xué)體系存在的問(wèn)題

我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)原有課程教學(xué)體系完整，但是面對(duì)新的就業(yè)和人才培養(yǎng)需求，尚存在一些問(wèn)題。

（1）部分教學(xué)內(nèi)容陳舊與現(xiàn)實(shí)就業(yè)需求脫節(jié)。實(shí)踐類(lèi)課程除了可以驗(yàn)證理論知識(shí)外，還可以完成學(xué)生從學(xué)校到實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)的過(guò)渡，是鍛煉學(xué)生動(dòng)手和生產(chǎn)實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，但是原有實(shí)踐課程內(nèi)容陳舊，新一代人工智能技術(shù)的課程較少，不能滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的需求。

（2）課程內(nèi)容枯燥缺少應(yīng)用背景。案例教學(xué)也是以傳統(tǒng)案例為主，缺少與產(chǎn)業(yè)界的結(jié)合，學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中需要的知識(shí)與技術(shù)知之甚少，所學(xué)知識(shí)無(wú)法適應(yīng)企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求。

（3）缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新及自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。仍以老師講，學(xué)生聽(tīng)，聽(tīng)完做實(shí)驗(yàn)這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式為主，無(wú)法吸引學(xué)生，學(xué)生課堂缺少自主思考、自主發(fā)揮的空間。

2 實(shí)踐教學(xué)體系改革思路

實(shí)踐課程教學(xué)的目的是幫助學(xué)生建立本學(xué)科的知識(shí)體系，并將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際生活和工作中，單純靠教師上課講授很難達(dá)到理想效果，要想充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性，需要改進(jìn)原有教學(xué)體系［7］，我校近年來(lái)在完成教學(xué)計(jì)劃的同時(shí)，實(shí)施了多項(xiàng)改革方案，一方面建設(shè)了面向智能制造的實(shí)踐課程體系，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建和綜合實(shí)驗(yàn)案例開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方式，構(gòu)建了面向流程工業(yè)和離散制造兩種不同類(lèi)型生產(chǎn)方式的智能制造實(shí)踐教學(xué)體系。同時(shí)建立了校企協(xié)同育人的培養(yǎng)模式，加強(qiáng)與自動(dòng)化領(lǐng)域知名企業(yè)聯(lián)系［8-9］，建立全方位多層次的合作，制定校企協(xié)同育人方案，共同建設(shè)校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生校外實(shí)踐基地，培養(yǎng)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才?？朔酝鶎?shí)驗(yàn)體系缺乏層次性、體系性和工程背景的缺點(diǎn)，引進(jìn)和開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以學(xué)生為主體，學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)的在線(xiàn)資源，學(xué)生可以從實(shí)驗(yàn)中汲取知識(shí)，驗(yàn)證理論知識(shí)，構(gòu)建自身的學(xué)科知識(shí)體系［10］。我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)于2017 年順利通過(guò)全國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)認(rèn)證，2019 年成功入選國(guó)家級(jí)一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程改革實(shí)施方案

3.1 建設(shè)具有學(xué)科特色面向智能制造的實(shí)踐課程體系

由于流程工業(yè)［11］和離散制造［12］的生產(chǎn)過(guò)程有很大的不同，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的方式也不同，因此我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)分別針對(duì)兩種生產(chǎn)模式，建設(shè)面向智能制造的實(shí)踐課程體系，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和規(guī)劃選擇其中的一個(gè)實(shí)踐課題進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，通過(guò)提供不同方面的實(shí)踐能力訓(xùn)練，增強(qiáng)人才培養(yǎng)的多樣性。

（1）面向流程工業(yè)的智能制造實(shí)踐教學(xué)體系。結(jié)合我校紡織特色與學(xué)科技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以碳纖維原絲紡絲過(guò)程為背景，建設(shè)面向流程工業(yè)智能制造的教學(xué)平臺(tái)（見(jiàn)圖1），開(kāi)發(fā)虛實(shí)結(jié)合的智能制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，作為過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)習(xí)的實(shí)驗(yàn)課題。同時(shí)在理論課程自動(dòng)控制原理、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和過(guò)程控制系統(tǒng)等課程中結(jié)合講授智能制造案例內(nèi)容和開(kāi)設(shè)相關(guān)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

