數(shù)控應(yīng)用新工程師培養(yǎng)的思考

朱弘峰， 崔 立

（上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部數(shù)字化制造工程中心，上海 201209）

0 引 言

隨著教育部《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》［1］正式出臺和“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”［2］的發(fā)布和實(shí)施，人社部《職業(yè)技能提升行動方案（2019—2021年）》［3］及工業(yè)4.0概念、中國機(jī)械工程技術(shù)路線戰(zhàn)略［4］的提出，要求數(shù)控教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)方法和技術(shù)平臺必須更先進(jìn)、更完備，以保證學(xué)生所學(xué)知識和技能具有實(shí)用性、先進(jìn)性和時代適應(yīng)性。

所謂工業(yè)4.0是德國在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革下針對制造業(yè)發(fā)展提出的一個新的戰(zhàn)略舉措。其核心特征是互聯(lián)。所謂互聯(lián)是指產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的管理數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行過程數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等全方位的實(shí)時數(shù)據(jù)互聯(lián)。可以響應(yīng)全球范圍內(nèi)的個性化訂單，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接單、全球調(diào)度、就近生產(chǎn)、迅速交貨的新型產(chǎn)銷模式。關(guān)鍵就是全面數(shù)字化。

生產(chǎn)制造數(shù)字化技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、機(jī)器人、數(shù)字孿生、切削過程實(shí)時分析、機(jī)床狀態(tài)管理6方面技術(shù)。其中，數(shù)控數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)了零件制造并行工程模式，即零件從設(shè)計到生產(chǎn)的虛擬準(zhǔn)備和設(shè)備虛擬調(diào)試分頭進(jìn)行，齊頭并進(jìn)的工程模式。由于沒有地域和流程順序的限制，可能帶來新型全球工廠模式。其他技術(shù)也都具有革命性進(jìn)步，如機(jī)器人執(zhí)行數(shù)控加工程序、實(shí)時切削過程優(yōu)化、遠(yuǎn)程診斷、云數(shù)控等?？梢?，智能精密制造，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用是關(guān)鍵，同時也具有不可限量的發(fā)展空間。

教育部、人力資源社會保障部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》指出，高檔數(shù)控應(yīng)用相關(guān)人才缺口在四百萬以上。對于這方面的人才，除了必須掌握新知識、新技能之外，還須熟悉行業(yè)概況，了解自身基本能力和職業(yè)勝任方向，具備以自身基本能力構(gòu)建專業(yè)能力的能力，以適應(yīng)快速變革的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。因此必須改變傳統(tǒng)數(shù)控應(yīng)用課程的培養(yǎng)模式，重新分析職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程教育認(rèn)證的達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)應(yīng)用前景好的實(shí)際工程、創(chuàng)新性好、能力構(gòu)建性強(qiáng)的培養(yǎng)情境和考核方式。這也是工程教育認(rèn)證的新內(nèi)容。

1 行業(yè)技術(shù)發(fā)展動向

1.1 數(shù)字孿生（虛擬）技術(shù)

目前行業(yè)技術(shù)的發(fā)展主要是數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并且隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷深入，人工智能開始接管原來由人控制的生產(chǎn)進(jìn)程，它們按照人的預(yù)設(shè)推進(jìn)整個生產(chǎn)工程的狀態(tài)事件過程遷移。預(yù)設(shè)的依據(jù)是虛擬仿真。這要求數(shù)字環(huán)境下的虛擬過程和物理環(huán)境下的實(shí)際生產(chǎn)過程一致融合。數(shù)字孿生技術(shù)（即虛擬加工和虛擬調(diào)試）正在逐漸實(shí)現(xiàn)這樣的融合。同時，它所帶來的并行工程模式終將取代以項(xiàng)目推進(jìn)的串行工程模式。這就是一種對整個生產(chǎn)力和效率的優(yōu)化升級。重點(diǎn)就是虛擬仿真必須如實(shí)表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)。就是要將生產(chǎn)中所有的過程和對象全部如實(shí)地數(shù)字化［5］。

1.2 （實(shí)體）設(shè)備技術(shù)

