面向“中国制造2025”双能力融合的智能制造人才培养探索与实践

王保建， 段玉岗， 王永泉， 严如强， 陈雪峰

（西安交通大学机械基础国家级实验教学示范中心，西安710049）

0 引 言

当今世界正处在以科学技术深刻变革为特征，新技术、新业态、新模式不断涌现的新经济时代，随着德国“工业4.0”、美国“先进制造业国家战略计划”的相继提出，2015年5月19日国务院正式印发《中国制造2025》，紧接着又提出＂创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本＂的基本方针，其核心为智能制造人才培养，为中国制造业崛起与中华民族伟大复兴之梦培养具有未来复杂工程问题解决能力的工程专业人才成为重要目标，这对全国高等工程教育提出了新的挑战与任务，各高校机械类专业需要作出明确回答：如何响应国务院号召，服务国家智能制造人才培养迫切需求，为中国制造由大变强贡献力量［1-4］。

1 我国高等工程教育现存问题

我国高等工程教育素有重视学生技术性能力培养的传统，但在非技术性能力的培养上则明显不足，在“供给侧”已难以适应经济社会发展的新要求，典型如“中国制造2025”对兼具技术与非技术能力（简称双能力）的智能制造领域高素质人才需求迫切，而我国高等工程教育在双能力融合培养上存在如下3个显著的问题［5-6］：

（1）现有教学体系难以满足工程人才对双能力培养要求。目前高等工程教育对于“中国制造2025”所需工程人才应该具备什么样的能力缺少深刻的认识，培养目标仍侧重于专业知识、工具应用、工程实践等技术能力的培养［7］，而忽视了工程社会观念、团队合作、项目管理等非技术能力，更没有将两类能力有机融合，以解决“未来复杂工程问题”能力培养为主线的课程体系支撑，使得新型智能制造人才培养缺少基本载体。

（2）培养过程缺少双能力融合的教学平台与抓手。智能制造领域大数据、物联网、人工智能、5G、数字孪生等技术与传统制造模式的融合日益加深，而当前大多数高校仍普遍缺少体现智能制造特征、能有效支撑双能力融合培养的综合性、创新性实验／实践教学的平台，以及有效支撑双能力融合的具体培养模式，以知识讲授与课内基础性实验为主的传统教育模式，非常不利于双能力的融合培养［8］，使得新型智能制造人才培养缺少有效支撑。

（3）缺少面向双能力融合的培养质量评价体系与激励机制。目前培养质量评价指标注重考试成绩，缺少与双能力对应的多维观测标准，尤其对学生非技术能力培养效果体现不够；缺少对评价结果的合理分析，未形成有效的持续改进机制；缺少引导学生双能力培养的激励机制与政策，学生评奖、评优及保研标准等都侧重于考试成绩，未从根本上激发学生全面提升能力的积极性，使得新型智能制造人才培养缺少质量保障［9-10］。

因此如何培养面向“中国制造2025”双能力融合的新型工程人才，已成为高等工程教育面临的一项亟待解决的重大课题。

2 面向“中国制造2025”双能力融合智能制造人才培养探索与实践

为解决上述问题，机械工程学院从2011年起，聚焦双能力融合的新型工程人才培养，围绕能力培养目标及教学体系设计、智能制造教学平台构建、基于主动学习的教学模式改革、面向产出的多主体教学质量评价与激励机制建设等重点内容，全方位推进教学改革，其总体思路如图1所示。

图1 面向“中国制造2025”的人才培养思路

2.1 构建了双能力融合的教学体系

（1）完善了面向“中国制造2025”的双能力融合智能制造人才培养目标，细化与明确了工程组织、团队合作等非技术能力培养毕业要求，通过广泛的调研和深入的学习研究，理清了面向“中国制造2025”人才5方面能力标准［11-12］：①能综合运用数字化、自动化、智能化技术手段进行复杂产品开发和生产系统运作；②具备将技术性与非技术性因素协调考虑，以系统思维解决机械产品及生产系统中复杂工程问题的分析能力、实践能力和创新能力，以及工程项目的运作管理能力；③具有良好的团队精神和表达交流能力，具有国际视野和跨文化的交流、竞争与合作能力；④具备良好的道德品质和职业规范，具有现代工业社会的价值观念和强烈的社会责任感、职业责任感；⑤具备批判性思维、终身求知精神以及持续深造、提升的能力。