圖1 面向流程工業(yè)智能制造的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

以碳纖維原絲紡絲過(guò)程為背景，設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（見(jiàn)圖2）。建立工程和實(shí)驗(yàn)貫通、綜合實(shí)驗(yàn)和分散實(shí)驗(yàn)多層次貫通的、開(kāi)放性自動(dòng)化類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系：①?gòu)墓こ虘?yīng)用出發(fā)設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合的學(xué)科級(jí)綜合的演示性實(shí)驗(yàn)，從學(xué)科級(jí)綜合的實(shí)驗(yàn)中抽取并設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合的專(zhuān)業(yè)方向性綜合實(shí)驗(yàn)，從具有工程背景的專(zhuān)業(yè)方向性綜合實(shí)驗(yàn)中分化出專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)；②以虛實(shí)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)以上的多層次貫通的實(shí)驗(yàn)體系；③建設(shè)支持虛實(shí)結(jié)合多層次貫通實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息管理平臺(tái)，整合目前已有的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，形成開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)所需的軟硬件平臺(tái)。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)體系中還包括物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的應(yīng)用，方便師生進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖3）。

圖2 碳纖維原絲紡絲工段工藝流程仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 帶有物聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真平臺(tái)

（2）面向離散生產(chǎn)的智能制造實(shí)踐教學(xué)體系。智能制造技術(shù)在離散制造企業(yè)的應(yīng)用程度更高，目前已在汽車(chē)和電子行業(yè)得到較大規(guī)模的應(yīng)用［13-14］。搭建面向離散制造的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)智能制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，在運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人及控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)原理與實(shí)踐的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和可編程邏輯控制器技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐中使用，更重要的是作為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)習(xí)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)課題。通過(guò)這些實(shí)踐教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與工程實(shí)踐應(yīng)用能力。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有一套智能制造小型設(shè)備，這套設(shè)備由4 個(gè)模塊組成，分別是供料站、加料站、工業(yè)機(jī)器人裝配站和物流及倉(cāng)儲(chǔ)站，對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的基本流程進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖4）。該設(shè)備可以開(kāi)展智能制造自動(dòng)控制方面的實(shí)驗(yàn)，但系統(tǒng)的購(gòu)置費(fèi)用比較昂貴，占地面積也比較大，不能滿(mǎn)足自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)200 名學(xué)生的需求。為此，采用NX-MCD 軟件自主設(shè)計(jì)此設(shè)備對(duì)應(yīng)的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，在信息物理系統(tǒng)（CPS）框架下，采集真實(shí)設(shè)備整個(gè)生命周期中的各種信號(hào)數(shù)據(jù)，在數(shù)字世界中構(gòu)成真實(shí)物理系統(tǒng)的仿真體。通過(guò)對(duì)該仿真體的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控、預(yù)測(cè)與性能優(yōu)化。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以為每一位可登錄系統(tǒng)的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生設(shè)計(jì)的可編程邏輯控制器（PLC）程序通過(guò)通信接口直接與三維虛擬設(shè)備相連，為學(xué)生完成復(fù)雜工程項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)便利性：①程序設(shè)計(jì)過(guò)程中可全程實(shí)物（即制造平臺(tái)上的虛擬對(duì)象）調(diào)試；②PLC對(duì)虛擬設(shè)備的控制實(shí)現(xiàn)三維可視化，如不同批次產(chǎn)品的物料傳送、加工裝配、成品入庫(kù)等在虛擬仿真平臺(tái)上均可編程實(shí)現(xiàn)小批量多品種柔性生產(chǎn)，其生產(chǎn)過(guò)程在虛擬仿真平臺(tái)上直觀(guān)可視。