中國機(jī)械工程學(xué)會在《設(shè)備管理與維修路線圖》一書中明確指出設(shè)備管理、監(jiān)測檢驗(yàn)、故障診斷、設(shè)備潤滑、維護(hù)修理、更新改造，這6項(xiàng)制約我國智能精密制造發(fā)展并且必須實(shí)現(xiàn)突破的數(shù)字化集成技術(shù)的發(fā)展路線。同時還按時間序列提出不同時間節(jié)點(diǎn)的發(fā)展重點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展路徑、實(shí)現(xiàn)時間等要素，提出了技術(shù)創(chuàng)新過程的不同階段和任務(wù)目標(biāo)［6］。目前，設(shè)備使用與維修已有走向市場化、社會化、專業(yè)化、綠色化的發(fā)展趨向。若以上6項(xiàng)技術(shù)能夠數(shù)字化融通，設(shè)備乃至其功能模塊作為共享生產(chǎn)資料，可能面向社會不同的生產(chǎn)需求靈活組合，循環(huán)利用。生產(chǎn)企業(yè)將大幅減負(fù)，他們不需要再保有設(shè)備，也不需要擁有設(shè)備裝調(diào)維修的技術(shù)實(shí)力，設(shè)備的應(yīng)用咨詢、租賃、維保、回收、翻新重組、技術(shù)培訓(xùn)等業(yè)務(wù)全部交給專業(yè)的協(xié)同服務(wù)企業(yè)。當(dāng)產(chǎn)品生命周期終結(jié)，由于設(shè)備可以在社會范圍重組再利用，企業(yè)協(xié)同聯(lián)盟不會再面臨重大設(shè)備成本損失。這就是數(shù)字化融通應(yīng)用將要帶來的一部分社會效益。隨著人工智能等級的不斷升高，中國智造的未來還會帶來更多超越想象的發(fā)展。

1.3 人才培養(yǎng)的新任務(wù)

目前，機(jī)械行業(yè)職業(yè)能力評價考試站的首要任務(wù)就是緊密結(jié)合行業(yè)技術(shù)發(fā)展的最新動向，在人社部已有的相關(guān)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)方法的基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)，謀求新的發(fā)展。努力培養(yǎng)懂設(shè)備，懂管理，懂經(jīng)濟(jì)社會，具有優(yōu)良綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)的新型技術(shù)人才或管理人才［6-7］。

2 數(shù)控數(shù)字化技術(shù)培訓(xùn)

2.1 具體內(nèi)容

(1)零件設(shè)計數(shù)字化。包括零件CAD、CAM設(shè)計；零件的物理性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能等數(shù)字化建模仿真；零件生產(chǎn)工藝全數(shù)字化管理。

(2)生產(chǎn)調(diào)試數(shù)字化。包括生產(chǎn)過程和環(huán)節(jié)數(shù)字化抽象、虛擬調(diào)試、生產(chǎn)計劃準(zhǔn)備和優(yōu)化、方案瑕疵和設(shè)計錯誤的更正等。

(3)生產(chǎn)過程數(shù)字化。包括設(shè)備運(yùn)行過程和狀態(tài)數(shù)據(jù)跨系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控，生產(chǎn)過程全透明化運(yùn)營等。

2.2 實(shí)踐環(huán)節(jié)

包括數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、機(jī)床DCS監(jiān)控、機(jī)器人數(shù)控化應(yīng)用、虛擬加工、虛擬調(diào)試、切削過程實(shí)時分析、機(jī)床狀態(tài)管理等。對于工程教育本科，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐仍是教學(xué)重點(diǎn)和根本。

