新工科背景下面向复杂工程问题的自动化实验教学改革实践

刘肖燕， 左 锋， 张 珏， 刘晓洁

（东华大学信息科学与技术学院，上海201620）

0 引 言

以人工智能、智能制造、机器人等为代表的新兴产业蓬勃发展，新经济和新产业对人才培养提出了新的需求，需要工程实践能力强、创新能力强的高素质符合型新工科人才［1-4］。这对传统的自动化专业实验教学提出了挑战，因此应加快实验教学改革的步伐，在实验课程建设方面融入新知识和新技术，使人才培养从知识传授向能力培养转变，加强知识应用、工程实践和创新能力的培养，以应社会发展和技术变革对人才培养的挑战［5-6］。为此，我校自动化专业以新工科和中国制造2025 为指导思想，面向新一代信息技术产业对人才的需求，从课程体系建设和人才培养模式两个方面积极改革，以能够解决复杂工程问题为目标，构建面向新工科和中国制造2025 需求的自动化专业实验教学体系。

1 原有教学体系存在的问题

我校自动化专业原有课程教学体系完整，但是面对新的就业和人才培养需求，尚存在一些问题。

（1）部分教学内容陈旧与现实就业需求脱节。实践类课程除了可以验证理论知识外，还可以完成学生从学校到实际生产企业的过渡，是锻炼学生动手和生产实践能力的重要环节，但是原有实践课程内容陈旧，新一代人工智能技术的课程较少，不能满足当今社会对人才的需求。

（2）课程内容枯燥缺少应用背景。案例教学也是以传统案例为主，缺少与产业界的结合，学生对实际生产中需要的知识与技术知之甚少，所学知识无法适应企业的现实需求。

（3）缺乏对学生创新及自主学习能力的培养。仍以老师讲，学生听，听完做实验这种传统的教学模式为主，无法吸引学生，学生课堂缺少自主思考、自主发挥的空间。

2 实践教学体系改革思路

实践课程教学的目的是帮助学生建立本学科的知识体系，并将所学知识运用于实际生活和工作中，单纯靠教师上课讲授很难达到理想效果，要想充分调动学生学习的主观能动性，需要改进原有教学体系［7］，我校近年来在完成教学计划的同时，实施了多项改革方案，一方面建设了面向智能制造的实践课程体系，通过实践教学平台搭建和综合实验案例开发相结合的方式，构建了面向流程工业和离散制造两种不同类型生产方式的智能制造实践教学体系。同时建立了校企协同育人的培养模式，加强与自动化领域知名企业联系［8-9］，建立全方位多层次的合作，制定校企协同育人方案，共同建设校企联合实验室和学生校外实践基地，培养工程应用型创新人才。克服以往实验体系缺乏层次性、体系性和工程背景的缺点，引进和开发虚拟实验教学资源，以学生为主体，学生可以自主选择实验，运用虚拟实验的在线资源，学生可以从实验中汲取知识，验证理论知识，构建自身的学科知识体系［10］。我校自动化专业于2017 年顺利通过全国工程教育专业认证协会认证，2019 年成功入选国家级一流本科专业建设点。

3 实验教学课程改革实施方案

3.1 建设具有学科特色面向智能制造的实践课程体系

由于流程工业［11］和离散制造［12］的生产过程有很大的不同，自动化技术应用的方式也不同，因此我校自动化专业分别针对两种生产模式，建设面向智能制造的实践课程体系，学生可以根据自己的兴趣和规划选择其中的一个实践课题进行设计和开发，通过提供不同方面的实践能力训练，增强人才培养的多样性。

（1）面向流程工业的智能制造实践教学体系。结合我校纺织特色与学科技术优势，以碳纤维原丝纺丝过程为背景，建设面向流程工业智能制造的教学平台（见图1），开发虚实结合的智能制造实验教学案例，作为过程控制综合实验和自动化专业综合实习的实验课题。同时在理论课程自动控制原理、自动检测技术和过程控制系统等课程中结合讲授智能制造案例内容和开设相关的课内实验。

图1 面向流程工业智能制造的实验教学平台体系结构

以碳纤维原丝纺丝过程为背景，设计虚实结合的综合性实验教学模式（见图2）。建立工程和实验贯通、综合实验和分散实验多层次贯通的、开放性自动化类实验教学体系：①从工程应用出发设计虚实结合的学科级综合的演示性实验，从学科级综合的实验中抽取并设计虚实结合的专业方向性综合实验，从具有工程背景的专业方向性综合实验中分化出专业课课程设计实验以及课内实验；②以虚实结合的方式实现以上的多层次贯通的实验体系；③建设支持虚实结合多层次贯通实验教学的信息管理平台，整合目前已有的实验室智能管理系统，形成开放性实验所需的软硬件平台。虚实结合的实验体系中还包括物联网与无线传感技术的应用，方便师生进行远程访问和实验（见图3）。