圖4 智能制造小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 建立校企協(xié)同育人的培養(yǎng)模式

針對(duì)以往課程體系中與自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)結(jié)合較少等問(wèn)題，逐步與自動(dòng)化和信息技術(shù)領(lǐng)域知名企業(yè)建立全方位多層次的合作，繼續(xù)鞏固校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室并建立一批新的學(xué)生校外實(shí)踐基地，培養(yǎng)實(shí)用創(chuàng)新人才。校企協(xié)同育人［15-16］將依托自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)、卓越班的企業(yè)實(shí)習(xí)課程以及部分畢業(yè)設(shè)計(jì)課題研究，全方位開(kāi)展與企業(yè)的合作。

（1）校企聯(lián)合開(kāi)設(shè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程。加強(qiáng)與自動(dòng)化行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)西門(mén)子公司的合作，充分發(fā)揮我校西門(mén)子先進(jìn)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的作用，利用實(shí)驗(yàn)室的軟硬件條件，邀請(qǐng)企業(yè)專(zhuān)家到學(xué)校的西門(mén)子實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)設(shè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程，學(xué)生在課程中不但學(xué)習(xí)Siemens NX、Solid Edge 3D 以及Teamcenter BOM Management 等軟件的基本操作，還可以建立虛擬的三維環(huán)境，模擬觀(guān)察者從不同的位置和角度看到工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)。在Tecnomatix軟件平臺(tái)上進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)邏輯的程序設(shè)計(jì)，控制仿真生產(chǎn)線(xiàn)里的各種元素。可以使用仿真PLC控制并調(diào)試仿真生產(chǎn)線(xiàn)，也可以通過(guò)應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制（OPC）協(xié)議由物理PLC 對(duì)仿真生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行控制。同時(shí)還可以讓學(xué)生進(jìn)行工藝流程路徑的規(guī)劃，協(xié)調(diào)物料流動(dòng)和信息流動(dòng)。通過(guò)仿真環(huán)境中的工作站點(diǎn)信息可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可為學(xué)生提供一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)一致的仿真案例。

（2）校企共同構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，與相關(guān)領(lǐng)域的知名企業(yè)建立實(shí)習(xí)基地，開(kāi)展自動(dòng)化卓越班的企業(yè)實(shí)習(xí)。將企業(yè)實(shí)訓(xùn)作為企業(yè)實(shí)習(xí)的重要內(nèi)容，企業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，并提供設(shè)備給學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作和編程，讓學(xué)生掌握設(shè)備的基本操作和基本編程方法。學(xué)校教師與企業(yè)專(zhuān)家研討，共同制定實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)，考核評(píng)價(jià)也在企業(yè)完成。

通過(guò)校企協(xié)同育人的方式提供了專(zhuān)業(yè)理論課上無(wú)法給予的實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的直觀(guān)認(rèn)知，也培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力、工程實(shí)踐能力。同時(shí)通過(guò)企業(yè)的安全與操作規(guī)范教育，提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)，大大增強(qiáng)了本專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)水平，以新工科和中國(guó)制造2025 為指導(dǎo)思想，為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)的人才。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求和社會(huì)對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人才的新需求，我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)建設(shè)突出人工智能新技術(shù)、新方法與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能的實(shí)踐課程內(nèi)容、利用科研的計(jì)算平臺(tái)開(kāi)展在線(xiàn)交互式的案例教學(xué)，開(kāi)設(shè)紡織服裝特色的人工智能綜合實(shí)驗(yàn)，豐富自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，打造以智能制造為主題的實(shí)踐教學(xué)體系，針對(duì)流程工業(yè)和離散制造兩種模式，開(kāi)發(fā)面向兩種不同生產(chǎn)方式的智能制造實(shí)踐教學(xué)體系。建立校企協(xié)同育人模式。加強(qiáng)與自動(dòng)化行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)聯(lián)系與合作，以培養(yǎng)適應(yīng)新一代信息技術(shù)發(fā)展和社會(huì)需求的人才。