2.3 培訓(xùn)過程及存在的問題

培訓(xùn)過程中存在的問題已經(jīng)在工程教育認(rèn)證過程中顯現(xiàn)出來。工程教育認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)，可看成從畢業(yè)要求設(shè)定到達(dá)成的過程質(zhì)量監(jiān)控［8］。畢業(yè)要求矩陣實(shí)際反映培養(yǎng)計劃指導(dǎo)構(gòu)建的職業(yè)能力空間，它由許多基本能力（可以看成能力的基向量）構(gòu)成，是高維空間。人們的思維空間也可以是高維的。但生活的現(xiàn)實(shí)空間是三維的。施教過程實(shí)際就是教師將高維能力空間的教學(xué)對象投影到三維現(xiàn)實(shí)空間中，以相對低維的實(shí)體或信息形式呈現(xiàn)給學(xué)生。學(xué)習(xí)過程就是學(xué)生根據(jù)教學(xué)對象的低維呈現(xiàn)，結(jié)合自己已有的能力重構(gòu)高維意識模型的過程，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識過程的第一次飛躍。應(yīng)用或考核過程就是學(xué)生根據(jù)自己能力再次將高維意識模型呈現(xiàn)到三維空間的過程，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識過程的第二次飛躍。不同的老師和學(xué)生，他們的能力空間都是不同的。造成不同人對相同事物認(rèn)識的差異，反復(fù)訓(xùn)練后形成個性化習(xí)慣?？茖W(xué)的訓(xùn)練產(chǎn)生正確的習(xí)慣，訓(xùn)練不當(dāng)后患無窮。因此工科教學(xué)必須持續(xù)改進(jìn)，目的就在于用實(shí)踐引導(dǎo)不同學(xué)生產(chǎn)生正確的認(rèn)識，然后理實(shí)結(jié)合，深化認(rèn)識，構(gòu)建能力。這是德國應(yīng)用科技大學(xué)（Fachhochschule，F(xiàn)H）模式的經(jīng)典教法。傳統(tǒng)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)只有一個，目的是為了理實(shí)對照，但沒有反復(fù)認(rèn)識，增強(qiáng)和發(fā)揮學(xué)生自身基本能力的螺旋上升過程。傳統(tǒng)考試也只檢查認(rèn)識對象在考試空間內(nèi)的統(tǒng)一投射，對卷面反映與教學(xué)對象的一致程度進(jìn)行比較，評分，卻從不評價學(xué)生的能力構(gòu)建。總之，從培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定到施教到考試到達(dá)成評估，四點(diǎn)不在同一個模型上，這就是傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的最大問題和持續(xù)改革要點(diǎn)所在。

2.4 教學(xué)改革相關(guān)思考

2.4.1 教學(xué)改革的重點(diǎn)

工程和技術(shù)是整體和局部的概念。技術(shù)構(gòu)建了工程，能力構(gòu)建了技術(shù)。嘗試分析工程中所用到的基本能力發(fā)現(xiàn)：工程問題大多數(shù)是技術(shù)問題；技術(shù)問題最科學(xué)的解決方法是矛盾隔離法［9］；不同的人對相同的技術(shù)矛盾有不同的看法，因此他們會采用不同的手段逐步解決問題。又因?yàn)?，人的手段是由若干基本能力?gòu)建出來的。所以工程問題解決路徑的選擇就是人的能力構(gòu)建，也是能力構(gòu)建達(dá)成考核的依據(jù)。追溯能力構(gòu)建的考核能解決教、考不統(tǒng)一的問題。當(dāng)前工科教學(xué)改革的重點(diǎn)就是引導(dǎo)貼近技術(shù)問題解法組合的能力構(gòu)建創(chuàng)新。目前國內(nèi)已有一定經(jīng)驗(yàn)［10］。

2.4.2 教、考實(shí)施的主體

新工程師培訓(xùn)必須進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)科知識、基本工程知識、原廠技術(shù)等教學(xué)；展開技術(shù)矛盾分析、解決方案探索、考慮社會商業(yè)環(huán)境的工程系統(tǒng)構(gòu)思、實(shí)施運(yùn)維等能力培訓(xùn)。面對全國數(shù)百萬計的全日制本科學(xué)生和機(jī)械行業(yè)員工的新數(shù)控應(yīng)用職業(yè)能力培訓(xùn)及考評任務(wù)，目前唯有工科全日制本科才有能力、有條件、有體量承擔(dān)培訓(xùn)實(shí)施任務(wù)。也只有行業(yè)職業(yè)能力評價考試機(jī)構(gòu)才有資格聯(lián)合高校有計劃、有組織地實(shí)施系統(tǒng)化的職業(yè)能力認(rèn)證考試。高校和行業(yè)之間需要一個完善統(tǒng)一的考、教體系。

2.4.3 課程體系綱要

作為國際工程教育改革的最新成果，CDIO模式（即工程構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施、運(yùn)行conceive，design，implement，operation），可滿足巨大的培訓(xùn)體量和突破傳統(tǒng)項(xiàng)目模式的培訓(xùn)要求，是新工科課程體系設(shè)立的理想依據(jù)。工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求可同時作為本科辦學(xué)和行業(yè)職業(yè)能力評價考試的組織開展指導(dǎo)依據(jù)。實(shí)際上，CDIO的能力綱要和工程認(rèn)證的畢業(yè)要求幾乎是完全統(tǒng)一的，CDIO的能力綱要可以看成是對工程認(rèn)證畢業(yè)要求的展開解釋，即具體培訓(xùn)內(nèi)容的綱要。而工程認(rèn)證畢業(yè)要求則可以看成是學(xué)生學(xué)業(yè)考試綱要和學(xué)校辦學(xué)評估綱要。表1、2所示CDIO和工程認(rèn)證最核心部分的對照比較。表中的能力綱要和畢業(yè)要求指標(biāo)就是社會和企業(yè)對新工程人才的能力要求。

