新工科背景下“智能制造導(dǎo)論”課程建設(shè)研究與實(shí)踐

王國(guó)平,劉吉軒,程 爽,門 靜,閆菲菲

(1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程系,陜西 西安 710018) (2.機(jī)器人與智能制造陜西省高校工程研究中心,陜西 西安 710018)

我國(guó)新工科建設(shè)6年來,應(yīng)用型本科院校以“中國(guó)制造2025”為指引,以服務(wù)區(qū)域新經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)急需為中心,以培養(yǎng)交叉復(fù)合的應(yīng)用型工程科技創(chuàng)新人才[1]為根本任務(wù),在不斷改革創(chuàng)新中,有相當(dāng)數(shù)量的高等學(xué)校機(jī)械學(xué)科新建了智能制造專業(yè)或在專業(yè)內(nèi)增設(shè)智能制造方向,然而智能制造涵蓋了當(dāng)今世界最為前沿的系統(tǒng)知識(shí)體系,具有高度的交叉復(fù)合性,那么如何在教學(xué)實(shí)踐中比較直觀又不失深度和廣度地將智能制造知識(shí)體系全面展示給學(xué)生成為當(dāng)前必須要解決的問題。自2019年以來,上海交通大學(xué)出版社、機(jī)械工業(yè)出版社和高等教育出版社先后出版了4本《智能制造導(dǎo)論》[2-5]教材以供實(shí)踐。2021年7月,又由教育部高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)組織,在華中科技大學(xué)召開了“智能制造導(dǎo)論”課程建設(shè)研討會(huì),周濟(jì)、李培根、盧秉恒、李伯虎、柴天佑等院士及眾多國(guó)內(nèi)專家對(duì)課程的進(jìn)一步建設(shè)給出了指導(dǎo)意見。

到目前為止,鮮有公開發(fā)表的與應(yīng)用型本科“智能制造導(dǎo)論”課程建設(shè)有關(guān)的文獻(xiàn)。西安交通大學(xué)城市學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱“本校”)自2019年開設(shè)“智能制造導(dǎo)論”課程以來,已開設(shè)滿5個(gè)周期。在教學(xué)過程中,通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料和調(diào)研,先后對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了甄選,編制了教學(xué)大綱,并在教學(xué)方式方法、考核評(píng)價(jià)方式改革上進(jìn)行了實(shí)踐,獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

本文通過系統(tǒng)梳理“智能制造導(dǎo)論”課程(以下簡(jiǎn)稱“本課程”)的建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐,從建設(shè)理念、課程教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)內(nèi)容的甄選、教學(xué)模式的實(shí)施、考核評(píng)價(jià)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新等多個(gè)方面,建立較為完善且適用于應(yīng)用型本科的“智能制造導(dǎo)論”課程教學(xué)實(shí)施方案,可為其他院校智能制造方向教學(xué)提供借鑒,同時(shí)為推進(jìn)對(duì)新工科背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)提供案例。

1 課程建設(shè)的理念和思路

“智能制造導(dǎo)論”課程作為機(jī)械大類專業(yè)智能制造方向或智能制造工程專業(yè)系列課程教學(xué)的第一課,是智能制造高素質(zhì)人才培養(yǎng)和教育的導(dǎo)論課,其教學(xué)內(nèi)容必須符合“中國(guó)智造”的基本國(guó)情和新工科建設(shè)的理念,體現(xiàn)為誰培養(yǎng)人,培養(yǎng)什么樣的人;必須兼顧學(xué)科的廣度和深度,能夠?qū)χ悄苤圃爝@一高度交叉復(fù)合系統(tǒng)有關(guān)知識(shí)梳理出一個(gè)較為清晰的脈絡(luò);必須理論聯(lián)系實(shí)際,提升學(xué)習(xí)效果和促進(jìn)工程應(yīng)用,切實(shí)起到智能制造類課程知識(shí)學(xué)習(xí)和智能制造工程技術(shù)認(rèn)知的引領(lǐng)和導(dǎo)向作用。

因此,關(guān)于“智能制造導(dǎo)論”課程的建設(shè),首先要深入理解“中國(guó)制造2025”的總體部署和內(nèi)涵,充分調(diào)研新工科建設(shè)的最新進(jìn)展與理念,形成正確的課程建設(shè)指導(dǎo)思想。其次對(duì)智能制造系統(tǒng)知識(shí)要有較為全面、深刻的認(rèn)識(shí)和理解,對(duì)智能制造工程實(shí)際需求有比較清晰的把握,并對(duì)智能制造技術(shù)有一定的研究基礎(chǔ),以確定恰當(dāng)?shù)恼n程教學(xué)目標(biāo),甄選和梳理符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程教學(xué)內(nèi)容(包括理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容),以及課程教學(xué)大綱的制定。第三要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容,設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成效果的教學(xué)方法,課程教學(xué)效果的評(píng)價(jià)方式。最終通過在教學(xué)實(shí)踐中的檢驗(yàn)、總結(jié)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)符合時(shí)代特征的“智能制造導(dǎo)論”課程的良好建設(shè)。

