多层次混合式的先进制造技术实训模式的探索与实践

李全城，吴新良

（厦门理工学院现代工程训练中心，福建厦门 361024）

一、研究背景

先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）相较于传统的制造技术，有着高效率、高质量和快速响应市场变化能力等优点，被全球许多国家视为21 世纪制造业变革的关键技术之一[1-2]。当今，AMT 已成为国内许多高校机类和近机类专业学生的必修课程，大多数学校也在实训环节增设了AMT 相关的实训课程。中国科学技术大学工程实验教学中心通过增设金属雕刻机和3D 打印机两个实训项目，让学生体验先进制造技术[3]；天津工业大学工程训练中心把数控加工和特种加工实训项目（数控雕刻和电火花线切割）融合一起开展先进制造技术实训教学[4]；北华大学工程训练中心根据CDIO 工程教育的模式，将数控、特种加工、机器人、精密测量、CAD/CAE/CAM 软件等实训项目贯穿于抽油机和无碳小车等产品的制作中，开展 AMT 实训教学[5]。然而大部分高校在开展AMT 实训教学方面依然存在着以下五个方面的主要问题。

1.由于对AMT 实训的重要性认识不够，普遍存在着“重数控，少先进”的思想观念，导致投入到AMT 实训的资金、人员和课时等相关保障措施相对较少。多数高校仅仅只是在工程训练环节中有限地针对机制类专业的学生泛泛地开展了几个AMT 实训项目，而工程训练课时本来就紧，这样就存在着学时短、缺乏系统性、受众范围小等缺陷。

2.即使形式上重视AMT 实训，但因其涉及技术内涵广泛、多学科交叉，需要建设的内容没有统一的认识，开设的实训教学内容更是五花八门，导致实训过程中标准不统一，内容不明确，重点不突出，难以达到良好的训练效果。

3.“一刀切”的实训教学模式。没有针对不同学时、不同学科、不同专业的学生设置相适应的教学方案和教学内容。

4.由于先进制造设备昂贵，台套数少，仅仅依靠实体设备进行实训教学，效率不高，效果不理想。

5.实训教学过程缺乏对学生整体工程观的培养。各个AMT 实训项目都是独立地、零散化地进行，导致学生在实训完所有项目后，对产品制造过程没有一个完整的概念，所能想到的仅仅只是某一个实训项目中的某一种加工方法，而实际产品制造却是多种加工方法的综合运用。

二、先进制造技术实训教学改革和实践

针对先进制造技术实训教学过程中存在的这些问题，我校借助省级虚拟仿真实验教学示范中心、省级实验教学示范中心的教学条件和工程训练教学体系，开展先进制造技术实训模式教学研究与改革，统一重要性认识、明确实训内容，完善线上线下混合式教学资源建设，实施因生施教的多层次课程设计，开展以项目为载体，课内课外、线上线下、虚实结合的实训教学方式研究，构建了项目驱动的课内外混合式开放教学体系。具体实践和改革内容如下：

第一，统一认识，确立AMT 实训模块；

第二，针对不同学生开展多层次的AMT 实训教学模式探索和相关线上资源建设；

第三，开展AMT 实训的课内外混合式开放教学模式探索实践；

第四，设计AMT 实训的教学实施方案。

（一）统一认识，确立AMT实训模块

在现代制造业朝着系统化、数字化、智能化和多学科交叉方向发展的背景下[6]，对于应用型本科院校来说，必须摆脱与高职院校相似的“重传统数控，少现代先进”的训练模式，对现有的工程训练的实训工种进行合理规划，适当向先进制造技术项目倾斜，唯有如此，才能更好地培养面向“中国制造2025”的高端技能型人才[7-10]，提高学生就业适应能力。

然而，先进制造技术涉及技术范围广，涉及的实训项目多，建设资金、师资人员和课时等条件又有限，那么如何在这些有限的资源下，开展系统性的AMT 实训是首要解决的问题。我校根据《中国制造2025》[11]的相关要求，结合现代制造业的发展趋势和AMT 的本质特征分析，认为系统化的AMT 实训要包含先进制造工艺、自动化和综合性的特征，并据此明确具体的AMT 实训模块，包括：先进制造工艺（产品辅助设计制造CAD/CAM、数控车铣加工、激光和电加工等特种加工、3D 打印增材制造）、自动化（机器人、PLC）和综合性（柔性制造系统、柔性生产线、VisualOne 智能工厂仿真系统），如图1 所示。

图1 先进制造技术实训教学体系

据此，近些年，我校先后投入了1000 多万资金陆陆继续采购了数控车床、数控加工中心、线切割机床、电火花、五轴加工机床、3D 打印机、工业机器人、激光加工机床和柔性生产线等先进制造实体设备[12-13]，与此同时，成立了由一批具有扎实的专业理论基础和丰富的实践经验的实验师、高级实验师和高级技师组成的先进制造实训部，专门负责AMT实训教学，这些举措有力地推动了AMT 实训教学的顺利开展。

