智能制造背景下机械专业实验教学探索

张卫芬 李永梅 董祥国 严红霞

摘 要：在当前智能制造背景下，学生在多学科交叉的专业知识、产品研发、解决复杂工程问题等方面的能力需要提高，对机械专业实验教学提出了新的需求。针对目前机械专业实验教学存在的主要问题，文章提出了实验教学体系建设思路，即建立“多层次、系统化”的实践能力培养体系，更新实践教学内容，加强校企协同育人，增加实验教学学时，强化集中实践环节。文章根据智能制造需求，设计实验教学项目，并进行了实例分析。文章针对机械专业实验教学进行了探索，为新时期培养高素质应用型人才提供借鉴和参考。

关键词：智能制造;机械专业;实验教学

0    引言

随着新科技革命和产业变革的时代的到来，智能制造成为制造业发展的重中之重，在此背景下，传统的培养方案、课程体系、课程内容、教学方法、教学模式等要与智能制造相关领域的新知识的快速发展相协调，教育模式要能适应智能制造产业发展的需要。学校除了要培养学生具有宽厚的自然科学、数学和工程科学基础之外，还需提高学生在多学科交叉的专业知识、产品研发、解决复杂工程问题等方面的能力。实验教学是高等教育中人才培养的重要组成部分，更是培养人才实践能力、创新能力的重要方式与方法。如何适应智能制造的需求，让实验教学主动适应新技术的变革，提升学生的创新精神和实践能力是亟待解决的问题[1]。

1    机械专业实验存在的主要问题

工科专业的特点是实践性强，实验环节在教学中占有举足轻重的地位。开设足够的教学实验是培养学生动手能力、创新能力和解决工程实际问题能力的重要手段[2]。目前实验教学存在以下问题。

（1）验证性实验为主。许多实验流于形式，大部分实验以验证性实验为主，验证理论课程知识，而创新性实验和综合性实验所占的比例较少，且实验设备更新较慢，授课内容比较陈旧，对工程应用的拓展较少，具有工程背景的实验较少，无法满足智能制造下行业的需求，也无法提高学生的工程实践能力和创新能力。

（2）校企融合不够。高校和企业之间相互交叉融合程度较低，高校需要企业提供相关的实验实践训练的机会，企业需要高质量的人才，但目前这一现状较难协调。

（3）实验学时较少。目前实验所占学时较少，如东南大学成贤学院机械设计课程，总学时64，但实验只有6学时，仅能满足基本教学需求。这就导致学生的实际动手机会较小，学生无法从实验中获得实际工程能力培养的训练机会。

目前来看，传统实验无法满足针智能制造对人才培养的需要，为培养学生的工程能力、综合能力和创新意识，基于学院机械专业人才的培养现状，进行如下探索。

2    实验教学体系建设思路

在智能制造背景下，对机械与信息相结合的人才需求增长迅速，学校提出了机械专业信息化改造，创办了数字化制造学院，并从 2015 级开始从培养目标、培养方案、课程体系、师资保障、实验课程等方面进行逐年修订，形成了具有鲜明特色的办学模式。实验课程与行业单位对接，根据行业的发展需求制定了相应的实验课程，按照新工科的人才培养要求，探索机械专业实验教学项目，让学生能尽早接触学科前沿内容，培养学生理论与实践相结合的能力，提升机械专业学生的人才培养质量[3]。

（1）建立“多层次、系统化”的实践能力培养体系。从通识教育课实验、专业基础课实验、专业主干课实验、专业方向课实验、集中实践环节5个环节展开实践教学，通过课内实验、课程实训、课程设计、项目实训、技能实训、综合性实验、毕业设计等环节，辅以学科竞赛、技能训练、大学生创新项目等开放性实习实验，搭建基本技能培养层、综合能力培养层、工程应用能力培养层和创新能力训练层的“多层次、系统化”实践能力培养体系，保证学生实践能力培养的层层递进。

（2）校企深度融合的协同育人体系建设。与克恩里伯斯（太仓）有限公司、南京埃斯顿机器人工程有限公司、苏州富强科技有限公司、西门子工业软件（上海）有限公司、苏州奥杰   汽车技术股份有限公司、无锡华洋滚动轴承有限公司等 22 家企业建立稳定的运行良好的校外实习基地。聘请企业师资团队参与指导学生实践实训、毕业设计等。此外，培养计划的制订充分听取企业、兄弟院校的建议，力求人才培养与企业需求相匹配。

（3）设置模块化的实践环节，实践教学内容与时俱进。通过及时追踪行业的发展变化，及时更新实践教学内容。根据不同职业岗位所需要的知识能力结构设置了机电一体化、汽车工程两大模块的实践环节，紧跟工业机器人和新能源汽车发展趋势，调整实践教学内容，引导学生关注行业前沿动态，培养学生职业拓展能力，取得了良好的成绩。同时，积极鼓励教师开展实践教学改革，及时更新实践教学内容，一方面紧密结合生产实际，跟踪新技术、新工艺的发展步伐，整合实验内容，开设贴合企业生产实际的实验项目;另一方面，鼓励教师将科研引入教学，把科研成果与实践教学内容结合起来，编写实验讲义，不断更新和完善实验教学内容。

