工业4.0背景下应用型本科教育人才培养模式的探索

牛晓飞，张秀香，李 明，郝保明，刘 燕

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

工业4.0背景下应用型本科教育人才培养模式的探索

牛晓飞，张秀香，李 明，郝保明，刘 燕

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

工业4.0的智能制造对人才的需求相对以往有了较大的变化，除了具有必要的专业知识以外还要求人才具备网络技术及互联网思维、先进的管理方法与技术手段、系统集成能力等，其给应用型本科院校带来了机遇与挑战，这就要求这类院校在专业设置、教师团队、教学内容、学习方式等方面都要进行较大的变革.

工业4.0；智能制造；应用型本科；人才；培养模式

智能制造起源于人工智能的研究.所谓的智能是知识和智力的总称，智能以知识为基础，而智力是指获取知识和运用知识的能力.智能制造应当包括智能制造技术和智能制造系统，智能制造系统能够在实践中不断地完善知识库，具有自主学习功能，而且可以搜集与理解环境信息和自身工作的信息，从而进行分析判断以及规划自身行为能力.智能制造产生的背景主要由于现代工业发展的需求以及大势所需，传统的工业化发展模式是以能量转换工具为推动力的，在现代社会中这种发展模式已经没有竞争力.一方面表现为各行业均面临着市场、资源环境、成本的较大压力，主要表现在产品多样化、用户需求变化、市场多样化、利润空间减小、竞争白热化、环境压力加大、同行产能增加、原材料价格上涨等制造业压力上；另一方面表现在工业软件充斥着制造业、数据在制造业中的重要性、网络制造以及产品网络化等趋势[1].人才培养模式作为高等院校与社会经济的接入口，是增强高等教育社会服务功能的切入点.产业与专业虽然属于不同的研究领域，但应用型本科教育目标与社会经济的天然联系，使产业与专业群的关联性形成了一种“丝丝相扣”的逻辑关系，使应用型本科教育的专业链、人才链与产业进行对接和融合既存在理论支撑又有现实的需求，也为产业升级背景下应用型本科院校的人才培养模式改革拓展了视野，即根据产业链的特点构建新型专业人才培养模式[2].应用型本科院校的定义：是以应用型为办学定位而不以科研为定位的本科院校，范围是目前所有的本科第二批次和第三批次录取的院校.提出应用型本科的概念对于推进我国高等教育的大众化进程，对于满足我国社会经济的发展目标，以及对高层次应用型人才需要都将起到积极的作用[3].

图1 工业3.0与工业4.0的区别

1 工业4.0的智能制造观

工业4.0的智能制造观的概念来源于在德国的科学-产业经济研究联盟，该组织于2011年1月提出《德国2020高技术战略》，并重点推出11个“未来项目”；2012年4月德国的德国国家科学与工程院和科学-产业经济研究联盟一起制定了“工业4.0发展战略”，对11个“未来项目”进一步缩减为10个项目共投资84亿欧元，从而导致“工业4.0”这一名词初次出现；2014年4月“工业4.0”发布战略规划；由BITKOM、ZVEI、VDMA共同组成秘书处，搭建平台[4].之所以定义为“4.0”，主要是区别于前三次工业革命，学界以每一次工业革命的核心技术进步作为标准，以蒸汽机技术为主导的工业革命成为工业1.0，以电气技术为主导的工业革命成为工业2.0，以电子信息技术为主导的工业革命成为工业3.0，而工业4.0，则是以智能制造为主导技术的第四次工业革命的简称.“工业3.0”与“工业4.0”区别如图1所示，从图中可以看出工业4.0相对于3.0的区别主要体现在：信息化、智能化、定制化.工业4.0时代企业要转型升级，改变思维.

美国和德国都是工业强国，在先进制造等方面体现出了绝对优势.在新的工业时代，美国政策导向是制造业回归，而德国则推出“工业4.0”发展战略，很显然两个国家都将在制造业上加大投入、下大力气以期获得制造业新一轮变革的主导权.目前，我国正处在由制造大国向制造强国转型的关键阶段，这种转型是我国工业化内在逻辑的演绎，也是对席卷全球的工业浪潮的主动响应.为了能在新的制造业发展形势下占据战略制高点，我国也适时的发布了“中国制造2025”，该计划主要围绕着智能制造制定方针政策，这也被成为中国版的工业4.0[5].