同时把以上5方面的能力标准细化了由36个指标项构成的毕业要求，强化工程组织与团队合作等非技术能力培养，构建了以课程、教学、评价为核心的OBE教学体系。

（2）构建了“设计——制造——控制——运维”智能制造全链条课程体系及综合实验／实践体系，强化学生系统思维等非技术能力培养。

智能制造是系统级工程，智能制造全链条课程体系通过实践教学把制造相关核心课程有机串联起来，以微型涡喷发动机核心零件（叶轮）为载体，对该零件在智能制造过程中所涉及的工艺规划——数控编程——加工状态监测——测量——车间管理等全流程进行实验教学，涉及课程有机械制图、机械设计基础、机械制造技术基础、数控技术、机械精度设计、机械工程测试技术、制造工艺规划与FMS等专业基础课及专业课，加深学生对智能制造整体认知和学习。

实践课程自大三年级上学期实施，时间周期为一学年，学生3～4人1组，以智能制造系统贯穿整个教学过程，具体分4个阶段进行：①对设计好的叶轮进行加工工艺规划实验，包括机床、刀具的选择，工艺步骤等，形成完整的加工工艺卡；②结合加工工艺卡，完成叶轮数控编程及加工，包括数控机床编程、操作，机械手自动上下料等程序设计；③对加工的叶轮进行几何量测量，选择包括三坐标测量仪，非接触测量仪器对叶轮尺寸公差和行为公差进行测量与评估；④综合分析影响加工精度的因素并提出改进措施。

指导教师由制造、数控及测量教师组成教学团队，课程采用探究式教学，分组引导学生应用机械制造技术基础、数控技术、机械精度设计等课程的原理和知识，采用现代设计方法和手段，进行复杂产品的加工及测量，激发学生的学习兴趣，培养学生独立思考、分析和解决问题的能力，引导学生通过自学和实践获得自己想学到的知识，培养其综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力，智能制造车间级规划和管理能力。

（3）增加《科技写作与表达》《工业社会学》《项目管理》《机械工程导论》等非技术能力培养课程；提高通识类课程比例，非技术能力课程比例提高到15%。

（4）增加双能力融合培养的《CDIO项目创新》《产品快速开发》《制造工艺规划与FMS》《模具设计与制造工艺》《CAD／CAE／CAM／NC综合实验》《机电一体化控制》《设备控制与故障诊断》7门综合实践课程，教学模式采用以学生自主实践为主教学模式，学生以团队形式完成一个产品的构思-设计-实施-运作全生命周期；同时开设《机械设计基础》《机械制造技术基础》《机械系统故障诊断》《机械工程测试技术》4门综合性课程设计，将学生动手能力、团队合作、项目管理、沟通交流、主动学习、工程创新等非技术能力融合在技术能力中进行培养［13-14］。

2.2 构建“智能制造”虚实融合教学平台

（1）集成数控机床、工业机器人、3D打印设备，以及大数据信息网络等智能制造核心技术，建成了双能力融合培养的虚拟实验与实体实验相结合的智能制造大数据教学平台（见图2）及对应的教学内容。系统基于网络云端开发，对实验中心的智能制造单元里的机床、机械手、AGV机器人等设备实时采集运行数据，实时监测加工单元状态及工艺数据，机内和机外摄像头实时监测加工过程，在校园网内都可以实时访问平台，支持多地协同教学及网络在线教学，极大提高智能制造教学内容。

图2 智能制造大数据实验教学平台

平台把智能制造总体分解为机械设计基础模块、机械加工工艺规程设计模块、数控加工中心模块、工业机器人模块、机械精度测量虚拟仿真模块、测试与诊断模块6大模块，可以涵盖机械学院12门专业核心课的教学。

