基于实践创新平台的智能制造工程专业实验教学体系构建

[摘 要]实验教学对于培养学生的工程应用能力与创新思维有重要的作用。智能制造工程专业作为新设专业，部分传统的实验教學体系存在实验内容呈现碎片化、融合度不高、创新性不足，实验过程程式化、应用性不强，个性化不够等问题，难以满足制造业的转型升级所带来的人才需求。为此，高校应建设覆盖产品的全生命周期的智能制造工程专业实践创新平台，并以平台为切入点，构建虚实结合的智能制造工程专业实验教学体系。

[关键词]智能制造工程专业;实验体系;虚实结合

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2023）03-0024-07

引言

在新一轮科技革命和产业变革中，智能制造工程专业已成为世界各国关注的焦点。我国高度重视智能制造工程专业的发展。在此驱动下，服务智能制造工程专业相关领域人才的短缺也成为当下亟待解决的问题。我国教育部自2017年在高校开设智能制造工程专业，目前，全国已有多所高校成功申办该专业。智能制造工程是指在生产过程中，将智能装备通过通信技术有机连接起来，实现生产过程自动化，并通过各类感知技术收集生产过程中的数据，通过工业以太网等通信手段，上传至工业服务器，在工业软件系统的管理下进行数据处理分析，并与企业资源管理软件相结合，提供优化的生产方案或者定制化生产，最终实现智能化生产[1]。

由此可见，智能制造工程所需要的人才要有复合的知识结构、多元的能力特征，而纵观教学全过程发现，实验教学对这些能力的培养起着重要的作用。因此，许多高校积极开展智能制造工程专业的实验教学研究，比如，天津大学采用专业虚拟仿真软件，通过计算机网络将智能制造工程设备3D虚拟模型与实体PLC设备建立实时数据连接，形成虚实结合的智能制造工程实验教学系统[2]。西安交通大学筹建了大学版“工业4.0”智能制造工程学科交叉实践创新平台，将虚实结合的技术和理念贯穿到产品设计、产线设计、加工制造、智能管理、物流服务等各环节[3]，并依托该平台设计实验内容，创新实验模式。北京工业大学结合制造岛概念，在校区范围内建立覆盖产品生产全流程的工业化、智能化、网络化、模块化智能学习工厂，并基于此建立实践教学体系[4]。

这些高校为智能制造工程专业实验教学的改革起到了引导和示范的作用。但是，因各个学校的办学定位及人才培养方案不尽相同，不宜照搬这些高校的智能制造工程专业实验教学方法，否则容易造成人才培养的单一化、泛在化，这与智能制造工程专业人才培养的初衷不相契合，高校开设智能制造工程专业，不仅要培养对智能制造工程技术进行研究、开发、升级的高端人才，也要培养对智能制造工程装备、生产线进行安装、调试、管控和应用的技术技能型人才。上述所提到的高校主要是研究型大学，其致力于培养智能制造工程专业高端人才，而应用型高校要培养智能制造工程专业技术技能型人才，还需要构建一套新的专业实验教学体系，以适应该类人才的培养需求。

一、智能制造工程专业实验教学理念

基于此，笔者调研产业需求，对智能制造工程专业技术技能型人才需要掌握的知识进行分解，主要包含以下指标：一是能够安装、调试、布署智能制造工程专业装备、生产线;二是应用、操作工业软件进行产品的数字化设计与制造;三是操作、编程、应用智能制造工程专业装备、生产线进行智能加工;四是提供智能制造工程专业相关技术咨询和技术服务[5]。而要完成以上指标，需要有系统性的实践平台。因此，高校应从产业需求出发，以提升学生的知识面和技术技能为宗旨，依照产品的全生命周期，建设智能制造工程专业实践创新平台，开展智能制造工程专业技术技能型人才的培养。为有效地利用该实践创新平台，避免平台的闲置和不当利用，一些高校重新构建了与之匹配的智能制造专业工程实验教学体系。