2 智能制造对高技能人才的需求

要赶上工业4.0时代，我国首先需要加强的是教育培养适应工业4.0的高技能人才，目前契合该目标的应该是应用型本科院校，在推进工业4.0的进程中，众多传统行业分界线将被打破，产业链被重新构建进而改变制造业领域人员的要求，对高技能人才的需求将会增强，而对于重复性劳动或低水平的人员将用机器人替代[6].以宿州学院机械设计与制造专业为例，对于机械制造业者来说，具备传统机械制造的专业知识是工业4.0时代的基础，另外还需要具备以下各种知识和能力：（一）互联网思维和网络知识技术，所谓互联网思维和网络知识技术主要指机械制造行业从业人员要熟悉互联网、工业总线、物联网等多层次与类型的网络，另外要具备先进的互联网思维，有能力主动的将最新的网络技术使用在制造环节上；（二）具有先进的技术手段和管理方法，企业中的技术、管理人员要都懂管理；另外，横向集成要广泛的应用在企业之间，要把ERP、大数据库等处理手段和信息管理用在提高企业管理水平的活动中；（三）系统的集成能力，工业4.0生产活动中的物料、设备、人员等信息通过互联构成复杂的耦合系统.各种要素处于制造系统中，彼此需要有机的集成，这样才能使系统发挥到最大的效能.通过以上分析可以看出目前应用型本科院校面临的机遇和挑战都很大，需要我们尽快的行动起来.

3 “工业4.0”时代应用型本科院校的教学变革

3.1 专业设置的变革

目前国内应用型本科院校与工业相关的专业有电子信息工程、物联网、自动化、机械设计制造及其自动化等专业，还没有与“工业4.0”直接形成对接的专业，工信部关于开展2015年智能制造试点示范专项行动的通知已经明确支持高校开展智能制造学科体系和人才培养体系的建设，进一步建立人才与知识的共享平台[7].而且大力支持各级院校通过在企业内开展实训、结合实际与企业联合编写教材等方式，从而达到培养具有实际操作能力、满足智能制造需求的人才.从需求出发，在经济发达地区和工业重镇所在区域的各级院校，已开展与智能制造相关企业的人才需求进行对接，与智能制造相关的专业布点和专业建设已启动.通过对现有机械制造类课程体系及培养计划的分析，我们发现其可以分为以下四个板块.分别是：机械制造类课程、制造自动化类课程、先进制造技术类课程、管理及信息化类课程和特殊行业制造类课程.机械制造类包括制造装备设计、机械制造基础、材料加工等课程，几乎所有院校都会开设；制造自动化类有数控技术、自动化制造系统、计算机辅助制造或数控编程和自动化控制等代表性课程；先进制造技术类有先进制造技术、激光加工概论、精密与特种加工等课程；管理及信息化类的代表性课程包括制造自动化与信息化、系统生产计划与控制和制造过程信息管理系统等课程.特殊行业制造类课程包括有现代汽车制造、柔性电子制造技术基础等课程.通过对比工业4.0的人才需求我们可以发现存在着以下几个问题:首先大家都缺少网络技术相关课程，尽管部分学校在课程中有所提及，但是网络技术作为智能制造的神经中枢，对其重视不够；其次各个学校对开设管理方法与技术手段相关专业都缺少重视，部分院校即使开设了相关专业，但普遍存在着课程前后承接不当，主干课程课时不足等问题；最后各个学校都存在片面强调单体的技术，对系统的集成方面训练不足.为顺应发展需求我们认为应用型本科院校目前应该尽快打开专业之间壁垒，设置“智能制造”等新专业以适应专业设置的变革.

3.2 课程体系与教学内容的变革

工业化、信息化高度融合的“工业4.0”要求各工科专业更新课程体系与教学内容.除了传统的专业知识外，课程体系与教学内容中还需要融入智能化、信息化、物联网、虚拟现实等知识，及时吸收最新的智能制造与“互联网+”等知识.根据智慧工厂与智能生产的要求，调整课程体系及教学内容，以适应智能制造的需求.我们以“工业4.0”代表性专业工业机器人为例介绍课程体系与教学内容如何变革.如图2所示工业机器人专业人才培养流程图，从图中我们可以看到首先我们要根据岗位要求制定培养计划，然后学生从入学到就业一共经历机器人认知、机器人创新培养、工业机器人专业技术应用和创业管理课程4个阶段，最后实现学生高质量的就业[8].