2.4.4 超越和突破

隨著機(jī)械行業(yè)全面數(shù)字化升級的推進(jìn)，數(shù)字孿生技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等新技術(shù)正在悄然突破以項(xiàng)目為單位的工程模式。注意到工程模式的突破源于解決方案組合方式的變革。數(shù)字化工程人才的培養(yǎng)也應(yīng)該抓住能力構(gòu)建方式的培訓(xùn)。只有緊扣行業(yè)技術(shù)應(yīng)用需求的變化，對基本能力的訓(xùn)練進(jìn)行優(yōu)化和增強(qiáng)，同時兼顧解決方案的整體構(gòu)建。教學(xué)方法才會取得超越和突破。

3 新工程師培養(yǎng)方案

3.1 能力構(gòu)建方案簡介

作為工程師的職業(yè)能力，工程能力包括技術(shù)能力和管理能力。職業(yè)能力的構(gòu)建是從基本能力開始的。為了適應(yīng)全面數(shù)字化快速變革，需要重新分析數(shù)字化機(jī)電工程師的基本能力及培養(yǎng)方式。

技術(shù)能力源自觀察能力、分析能力、學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。圖1所示是新工程師技能構(gòu)建方案。引入了既貼近技術(shù)問題本質(zhì)又易于數(shù)字化轉(zhuǎn)型觀察分析對象，使整個培訓(xùn)更適應(yīng)未來發(fā)展。此圖按輻射方向，可看成從各基本能力（培訓(xùn)方法）培養(yǎng)目標(biāo)的分支展開；按環(huán)形方向看，最內(nèi)兩圈是基本能力及相關(guān)拓展培訓(xùn)，最外兩圈分別是CDIO一級和二級能力綱要。能力培訓(xùn)方法和二級能力綱要可在一定范圍內(nèi)交叉對應(yīng)（即，可旋轉(zhuǎn)圓盤）。教學(xué)設(shè)計時，從基本能力（最內(nèi)圈的一個對象）開始，向外逐次選取一種培訓(xùn)方法，依次與相關(guān)一級能力范圍內(nèi)的二級能力目標(biāo)進(jìn)行排列組合，分析各種手段培訓(xùn)各項(xiàng)能力的教學(xué)意義和施教內(nèi)容，可梳理出完整的課程體系，并可因人而異選用不同能力構(gòu)建路徑，實(shí)現(xiàn)因材施教。因CDIO能力綱要和工程認(rèn)證畢業(yè)要求高度對應(yīng)，此方案亦適用于工程認(rèn)證培訓(xùn)。對于職業(yè)資格能力評價，培訓(xùn)過程也是一致的。

表1 CDIO能力綱要與工程認(rèn)證畢業(yè)要求對照案例（構(gòu)思與設(shè)計部分）

管理能力源于規(guī)劃、統(tǒng)整能力、決策能力、執(zhí)行能力、協(xié)調(diào)能力、溝通能力、培訓(xùn)能力、統(tǒng)馭能力等。對于管理方面基本能力的拓展培訓(xùn)已有大量行之有效的培訓(xùn)方法，同樣可按上述方法找到CDIO能力綱要中的對應(yīng)目標(biāo)。這里就不重述了。