2 課程教學(xué)目標(biāo)的確定

2.1 中國(guó)“智造”國(guó)情分析

當(dāng)前,我國(guó)還不是一個(gè)制造強(qiáng)國(guó),我國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng),存在突出的問題,面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

從產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看,我國(guó)智能制造發(fā)展的成就是顯著的,制造業(yè)水平緊緊跟隨德國(guó)和日本,處于第三方陣領(lǐng)頭羊,但同時(shí)也存在著明顯的問題和不足。一正一反形成課程思政的構(gòu)建點(diǎn)和課程內(nèi)容的落腳點(diǎn),正向堅(jiān)定信心,反向激發(fā)動(dòng)力,正向?yàn)檎n程內(nèi)容建設(shè)的主體,反向則為明晰主體后的導(dǎo)引。

從人才需求與現(xiàn)狀來看,我國(guó)智能制造人才供不應(yīng)求,尤其在質(zhì)量上,供給人才不能適應(yīng)行業(yè)或滿足企業(yè)的需求,關(guān)鍵原因在于智能制造人才在培養(yǎng)中和產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)接不足,這就決定了課程建設(shè)應(yīng)突出工程化和產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用型特征。

周濟(jì)院士曾指出,智能制造發(fā)展過程中,制造是主體、智能是主導(dǎo)、人是主宰,人是技術(shù)推進(jìn)的根本驅(qū)動(dòng)力。因此,對(duì)于應(yīng)用型本科而言,培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)掌握制造技術(shù),熟悉數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù),具備實(shí)戰(zhàn)能力,善于解決工程問題,這才是對(duì)智能制造人才素質(zhì)和專業(yè)能力的根本要求。

2.2 新工科建設(shè)最新理念內(nèi)涵分析

新工科理念與建設(shè)是“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略在高等工程人才培養(yǎng)方面的具體實(shí)施。當(dāng)前關(guān)于新工科的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在專業(yè)精神、工程思維能力、工程實(shí)踐能力及可持續(xù)發(fā)展能力四個(gè)方面。專業(yè)精神包含職業(yè)規(guī)范、家國(guó)情懷等,與“課程思政”相對(duì)應(yīng),因此課程需要“道”“業(yè)”一體;工程思維能力和工程實(shí)踐能力強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生要具有對(duì)系統(tǒng)工程整體的認(rèn)知與把握,且具有較強(qiáng)的解決復(fù)雜工程問題的能力和實(shí)踐動(dòng)手能力,決定了課程知識(shí)的復(fù)合性和突出應(yīng)用的特點(diǎn);可持續(xù)發(fā)展能力要求學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和終身學(xué)習(xí)能力,決定了課程教學(xué)的組織和實(shí)現(xiàn)形式。

由此可見,以中國(guó)“智造”國(guó)情和新工科理念為指引,從宏觀上可以為課程建設(shè)提供正確的導(dǎo)向,從微觀上則可指導(dǎo)課程目標(biāo)、課程內(nèi)容及課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)形式等的建設(shè)。

2.3 課程目標(biāo)的確定

基于上述分析,結(jié)合本校人才培養(yǎng)定位,確定了符合國(guó)家戰(zhàn)略、能夠服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、適應(yīng)工程實(shí)際要求、具有自我特色的“智能制造導(dǎo)論”課程教學(xué)目標(biāo),如圖1 所示。

圖1 課程目標(biāo)確定思路

思政目標(biāo):通過全面認(rèn)識(shí)我國(guó)智能制造發(fā)展取得的輝煌成就,以及在此過程中產(chǎn)生重大影響的重要人物事跡,將國(guó)家的強(qiáng)大和榮耀扎根學(xué)生意識(shí)深處,從為英雄點(diǎn)贊,到崇尚、模仿英雄種下一顆種子。同時(shí)客觀展現(xiàn)發(fā)展過程中存在的不足,激發(fā)學(xué)生思考、探索、追求的興趣,喚醒其內(nèi)在動(dòng)力,并了解基本的工程規(guī)范與制度,使之具備相關(guān)的職業(yè)素養(yǎng)。