图2 工业机器人专业人才培养流程图

由于刚入校的学生缺乏相关的专业知识，对机器人的认知只能是感性的，我们要合理的建设平台，使学生对机器人进行结构设计、传感器应用、智能编程应用、任务挑战等产生兴趣，从而进一步激发学生的求知兴趣为下阶段的专业基础课学习打下牢固基础.这个阶段的主要任务就是夯实专业基础建设.创新培养阶段要使学生具有自主零件加工、自主图纸绘制、自主系统设计、自主电气集成和自主成品产出的能力.第三、第四阶段则是进一步对学生的专业能力进行培养与拔高.

3.3 教学过程与教学方式的变化

首先教学资源的开发非常迫切，在“工业4.0”时代，工业设计的任务将越来越复杂，为了完成设计目标，就需要多学科交叉的知识与技能，这些要求，会推动教学资源的开发.其次学术队伍的建设与教学方式也需要变革，需要多学科背景的教师团队，要求其熟练掌握计算机与信息化知识，才能紧密合作开展跨学科的学术研究.教学方式将逐渐转变为师生互动的探讨模式，以往单纯的教师讲学生听的模式将会消亡.最后还需要建设一批“智能工厂或数字化车间”的实验和实训场所；需要出现一批能承担相关实习任务的高水平企业（基地）.基地建设要把握住以下关键点：一、信息的物理融合，通过智能设备实时的对数据进行采集和故障开展诊断，实现对制造流程实时的调整；二、信息互联，PLC控制装置可通过接口与程序和其他参与者进行通信互联；三、生产中的新配置，由纵向数据流以及运行时间实现配置最大化.四、云端工程，过程数据由云端平台负责收集并存储；五、智能工作站，根据操作员喜好进行调整和个性化指导；六、交互式通信平台，用软件收集、过滤并可视化预测数据，以便指出可能的改进和问题.实时发生，减少停机时间，增加生产效率.

3.4 学习方式的变化

通过以上分析可知“工业4.0”实际上将实现订制化培养模式，学生的学习也会有本质的变化.在慕课与互联网高度发达以后，学生完全可以根据自己的需求来订制需要学习模块和课程，进而将成为学习的主体.教师答疑解惑，因材施教，有针对性地解答学生提出的疑问.学生主要的学习方式将是探究性学习和自主性学习，在一项项实验与实践性的专业设计的模块中，通过专业协作、团队合作等各种方式，以达到学习多个学科的复合知识.

4 结束语

“中国制造2025”是否能顺利实现其中最重要的因素是能否培养出契合智能制造需求的人才.现阶段因为课程体系和专业设置从计划到实现还要一个过程，本文力图从“工业4.0”的内涵出发，概括智能制造时代的人员需求，有针对性地列出应用型本科院校适应智能制造的教学变革方式.目前，应用型本科院校应该在教师、管理和学生等许多方面着手，制定出与社会、产业相接轨的学习模式，达到提高毕业生的适应能力的目的，尽快减小学生能力与岗位实际需求的差距.

〔1〕钮黔.从中国制造到中国智造:十大转型之路[J].中国机电工业,2016(3).

〔2〕吴松,夏建国.应用型本科人才培养目标下课程体系构建研究综述[J].当代职业教育,2016(8).

〔3〕沈烈初.关于“中国制造 2025”与“德国工业 4.0”的思考[J].表面工程与再制造,2015(4).

〔4〕方晓霞,杨丹辉,李晓华.日本应对工业 4.0:竞争优势重构与产业政策的角色[J].经济管理,2015(11).

〔5〕陆文佳.工业4.0时代智能制造新模式的思考与探索[J].企业科技与发展,2016(7).

〔6〕刘星星.智能制造:内涵、国外做法及启示[J].河南工业大学学报(社会科学版),2016(02):52-56.

〔7〕伏琳.智能制造新模式下“中国制造”面临的机遇和挑战[J].机床与液压,2016(09):161-164+89.

〔8〕王友发.面向智能制造的多机器人系统任务分配研究[D].南京大学,2016.

G642

A

1673-260X（2017）09-0132-03

2017-05-24

安徽省教育厅质量工程项目（2016sjjd074，2015sjjd025）；宿州学院卓越人才教育培养计划（szxy2016zyjh01）；宿州学院煤矿机械与电子工程研究中心开放课题（2014YKF16）