（4）增加实验教学学时，强化集中实践环节。重视实践教学，学时比例提高，实践教学学时占总学时的比例为 39.1%。集中实践环节多以设计性、综合性、创新应用型实验或课题为主，有独立的实践教学大纲、独立的教材或实训指导书且单独计算学分和成绩，有完善的集中实践环节考核体系。集中实践环节综合性比较强，运用一门课程多个知識点或者多门学科知识，解决一个比较复杂的问题，主要考查学生对专业知识的综合应用能力和系统解决问题的能力。

3    智能制造背景下机械专业实验教学项目设计—以“机电控制综合实践”为例

“机电控制综合实践”是一门应用性、实践性、综合性很强的实验课程，在学习过程中，需边学理论边实践，教学过程中，以理论为辅、实践为主，多训练学生的分析、动手能力，授课与实验交叉进行，以边讲解、边实践的模式引导学生学习，讲授与操作结合，之前的课程实验主要有控制流程图绘制、机械结构设计、PLC 程序编制、整体控制系统设计、联机调试等项目任务。为提高学生机械、信息、机器人专业交叉融合的复合能力、工程能力、发现问题与分析解决问题能力，本实验拟增加以下几个实验项目。

3.1  工业机器人喷漆实验项目

工业机器人喷漆实验项目布局如图1所示。该实验项目模拟工业机器人对零件进行喷漆的过程。上料的形式采用双工位交替上料，实现不间断连续生产功能，一个工位喷涂过程中，另一工位同时换料，提高喷涂效率。机台左右两工位单独设置操作按钮（启动、急停按钮），机台设有三色灯，用于在系统出现故障时进行声光报警提示。机台罩壳可视化，方便人员随时监控喷涂状态。进料窗口做成自动开闭形式，防止油漆溅出。通过此项目的训练，学生可掌握工业机器人的工作坐标的建立、运动参数、运动轨迹编程等内容。此外，此平台可对学生进行一些创新实训，如送料平台通过改进，利用电机驱动，工件可实现 360°旋转，可实现边喷涂边旋转功能，符合实际生产需求。

3.2  工业机器人码垛实验项目

工业机器人码垛实验项目布局如图 2 所示。本实验项目是按照江苏省机器人大赛进行设置的，该实验项目模拟工业机器人对零件进行码垛的过程。机器人将指定物料区货物取出，在码垛区域完成指定形式的码垛，在完成基本码垛形式后，方可进一步完成部分的码垛形式，同时，机器人通过视觉系统进行不同颜色物料的识别，然后进行码垛。通过此项目的训练，学生除了可掌握工业机器人进行码垛工作的原理、过程之外，还可了解视觉识别在现今生产线中的应用。

3.3  工业机器人组装实验项目

工业机器人组装实验项目布局如图3所示。本实验项目的目的是完成壳体和电阻的装配，替换人工，实现电阻组装、点胶，模拟了实际生产功能。在此实验项目中，学生可了解组装的生产过程，每一个功能模块的作用，如载具输送线，其运载方式通过线体和两端拨杆气缸实现循环送料，相比直接用托盘载具供料的方式，可以减少运载载具的数量;点胶机采用三轴伺服点胶结构，定位精准，采取双胶枪的点胶方式，提高点胶效率;电阻抓手采用一次抓取多个进行压装的方式壓装电阻。通过此项目的训练，学生可掌握一条成品生产的过程，也可按照产品需求进行改进，如上下料装置等可作为大学生创新训练项目，激发学生的学习兴趣，打开学生的思维，按照生产需求完成相关设计。

通过上述项目的补充，加强了“机电控制综合实践”的完整性，将 PLC 技术、现场总线技术、机器人技术、伺服控制技术等进行融合，有利于后续综合性、设计性实验的开展，有利于对学生综合能力的培养和创新意识的训练，在构建多学科交叉融合的实验体系中做了有益的尝试，增加了学生对工程实际的认知，锻炼了学生解决工程实际问题的能力。

4    结语

在智能制造背景下，培养学生的工程实践能力、创新设计能力是机械专业学生培养中的重要一环，对实验的要求也更为严格，构建系统化的、融合多课程的实验教学体系能够使学生在动手能力、分析解决问题能力等方面得到综合训练。因此，加强校企合作，改进实验条件，能够大大提高学生的学习效率，促进学生的自我学习，增强学生解决复杂问题的能力，为智能制造背景下机械专业应用型人才培养提供条件。在今后的实验教学改革中，学校更要把握好时代发展需求，更新机械专业实验教学项目设计，对机械专业应用型人才的实验教学进行探索，适应智能制造发展需求。

[参考文献]

[1]仝月荣，陈江平，姜艳霞.“新工科”背景下以智能技术为牵引重构工程实践课程体系[J].实验技术与管理，2020（37）：33-38.

[2]陈砚，单泉，马廉洁，等.新工科建设下机械设计基础实验教学改革及实践[J].机械设计，2020（S2）：242-244.

[3]朱丽丽.培养机械工程创新应用型人才的实践教学探索[J].黑龙江教育（理论与实践），2020（7）：81-82.

（编辑 王永超）