图2 碳纤维原丝纺丝工段工艺流程仿真实验

图3 带有物联网的虚拟仿真平台

（2）面向离散生产的智能制造实践教学体系。智能制造技术在离散制造企业的应用程度更高，目前已在汽车和电子行业得到较大规模的应用［13-14］。搭建面向离散制造的实验教学平台，以此为基础开发智能制造实验教学案例，在运动控制、机器人及控制、工业网络原理与实践的课内实验和可编程逻辑控制器技术设计与实践中使用，更重要的是作为自动化专业综合实习的设计开发课题。通过这些实践教学案例，培养学生的自主学习能力与工程实践应用能力。

实验室现有一套智能制造小型设备，这套设备由4 个模块组成，分别是供料站、加料站、工业机器人装配站和物流及仓储站，对实际工业生产线的基本流程进行模拟（见图4）。该设备可以开展智能制造自动控制方面的实验，但系统的购置费用比较昂贵，占地面积也比较大，不能满足自动化专业200 名学生的需求。为此，采用NX-MCD 软件自主设计此设备对应的“数字孪生”系统，在信息物理系统（CPS）框架下，采集真实设备整个生命周期中的各种信号数据，在数字世界中构成真实物理系统的仿真体。通过对该仿真体的感知，实现对系统的监控、预测与性能优化。数字孪生系统可以为每一位可登录系统的学生提供实验条件，学生设计的可编程逻辑控制器（PLC）程序通过通信接口直接与三维虚拟设备相连，为学生完成复杂工程项目的软件设计带来便利性：①程序设计过程中可全程实物（即制造平台上的虚拟对象）调试；②PLC对虚拟设备的控制实现三维可视化，如不同批次产品的物料传送、加工装配、成品入库等在虚拟仿真平台上均可编程实现小批量多品种柔性生产，其生产过程在虚拟仿真平台上直观可视。

图4 智能制造小型实验平台

3.2 建立校企协同育人的培养模式

针对以往课程体系中与自动化产业结合较少等问题，逐步与自动化和信息技术领域知名企业建立全方位多层次的合作，继续巩固校企联合实验室并建立一批新的学生校外实践基地，培养实用创新人才。校企协同育人［15-16］将依托自动化专业的生产实习、卓越班的企业实习课程以及部分毕业设计课题研究，全方位开展与企业的合作。

（1）校企联合开设生产实习课程。加强与自动化行业领先企业西门子公司的合作，充分发挥我校西门子先进自动化实验室的作用，利用实验室的软硬件条件，邀请企业专家到学校的西门子实验室中开设生产实习课程，学生在课程中不但学习Siemens NX、Solid Edge 3D 以及Teamcenter BOM Management 等软件的基本操作，还可以建立虚拟的三维环境，模拟观察者从不同的位置和角度看到工业生产线系统。在Tecnomatix软件平台上进行生产线逻辑的程序设计，控制仿真生产线里的各种元素。可以使用仿真PLC控制并调试仿真生产线，也可以通过应用程序和现场过程控制（OPC）协议由物理PLC 对仿真生产线进行控制。同时还可以让学生进行工艺流程路径的规划，协调物料流动和信息流动。通过仿真环境中的工作站点信息可视化和虚拟现实技术，可为学生提供一个与实际生产线一致的仿真案例。

（2）校企共同构建评价体系。加强实习基地建设，与相关领域的知名企业建立实习基地，开展自动化卓越班的企业实习。将企业实训作为企业实习的重要内容，企业专业技术人员对学生进行培训和现场指导，并提供设备给学生进行实际操作和编程，让学生掌握设备的基本操作和基本编程方法。学校教师与企业专家研讨，共同制定实习指导书，考核评价也在企业完成。

通过校企协同育人的方式提供了专业理论课上无法给予的实际复杂工程问题的直观认知，也培养了学生应用知识解决实际问题的能力、工程实践能力。同时通过企业的安全与操作规范教育，提高了学生的工程素养，大大增强了本专业的实践教学水平，以新工科和中国制造2025 为指导思想，为国家培养高素质的人才。

4 结 语

根据新工科人才培养要求和社会对自动化专业人才的新需求，我校自动化专业建设突出人工智能新技术、新方法与数据驱动智能的实践课程内容、利用科研的计算平台开展在线交互式的案例教学，开设纺织服装特色的人工智能综合实验，丰富自动化专业的实践教学内容，打造以智能制造为主题的实践教学体系，针对流程工业和离散制造两种模式，开发面向两种不同生产方式的智能制造实践教学体系。建立校企协同育人模式。加强与自动化行业领先企业联系与合作，以培养适应新一代信息技术发展和社会需求的人才。