（二）针对不同学生构建多层次的AMT实训教学模式并建设相关网上资源

参加工程训练的学生涵盖了我校全体本科学生和兄弟院校金工实习的学生，她们来自不同年级、不同专业，而且她们的知识水平、专业特点、实践能力也各不相同，因此AMT 实训中，要针对不同年级和不同专业的学生设置相适应的实训教学内容和教学方案。我校依托已有的工程训练教学体系，根据不同专业的特点和要求，适当补充开放性实验、公选课、学科竞赛、科研项目、校企共育等方式，建立了从“基础认知—技能训练—综合创新”多层次的AMT 实训课内教学模式，每个层次的实训内容设置以增强学生专业认知，提高学生实践能力、综合素质、工程意识和创新能力为原则，电火花加工、数控车铣加工、3D 打印、工业机器人、激光加工、PLC 和柔性生产线等先进制造技术训练项目根据需要融入各个层次。同时AMT 涵盖技术内容较多，仅靠如开放性实验、工程训练等形式的计划课内学时，无法满足相关知识和能力的培养，我校依托数字化设计制造虚拟仿真平台，建设网上教学资源和虚拟仿真实验环境，满足学生课外对不同技术模块的认知和探索性学习。

1.AMT 基础认知模块：面向低年级学生开设，参考原来的工程训练教学大纲和先进制造技术内容，主要在现有数控车铣加工、电火花加工、3D 打印的实训模块基础上根据不同专业合理增设工业机器人、激光加工、PLC 和柔性生产线等模块。与此同时，建设了相关网络课程等网上教学资源，方便学生课外时间的学习和认知。

2.AMT 技能训练模块：主要面向近机类和机类专业学生或经过基础认知层次训练的其他专业学生，其中近机类专业学生在现有《数控技术实训》的基础上，可根据不同专业，从3D 打印、工业机器人、激光加工、PLC 和柔性生产线等先进制造技术实训模块中合理增选2-3 个模块作为学生实训项目，还可通过开设面向全校学生的开放性实验和公共选修课等形式弥补现有课时的不足。同时，为检验认知层次和公选课的AMT 实训效果，中心定期面向全校举办工程训练基本技能大赛，并在大赛中增设先进制造技术环节。最后建设了相关的网上教学资源和虚拟仿真实验环境（如联合厦门麦思睿科技有限公司和厦门万久科技有限公司分别开展数字化工厂虚拟仿真和柔性生产线虚拟仿真等相关案例建设），满足学生课外时间的学习和虚拟仿真实践要求。

3.AMT 综合创新模块：主要面向高年级参加过基础认知和技能训练的学生，训练内容包括学科竞赛、科研项目、校企合作培训等。采取以学生为主，教师指导为辅的训练模式，鼓励学生利用先进制造设备加工作品参与如机器人竞赛、3D 打印大赛、PLC 竞赛、工程训练竞赛、大学生创新项目、教师的横向纵向科研项目、校企共育（依托校企共建的智能制造联合实验室进行[14]）等实践活动，通过设计方案解决实际问题进一步检验AMT 实训效果，并以此为依据调整平时实训的重点和方向。同时建设相关网上教学资源和虚拟仿真实验环境，实行实验室24 小时开放，满足学生课外实训教学和创新制作的需要。

（三）开展AMT实训的课内外混合式开放教学模式探索

为满足学生课外实训教学和创新制作的需要，探索在多层次实训模式的基础上，引入课内外混合式开放教学实训模式作为补充。该实训模式以学生为主体，通过课程网站教学资源、虚拟仿真平台和实验室开放管理系统的建设和使用，建立开放性教与学的互动机制、管理机制和评价机制，为进一步提高学生主动训练的积极性、安全性和创新能力营造良好的实训环境。

我校工程训练中心依托省级虚拟仿真实验教学示范中心和省级实验教学示范中心，建立了课程网站、虚拟仿真平台、实验室开放管理系统、门禁系统和相关硬件设备，也完善了AMT 实训课外开放教与学的互动机制。首先，中心通过课程网站、中心网站等网络平台发布可供学生随时下载使用的AMT 实训相关的课件、操作视频等资料。其次，学生利用PowerMill 软件、凤凰创壹虚拟仿真平台、VisualOne 智能工厂虚拟仿真平台等开展网上虚拟仿真训练，同时中心以省级虚拟仿真实验教学中心验收为契机，推进中心立项的1 项省级虚拟仿真实验教学项目和3 项校级虚拟仿真实验教学项目的建设和利用，进一步完善了先进制造技术网上教学资源和虚实结合实训模式。最后，当学生完成线下实体实训等所有项目以后，能够在中心开设的互动交流平台上，可在线提出AMT 实训的相关问题和意见建议，也可对指导教师提出建议，通过这种闭环反馈机制，进一步改善教学效果。

为加强AMT 实训的开放管理，我校进一步推进实验室开放预约管理系统和门禁系统的完善建设和使用，特别是继续推进了中心先进制造设备相关实验室的门禁系统、刷卡取电系统和监控系统的完善建设。因此，在这些系统的配合下，当中心先进制造设备处于空闲时间段，本校学生就可以在网上提出使用申请，经中心管理老师审核通过后，学生只需刷校园卡就可按约定时间进出实验室和使用设备，老师也可通过监控系统对学生进行实时动态监控，从而真正实现24 小时开放管理。