同时构建了涵盖智能制造、装备、精度、控制、测试等多门专业核心课程能同时容纳500人在线学习的虚拟仿真实验教学平台（见图3），虚拟实验不消耗实际设备器材，不存在设备的损坏，学生可以重复进行实验，有效解决了目前智能制造实践教学设备台套数不足、实验耗材多的问题［15-16］，同时虚拟实验可以使学生对智能制造系统能有更加全面的认识。平台共建设虚拟仿真综合性实验教学项目23项，包括智能制造车间规划布局虚拟仿真实验、基于智能制造的工业机器人作业轨迹与过程仿真实验，复杂夹具虚拟装配实验、加工中心编程虚拟仿真实验、机械系统故障诊断虚拟仿真实验等教学模块。

图3 智能制造虚拟仿真教学平台

多门课程组合起来可以实现系统级智能制造虚拟仿真实验教学平台，平台通过虚拟仿真技术及数字孪生技术将实体教学与虚拟仿真教学相结合，综合了增减材先进加工技术、互联网＋、物联网、大数据、虚拟现实、云平台等技术，开发基于数字孪生技术的智能制造解决方案，平台基于网络建设，特别加强了教学过程人机交互，激发学生主动思考提高，形成了效果优良的创新型教学新形式。

（2）加大8门核心课综合性实验比例（占75%以上比例），探索了“自主设计-互动讨论-自主实验-总结改进”四环节培养模式，综合性实验均以团队（3～5名学生）完成，环节包括团队组建，确定组长，团队设计实验方案、方案答辩、进行实验（制作实物）、撰写实验报告及答辩等环节，在技术能力培养的同时实现了团队合作、项目管理等非技术能力培养［17］（见图4）。

图4 综合性实验四环节教学模式

（3）《机械设计基础》《工程制图》《装备与制造技术基础》《材料成型技术基础》《机械工程测试技术》等6门专业课程实施线上教学与线下讨论教学模式，培养自主学习能力。

（4）构建了VEX机器人社团、虚拟仪器设计俱乐部、方程式车队、机械创新设计俱乐部、数字化设计社团5类学科竞赛与创新实践科技社团，学生对社团自主管理及自主创新实践，在团队实践中进行双能力融合培养［18］。

2.3 构建评学与评教相结合的质量评价体系

（1）对学习过程中的多个环节、多个节点学习效果评价，建立了各类实践环节双能力融合的能力达成评价量规表，评价指标充分体现学生创新意识、组织能力、合作能力，以及交流表达等非技术能力产出，形成了基于OBE的能力达成评价体系。

（2）构建了学生评教与同课程教师、专家评教相结合的质量评价体系，学生基于学习效果评教，同课程教师与专家基于双能力产出教学过程组织评教；建立了“评价、反馈、改进”机制，评价数据用于教师及学院教学质量持续改进。

（3）90%专业核心课程通过团队课程设计、团队综合性实验等多环节支撑双能力融合培养，成绩构成中充分体现学生非技术能力占分比例。

（4）学院制定奖励性政策，对参加课程之外的学科和科技竞赛、社会实践及创新创业等活动的学生在奖学金、评优及保研中进行加分奖励。

图5 实验教学评价系统

3 人才培养成效

机械工程学院面向“中国制造2025”国家发展战略对双能力融合的新型高等工程人才培养需求，构建了相应的教学体系，建设了“智能制造”综合能力培养教学平台，探索了四环节实践模式与线上线下结合的授课模式，开发基于OBE的教学质量评价体系，建成理念先进、人才培养效果显著的智能制造领域人才培养基地，人才培养成效显著。

（1）建设成果广泛应用、受益面广。面向全校16个本科专业开设系列综合与创新性实验120项，年均受益超3 000人；《机械设计基础》MOOC课获评首批国家精品在线开放课程，注册选课人数突破9.5万人；《工程制图》《机械工程测试技术》等6门课程上线，总点击量超30万次；主编了《机械制造技术基础》《机械工程测试技术》《机械设计基础》《画法几何》《机械控制基础》《机械精度基础》等教材12本，共计发行190余万套（册）；2018年“工业机器人虚拟仿真”获批国家级虚拟仿真项目。