3.2 具體培訓(xùn)方法設(shè)計簡述

機(jī)電工程師最關(guān)心的技術(shù)問題無非就是設(shè)計目標(biāo)、構(gòu)件結(jié)構(gòu)、動態(tài)穩(wěn)態(tài)性能、邏輯過程等。設(shè)計目標(biāo)來自需求分析，分析結(jié)果一般能解釋為技術(shù)矛盾。所謂技術(shù)矛盾是指技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在的相互制約，在提高技術(shù)系統(tǒng)的某一參數(shù)時，導(dǎo)致了另一個參數(shù)的惡化而產(chǎn)生的矛盾。增強(qiáng)有利性能，犧牲其他性能，即為工程解；消除矛盾，使兩方面都得到增益，為創(chuàng)造性發(fā)明解［9］。空間結(jié)構(gòu)分析解決零件形體構(gòu)造、傳動路線、裝配結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系，裝拆邏輯等問題。產(chǎn)品設(shè)計成果最終落實(shí)為結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)分析還可引申出裝配及加工工藝方法和操作技巧方面的技術(shù)要點(diǎn)。從實(shí)體結(jié)構(gòu)中體會各方面的技術(shù)關(guān)聯(lián)，可看透完整的產(chǎn)品設(shè)計脈絡(luò)。系統(tǒng)模型分析是用數(shù)學(xué)模型分析控制系統(tǒng)或運(yùn)動過程動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度的常用手段。其分析結(jié)果是產(chǎn)品性能或裝調(diào)效果評價的主要依據(jù)，也是技術(shù)矛盾工程解的量化體現(xiàn)。狀態(tài)事件分析是一種復(fù)雜邏輯控制系統(tǒng)建模方法［11］，現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有新的應(yīng)用，可準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的狀態(tài)、事件、狀態(tài)遷移條件和遷移過程之間的關(guān)系。特別適用于過程邏輯狀態(tài)分析和異常狀態(tài)分析［12-13］。

例如，在圖1中，轉(zhuǎn)動圓盤，將“技術(shù)矛盾分析”和“A1”（認(rèn)識和系統(tǒng)表述問題）兩項(xiàng)對應(yīng)起來，表示展開矛盾參數(shù)在技術(shù)系統(tǒng)調(diào)整過程中相互影響現(xiàn)象的觀察訓(xùn)練，然后系統(tǒng)性地描述出確切的技術(shù)矛盾本質(zhì)及其表現(xiàn)。此后再轉(zhuǎn)動圓盤，將“技術(shù)矛盾分析”與“A2”（建立模型）對應(yīng)，表示從TRIZ技術(shù)矛盾矩陣中找出對應(yīng)的矛盾關(guān)系，建立模型，然后可查表找到技術(shù)矛盾的解。適合這條路徑培養(yǎng)的學(xué)生可勝任技術(shù)系統(tǒng)調(diào)整和研發(fā)工作。又如，若將“狀態(tài)事件分析”與“A1”對應(yīng)，表示展開控制過程狀態(tài)隨著事件遷移轉(zhuǎn)變的觀察，然后準(zhǔn)確地描述狀態(tài)遷移的時機(jī)和條件。再將“狀態(tài)事件分析”與“A2”對應(yīng)，可建立狀態(tài)事件控制的邏輯模型……，此路徑培養(yǎng)離散自動控制及故障診斷維修能力。用同樣的方法，在各項(xiàng)一級綱要范圍內(nèi)交叉組織，列出所有可能展開的教學(xué)內(nèi)容。借助數(shù)字化工具展開排查、組合，教學(xué)與追溯，可以建立完善的數(shù)字化培訓(xùn)教學(xué)體系及學(xué)員成長基因檔案。這不僅可以解決考、教統(tǒng)一問題，而且還能改進(jìn)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，直接解決校企之間人才供求配對問題。

表2 CDIO能力綱要與工程認(rèn)證畢業(yè)要求對照案例（實(shí)施和運(yùn)行部分）

圖1 工程師能力培養(yǎng)構(gòu)建方案

為順應(yīng)實(shí)際應(yīng)用需求，培訓(xùn)方法設(shè)計的關(guān)鍵在于底層技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。新技術(shù)要具有較寬適應(yīng)性。例如，要研究狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題時，狀態(tài)事件分析只改變觀察對象，不改變觀察方法，仍適用。又如將上述科研投入教學(xué)，直接構(gòu)成全新實(shí)驗(yàn)課程，同樣適用［14-15］。

4 結(jié) 語

在全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型和快速變革的技術(shù)發(fā)展環(huán)境下，面對大量新型技術(shù)人才或管理人才的培養(yǎng)任務(wù)，當(dāng)前工科教學(xué)改革的重點(diǎn)就是引導(dǎo)最貼近技術(shù)問題解法組合的能力構(gòu)建創(chuàng)新。高校和行業(yè)之間需要一個完善統(tǒng)一的考、教體系。采用最先進(jìn)的基礎(chǔ)技術(shù)，展開能力構(gòu)建培訓(xùn)，完善教學(xué)體系，可同時滿足工程教育培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成和職業(yè)資格能力培訓(xùn)的要求?；A(chǔ)技術(shù)的研究、發(fā)展和教學(xué)應(yīng)用是關(guān)鍵。