同时，为验证和提高该种教学模式的教学效果，研究构建三位一体的评价机制即学生评价（线上师生互评平台）、督导团评价和教学成效评价（竞赛成绩反馈评价、用人单位企业评价）。

（四）设计AMT实训的实施方案

总体教学规划确定后，还要设计具体可行的实施方案来保证教学目标的顺利完成。针对AMT 项目参训学生多、台套数少的情况，我校摸索出一系列具体的实施方案。一是依照AMT 设备的安放地点和台套数，将先进制造设备划分成五个分项目。数控车和数控铣为单元1；电加工和3D 打印为单元2；PLC 为单元3；协作机器人和工业机器人合为单元4；激光加工和柔性生产线作为单元5。每个单元的设备有独立的安置场地，同一单元内的不同工种也有各自单独的实验室，一班学生分成2 ～3 组，每组约二十几人，如此划分不仅可以避免不同实训项目学生聚集一起，而且每个单元可接受1 个班学生，五个单元就可同时容纳五个班学生开展训练，大大提高了设备利用率和实训效果。二是五轴加工机床和PowerMill 软件可作为先进制造实训的一个缓冲，如果AMT 项目某台设备突发故障，该组学生可调整到PowerMill 实训，这样AMT 实训将会更加灵活有保障。三是要求实训老师要“一岗多能”，每人需至少具备两项AMT 实训项目的指导能力，以保证新增教改的顺利落实。

在实训内容和教学方法方面，也做了一些细致的设计。第一，AMT 实训不但要让学生接触和了解前沿的先进制造技术细节，更应培养他们整体的工程思维。设计各项目的内容时，要遵循“以项目为驱动”，以制作一个完整的产品为载体，贯穿整个实训过程的方针，例如，为了调动学生的兴趣，我们以制作“无碳小车”为载体，贯穿工程训练的整个过程，同样，在各项AMT 实训中，我们也把制作“智能小车”贯穿整个AMT 实训中，如激光加工可加工小车的零件，打标机可打标学号，3D 打印可制作小车备用件等，让各个分项目训练合成一个有机的整体。第二，针对各个AMT实训项目的特点，要采取相适应的教学方法。如激光加工和3D 打印这两个分项目具有较强的直观性和可操作性，参加实训的学生兴趣很大，我们要优化讲解内容和流程，把更多的时间留给学生们动手操作。柔性生产线由于实体占地面积大，集成度高，学生很难从全局掌握，可采用虚实结合的教学方法，通过虚拟仿真软件塑造学生整条生产线的全局思维，结合实体实践，达到以虚补实、虚实结合的教学效果。第三，有些实训项目，虽然以演示为主，但要求指导老师注意调动学生们的主观能动性，实训前要求学生预习并布置一些思考题，让学生们带着问题进行训练，提高实训效果。第四，在具体训练中，可引入思政教育，介绍我国先进制造技术与世界发达国家的差距，培养学生的责任意识，激发学生们的学习热情。第五，针对不同专业的学生，介绍与他们专业相关的先进制造技术，拓宽学生们的知识面，启发学生们的创新思维。

三、教学改革成效

经过实践和完善后，我校多层次课内外混合式的先进制造技术实训开放教学模式形成了一套有效的教学运行管理机制，取得了初步效果。

1.统一了对先进制造技术实训的认识，明确了具体实训项目，让AMT 实训有了标准可依。

2.大大扩展了学生的学习时长，激发了学生的学习兴趣，调动了学生课内课外的学习积极性，提高了学生的动手实践能力和创新能力，提升了先进制造的实训教学效果。近些年我校现代工程训练中心培养了许多熟练掌握先进制造设备的学生，这些学生不仅在省部级的大学生工程训练大赛和创客大赛等比赛中屡获佳绩，也在大学生创新训练项目中积极进取并发表了一些论文和专利。在第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛中我校获全国一等奖1 项，全国三等奖3 项；在第七届福建省大学生工程训练综合能力竞赛中获一等奖6 项，二等奖3 项，三等奖8 项；在第八届福建省大学生工程训练综合能力竞赛中获特等奖2项，一等奖1 项，三等奖5 项。截至目前，中心培养的学生参与了《基于PLC 和KUKA 机器人的圆料车削自动生产线的设计》等20 多项的大学生创新项目，发表了10 多篇论文和申请授权了40 多项专利。

3.我校工程训练中心的相关课程和教学质量得到了检验和提高，中心的课程和教学分别获评省级一流课程和省级教学成果一等奖。

四、结束语

我校从现代制造业的发展趋势和AMT 的本质特征分析，统一了AMT 实训的重要性认识，明确了系统化的AMT 实训要包含先进制造工艺、自动化和综合性三个特征，构建了多层次、项目驱动、线上线下、虚实结合的课内外混合式AMT 实训教学体系，该体系打破了课内与课外、时间与空间、理论与实验的界限，扩展了学习时长，提高了实训效果，为其他高校先进制造技术实训基地的建设及其实训教学提供一定的借鉴和参考。