（2）毕业生质量不断提升。全球四大排名机构之一QS集团数据分析显示：本专业毕业生全球雇主声誉近年来“持续上升”，在MIT、密歇根及清华等5家高校中“涨幅最大”；2018年上海软科发布的机械学科排名，西安交通大学机械工程专业人才培养质量列国内第一；毕业生竞争力强，2015——2019届毕业生超过68%继续深造，25%就业于国内外具有影响力的骨干企业，其中12%供职于世界500强企业；专业于2017年11月第二次通过教育部工程教育专业认证协会组织的认证，认证组专家对办学理念及培养质量给予高度评价，获6年有效期。

（3）在校生能力不断增强。近5年来，100%学生参加CDIO创新项目，85%参加学科竞赛，获省部级与国家级奖励160余项；近3年学生获“互联网＋大赛”国家级金奖2项；2017——2019年VEX机器人队连续3年获世界锦标赛冠军，尤其2018年在美国肯塔基州路易斯维尔市举办的2017——2018VEX机器人世界锦标赛中，我院VEX机器人队与来自全球20多个国家80余支队伍经过4天的激烈比赛后包揽了“全能总冠军”、“联赛冠军”和“技能挑战赛冠军”，创该比赛历史记录；全国大学生机械创新设计大赛2016及2018年两届比赛共获全国一等奖17项，二等奖7项，一等奖和总获奖数均居全国第一；2019年世界机器人大会获赛项总冠军、联赛冠军、AI创新挑战赛亚军。

（4）人才培养体系及平台广泛示范辐射。近5年学院及2个国家级实验教学示范中心累计接待清华大学、上海交通大学、香港科技大学、美国创新创客教育机构等国内外高校和企业超1 100人次交流参观；2019年10月中国国际电视台直播采访我院“VEX机器人队”及“方程式汽车车队”，面向全球播放；2017年3月，学院举办首届全国“创新性人才培养实践教学研讨会”，来自40余所院校的教学副院长、实验中心主任及教师100多人参加会议；2016年发起西北《工程制图》课程教学研修班，吸引了来自陕西、甘肃、新疆等省份36所院校的74名教师参加；获批省部级以上教改项目12项，在《高等工程教育研究》《实验室研究与探索》《实验技术与管理》等高等教育期刊上发表教改论文40余篇。

4 结 语

机械工程学院面向“中国制造2025”国家发展战略对双能力融合的新型高等工程人才培养需求，构建了技术与非技术能力融合培养的教学体系，开设多门针对系统级思维、项目管理等非技术能力培养的课程，围绕智能制造把12门专业核心课程有机交叉融合，打破专业课程知识结构壁垒，建设智能制造教学与实践平台为中国制造2025所需人才培养提供了有效载体。

开展线上教学与线下讨论相结合的混合式理论教学新模式的探索，形成了学生为主体的生师互动教学模式，构建了虚实融合互补的车间级智能制造教学平台，有效支撑了双能力融合培养；以综合实验、CDIO项目创新实践，以及综合课程设计为抓手，构建了“自主设计-互动讨论-自主实验-总结改进”的四环节实践、社团式创新实践等基于双能力产出的培养模式，为中国制造2025所需人才培养提供了有效支撑。

基于OBE理念构建了评学、评教为一体的教学质量评价体系，明确了新型工程人才培养中“教”与“学”二个维度的能力评价指标设计、标准设置；设计了体现非技术能力达成的量规表，并在学生考核成绩中充分体现非技术能力的占分比例；构建了包含学生、教师、专家三主体的教学质量评价方法，制定了学生能力达成奖励制度，从而激励学生主动全面学习，确保了学生综合能力培养效果，为中国制造2025所需人才培养提供了质量保障。

机械工程学院自2011年以来，以高端智能制造装备为载体，围绕未来智能制造人才培养主动的、系统化的改革创新，持续改进教学质量，形成了面向“中国制造2025”的智能制造类人才培养新模式。