二、智能制造工程专业实验教学体系

实验教学体系依托智能制造工程专业实践创新平台，紧紧围绕上述4个指标点，缩减原有专业基础课程中传统的演示型、验证型实验，引入课程中关于新知识、新技术的虚拟仿真实验;合并相关专业核心课程的课程设计、金工实习等，组成综合型实验;增设学科前沿课程的虚拟仿真实验，与智能制造工程专业实践创新平台相辅相成，形成虚实结合的应用创新型实验实训项目，构建“基础型—综合型—应用创新型”层层递进的智能制造工程专业实验教学体系，以促进应用型高校学生的知识水平和实践能力的不断提升。

（一）基础型实验

基础型实验主要是针对智能制造工程专业实践创新平台所需要的基础知识，所涉及的课程多是机械、电子等方向的专业基础课程，当前所开设实验大多重理论、轻操作，演示型、验证型实验居多，且内容更新不足，难以满足智能制造工程这一新兴产业对技术技能型人才的培养要求，所以应缩减原有的实验项目，同时针对新知识、新技术、新应用增加虚拟仿真实验。一方面是因为虚拟仿真实验教学可远程共享，不受时间、空间限制，方便线上实验教学模式的变革。虚拟仿真实验初期搭建成本虽然较高，但后期使用维护费用较低;另一方面智能制造工程专业本身就是虚拟（数字）和现实（物理）的交互体，更适合虚拟仿真。比如，在材料力学课程中加入汽车锂电池冲击测试等虚拟仿真实验，在机械制造专业技术课程中加入3D打印（金属）全流程虚拟仿真等实验，将新技术更快应用于实践。

同时，在基础型实验中加入能够反映学科发展趋势的课程，组成智能制造工程专业模块。其他课程按照知识的关联度也将其模块化，有助于学生在线上自主实验时能够根据模块化的知识框架建构自己的知识体系[6]，如下页图1所示。

第一阶段的基础型实验属于不同的知识领域，所以对应不同的课程，教师一般只负责本课程知识点的讲授，而该课程知识点与另一课程知识点的知识衔接，部分教师很少作讲解，使得实验内容呈现碎片化。为解决这一问题，第二阶段设置综合型实验。

（二）综合型实验

在综合型实验中，将原有的课程设计、金工实习等按照知识体系框架、岗位所需技能的指标点进行整合，组成模块化的综合实验項目。比如机械制图测绘、机械基础课程的设计，一般安排在该门课程结束后，分布在不同学期，设计内容相同点多，在机械制图测绘中已经对二级斜齿圆柱齿轮的减速器进行了测量与绘制的训练，在机械基础的课程设计中又对该减速器进行了设计并绘制，使减速器的装配图及零件图的绘制在两门课程的设计中相同，进行了重复性的训练，且知识呈碎片化，缺少综合型的系统训练。同时，该课程设计缺少更新，设计过程程式化，使用常规机构的计算与减速器的绘图，创新性不足。

新实验设计将其优化重组，合成为机械创新课程设计，学生通过课程学习，了解整个装置的设计流程，利用综合机械基础课程中的平面连杆机构、凸轮机构等内容来组建执行机构、确定设计方法;依据课程中的带传动、齿轮传动等拟定传动方案、计算传动参数及运动参数;确定零件的结构尺寸并正确选型标准件。掌握依据机械制图课程所学的绘图标准及规范，并借助绘图软件或三维建模软件来设计零件、组件，有能力者可进行数字化建模与仿真，从而完成指标2的第一层次——应用工业软件进行数字化设计。

同时，课程设计不再由教师定题目，而是采取自主选择题目或自我拟定的方式。原有的常规题目，可以匹配给基础比较薄弱的学生使用;而对于实践能力较强、有一定的实践经验的学生可以自拟题目，从而实现多层次的实验教学，满足个性化的培养要求。