知識(shí)目標(biāo):了解智能制造發(fā)展的歷程,國(guó)家智能制造的戰(zhàn)略布局、建設(shè)進(jìn)程及其重要意義,各領(lǐng)域涉及到的技術(shù)手段等。掌握智能制造定義、內(nèi)涵、體系架構(gòu);理解智能制造產(chǎn)品、系統(tǒng)、產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用模式和實(shí)現(xiàn)方式。

能力目標(biāo):根據(jù)課程性質(zhì)和特點(diǎn),通過智能制造系統(tǒng)總體架構(gòu)模式、方法等的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生工程系統(tǒng)思維能力和初步提出工程問題解決方案的能力;另外通過教學(xué)分組討論協(xié)作解決實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、文獻(xiàn)檢索、實(shí)踐動(dòng)手等基本能力。

3 課程教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)

3.1 課程思政內(nèi)容

課程思政內(nèi)容和目標(biāo)架構(gòu)如圖2所示。以改革開放40年,中國(guó)制造業(yè)、智能制造領(lǐng)域輝煌成就為思政內(nèi)容一,彰顯中國(guó)人民的強(qiáng)大能力,樹立學(xué)生的家國(guó)情懷。以輝煌成就背后辛勤付出的若干典型人物事跡為思政內(nèi)容二,促進(jìn)崇尚英雄意識(shí)和奉獻(xiàn)精神的形成。以國(guó)家智能制造有關(guān)法規(guī)、智能制造國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為思政內(nèi)容三,使學(xué)生懂得工程規(guī)范與行業(yè)法律法規(guī),提高其職業(yè)素養(yǎng)。

圖2 課程思政內(nèi)容和目標(biāo)架構(gòu)

3.2 理論教學(xué)內(nèi)容

智能制造是一個(gè)大概念,也是一個(gè)大系統(tǒng),是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)的深度融合,主要由三大功能系統(tǒng)(智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)及智能服務(wù))及兩大支撐平臺(tái)(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造云平臺(tái))集合而成。其發(fā)展過程主要經(jīng)歷了3個(gè)階段,即數(shù)字化制造階段、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造階段、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造階段。而我國(guó)智能制造發(fā)展起步較晚,根據(jù)“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略總體部署,應(yīng)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì),采取3個(gè)階段“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線,走出一條推進(jìn)智能制造的新路。

由此,“智能制造導(dǎo)論”課程理論教學(xué)內(nèi)容的總體框架如圖3所示。

圖3 課程理論教學(xué)內(nèi)容框架

3.3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐,也只有在實(shí)踐進(jìn)程中才能不斷深化認(rèn)識(shí)。智能制造高質(zhì)量人才的培養(yǎng)也必然要在實(shí)踐中錘煉成長(zhǎng)?！爸悄苤圃鞂?dǎo)論”課程實(shí)踐教學(xué)將依托本校建設(shè)的陜西省機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,從單個(gè)智能設(shè)備到智能制造單元,再到智能產(chǎn)線系統(tǒng),進(jìn)行由淺入深、由局部到整體、由個(gè)體到系統(tǒng)的虛實(shí)一體的認(rèn)知與示范教學(xué),加深學(xué)生對(duì)智能制造的理解與把握。智能制造實(shí)踐平臺(tái)體系如圖4所示。

圖4 虛實(shí)一體的智能制造實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)體系架構(gòu)

4 課程教學(xué)方式與方法的創(chuàng)新

為切實(shí)提升教育教學(xué)效果,課程圍繞教學(xué)內(nèi)容與思政內(nèi)容有機(jī)融合、教學(xué)過程學(xué)生主體與教師主導(dǎo)的關(guān)系、智能制造知識(shí)技術(shù)體系工程化與應(yīng)用化展示等三大問題,提出了4個(gè)解決措施,如圖5所示。首先,從教學(xué)內(nèi)容安排上進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)課程的模塊化分解,每個(gè)模塊有機(jī)包含思政模塊、理論技術(shù)與應(yīng)用模塊、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范模塊、實(shí)踐模塊。各模塊之間形成智能制造技術(shù)體系的有機(jī)整體,極大方便了教學(xué)。其次,從教學(xué)組織與實(shí)現(xiàn)形式上“解放”課堂,以翻轉(zhuǎn)、分組配合等形式促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,并培養(yǎng)學(xué)生能夠進(jìn)行組織表達(dá)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。以“雨課堂”進(jìn)行課前、課中、課后教學(xué)組織、管理與服務(wù),實(shí)施教師主導(dǎo)的智能化教學(xué)。第三,從教學(xué)方法及表現(xiàn)形式上突出教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化、工程化以及媒體形式的多樣化。開展以多種媒體支持的、基于各內(nèi)容模塊的、依托實(shí)踐平臺(tái)的項(xiàng)目式和案例式教學(xué)。第四,由于智能制造知識(shí)體系的交叉復(fù)合性,構(gòu)建了復(fù)合型教學(xué)課程組,從專業(yè)方向上涵蓋了機(jī)械自動(dòng)化及控制技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造4個(gè)方向的6位教師,且教師崗和實(shí)驗(yàn)崗教師相結(jié)合,有力地保障了課程教學(xué)的深度和廣度、知識(shí)的多元復(fù)合性和應(yīng)用性。