改革后的综合型实验项目，解决了原有的实验内容碎片化、融合度不高、创新性不足，实验过程程式化、过程应用性不强、个性化不够等方面的问题。

按照产品的生命周期，在设计完成上述的零件或者部件之后要对其进行加工制造，这就需要完成数控实习（涵盖数控机床编程及操作、数控技术课程），从而完成指标2的第二层次——操作工业软件进行数字化制造。其他如控制类课程的综合型实验项目，按照产品的生命周期，围绕智能制造专业所要实现的指标点，整合成对应模块。

但是，仅依靠上述的实验项目，部分学生难以建构系统化的专业知识体系，掌握智能化的生产流程相关知识，导致其在面对智能制造工程中的复杂问题时，缺少应对能力，在变革新技术、新工艺时，实践创新能力不足，所以应在第三阶段设置应用创新型实验。

（三）应用创新型实验

1.智能制造工程专业实践创新平台

应用创新型实验围绕智能制造工程专业技术技能型人才所要掌握的指标点，以提升学生的工程应用能力和创新能力为目标，搭建了集教学、培训、科研、竞赛于一体的虚实结合的智能制造工程专业实践创新平台。该平台能够完成智能物流、智能加工、智能组装和智能管控等功能，实现了从原料到零件、零件组装成产品，产品质检并输出的全部过程，映射了产品的全生命周期。

智能制造工程专业实践创新平台采用知识矩阵式布局，映射实际的企业级智能生产线，由若干智能生产单元构成，每个单元所需设备按照工作需求放置并由围栏围成方形，与其他单元呈矩阵式排列，以提高工作效率，如图2所示，每个单元既可单独运行，进行课程教学、竞赛等，也可自由组合为一体，进行实际生产。同时，每个单元分别链接对应的虚拟仿真系统，以供不同层次的学生的学习、训练，满足学生的个性化需求。

2.实验流程

实验流程以活塞连杆为加工对象，对生产流程进行介绍，如图3所示。

智能仓储单元1：MES系统发出取料指令，巷道堆垛机对相应的储料托盘坐标进行准确定位后，将托盘的毛坯料取出，并放至AGV对接机构，同时读取RFID电子标签上的信息。AGV小车接驳毛坯料送至智能加工单元1。通过该单元的训练，学生能够掌握关于MES系统集成、RFID射频识别技术等智能控制的相关知识。

智能加工单元1：AGV接驳小车的毛坯料，RFID信息读取，机器人抓取毛坯料并自动上料至数控车床，自动加工，完成活塞外圆、内圆及沟槽的加工，机器人自动卸料至超声波清洗机进行半成品的清洗，完成后送至AGV对接机构，RFID信息读取，AGV小车接驳AGV对接机构上的半成品送至智能加工单元2。通过该单元的训练，学生能够掌握机器人编程及技术应用、数控车床编程及加工技术等智能加工的知识。

智能加工单元2：AGV对接机构接驳AGV小车的半成品，RFID信息读取，机器人抓取对接机构上的半成品并自动上料至四轴加工中心，完成活塞外凸台、侧壁及内侧壁、孔等部件的加工，机器人自动卸料至超声波清洗机进行成品的清洗，完成后送至AGV对接机构，RFID信息读取， AGV小车接驳AGV对接机构上的活塞成品送至智能检测单元（与智能加工单元1所不同的是数控车床换成四轴加工中心）。通过该单元的训练，学生能够拓宽机器人、数控加工中心及超声波清洗机的编程及应用技术等智能加工的知识。

智能检测单元：AGV对接机构接驳AGV小车的活塞，RFID信息读取，机器人抓取活塞送至检测机构——CCD检测台，CCD机器视觉检测是一种非接触测量方法，可以避免对被测件的损伤。若检测合格则放置AGV机构，若不合格则放置NG位， RFID信息读取，AGV小车接驳机构上的活塞送至智能装配单元1。通过该单元的训练，学生能够掌握三坐标测量机检测技术、机器人编程、机器视觉检测等智能检测的知识。