圖5 教學(xué)問題及解決措施

5 課程考核與評(píng)價(jià)方式的構(gòu)建

課程本著有效提升智能制造基本知識(shí)與技術(shù)體系教與學(xué)的效果,同時(shí)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成、工程系統(tǒng)思維的建立、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與組織表達(dá)能力的訓(xùn)練、職業(yè)規(guī)范意識(shí)的形成等,擬從課前準(zhǔn)備、課中教學(xué)、課后鞏固、課外實(shí)踐、課終考核、反饋評(píng)價(jià)等6個(gè)維度,構(gòu)建包含預(yù)習(xí)、出勤、課堂展示、課中表現(xiàn)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課后作業(yè)、課外實(shí)踐、課終考核、思政評(píng)價(jià)等9個(gè)方面成績(jī)的多維多元閉環(huán)過程考核與評(píng)價(jià)體系,如圖6所示。

圖6 課程過程化考核與評(píng)價(jià)體系架構(gòu)

6 課程實(shí)踐效果

6.1 教師教學(xué)及教研能力大幅提升

通過本課程的建設(shè)研究與實(shí)踐,課程教師教學(xué)水平和能力大幅提升,獲得校內(nèi)課堂創(chuàng)新教學(xué)大賽和在線教學(xué)比賽三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。教師的教研能力有明顯突破,5年來先后立項(xiàng)省級(jí)各類教研課題3項(xiàng),校級(jí)教改課題4項(xiàng),發(fā)表教學(xué)研究論文3篇,其中核心期刊論文2篇。教學(xué)改革以來,學(xué)生評(píng)教持續(xù)保持在92分以上,學(xué)生表現(xiàn)出較高的滿意度。

6.2 學(xué)生學(xué)習(xí)效果達(dá)成較好

在由本課程團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)學(xué)生參加的第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中,充分運(yùn)用工程系統(tǒng)思維和智能控制技術(shù),成功設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)器人、水下巡檢機(jī)器人,參賽作品設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、運(yùn)行及控制性能優(yōu)良,最終獲評(píng)省級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng),二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。指導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)并授權(quán)實(shí)用新型專利4項(xiàng)。另通過教學(xué)改革,極大提升了學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)興趣,考核成績(jī)保持在較高水平,中等及以上成績(jī)的學(xué)生平均占比61.31%,平均通過率96.79%。

6.3 輻射示范作用好

該課程實(shí)踐成果在“機(jī)電液傳動(dòng)與控制”和“流體傳動(dòng)與控制”2門課程中推廣,從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)全面進(jìn)行了優(yōu)化,其教學(xué)改革與實(shí)踐獲批1項(xiàng)省級(jí)“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題、1項(xiàng)校級(jí)教改項(xiàng)目和1項(xiàng)校級(jí)教材建設(shè)項(xiàng)目,并發(fā)表核心教改論文1篇。

7 結(jié)束語

本文通過深入分析中國(guó)“智造”的基本國(guó)情和新工科對(duì)課程教學(xué)與建設(shè)的內(nèi)涵需求,在5個(gè)教學(xué)周期實(shí)踐的基礎(chǔ)上,給出了“智能制造導(dǎo)論”課程完備的建設(shè)與實(shí)施方案,包括課程目標(biāo)的確定、課程內(nèi)容的甄選與課程模塊體系的設(shè)計(jì)、教學(xué)方法與實(shí)現(xiàn)形式的創(chuàng)新、考評(píng)體系的構(gòu)建以及課程組的建設(shè)情況等,凸顯了課程建設(shè)與實(shí)施的目標(biāo)導(dǎo)向性,教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的體系化思維、工程化思想與“課程思政”相融合的特性,教學(xué)實(shí)施與考評(píng)的全過程性。通過實(shí)踐檢驗(yàn),不論從學(xué)生學(xué)習(xí)效果的達(dá)成,教師教學(xué)水平與科研能力的提升,還是其輻射示范作用,都具有較為明顯的效果。該課程的實(shí)施方案可為國(guó)內(nèi)應(yīng)用型本科“智能制造導(dǎo)論”及其相關(guān)課程的建設(shè)提供案例參考。