智能装配单元1：AGV接驳活塞，RFID信息读取，机器人抓取活塞送至装配工位，进行活塞与已加工连杆（连杆也是按照该流程进行加工，区别在于通过智能检测单元的三坐标测量机进行检测）的装配，装配完检测，送至AGV机构， RFID信息读取，AGV小车接机构上的组件1送至智能装配单元2。

智能装配单元2：流程同智能装配单元1，进行连杆与连杆盖的装配，完成后送至质检打标单元。通过智能装配单元的学习，学生能够掌握机器人运动学与动力学仿真、智能控制技术等知识。

质检打标单元：完成成品的打标，送至智能仓储单元2。通过该单元的学习，学生能够掌握Python机器学习、激光打标、机器人控制技术等知识与技能。

智能仓储单元2：智能仓储单元2有别于单元1的巷道仓货架，采用的是环形仓货架。按照仓储单元1的流程，完成成品的仓储。通过该单元的学习，学生能够掌握电气控制与PLC、人工智能与大数据等知识。通过以上每一个单元的学习及综合生产流程的训练，学生可以达成实验教学理念中提到的4个指标。

由上述流程可见，每一个单元涵盖工业机器人、数控机床、AGV自动小车、PLC、 RFID、工业以太网总线、MES、数字化仿真等技术，各个单元既能独立完成相关功能，也可根据工艺要求衔接成一个生产流程。由于所有的智能单元均以同一产品为对象，实现了实验内容的全流程贯通，通过这一实践创新平台的训练，帮助学生将所学的专业知识转化为工程应用能力，在工程实践、工业应用上具有更强的适应性，达到了所学即所用、毕业即可上岗的要求。

三、依托平台的实验教学

依托上述的智能制造工程专业实践创新平台，借助学科竞赛、创新训练项目等赛事，学生可以结合自身的兴趣及发展需求，进行某一方向的创新拓展训练。例如，学生通过智能加工单元1，对机器人从对接机构抓取半成品并自动送至数控车床的路径点及轨迹进行规划、避障处理，完成加工后，再对机器人抓取成品至超声波清洗机的路径点及轨迹进行规划、避障处理，以上内容是关于机器人的位姿描述与坐标变换（平移加旋转）的计算，是工业机器人运动学和动力学课程所学。完成机器人的运动轨迹计算后，要编写程序，使之驱动机器人完成上下料等动作，这是机器人离线编程课程所学。将所编程序输入到机器人系统，操控机器人动作，是机器人技术及应用课程所学，所以，通过这个实践平台的其中一个单元，学生将碎片化的课程内容融合起来，在实际的应用中主动建构了这一模块的知识体系。学生在参加有关工业机器人的学科竞赛或创新训练项目时（比如机器人焊接竞赛），学生可以根据所掌握的知识、技能，进行创新、应用，从而解决了实验内容碎片化、融合度不高、创新性不足的问题。

同时，鉴于智能制造工程专业的创新性、发展性的特征，在每一单元中都设置虚拟仿真工位，引入云计算、物联网、大数据、人工智能等前沿技術。实验的教学不再局限于传统的教师讲授、学生操作的程式，而是根据学生自身发展需求，对于自学能力强的学生可以借助虚拟仿真系统进行新知识、新技能的拓展学习。对于跟不上实验进度的学生可以借助虚拟仿真系统进行重复性的训练。比如，A组学生在掌握了所有的实验教学内容后，想在机器视觉方向有所研究，就可以根据教师提供的自编教材——机器视觉与机器学习，借助智能检测单元的虚拟仿真系统，学习训练机器视觉检测技术、工业微小缺陷的智能识别和诊断等拓展内容，从而锻炼学生数字图像处理、深度学习算法、智能视觉检测、智能工业零部件识别等实践创新能力。B组学生在学习智能加工单元的机器人位姿描述与坐标变换的计算后，在根据计算结果编写程序时，如果在规定的实验教学时间内没有掌握相关内容，学生也可以借助该单元的虚拟仿真系统，根据教师自编的关于该实践创新平台的教材——工业机器人运动学和动力学、机器人离线编程，再进行该部分内容的学习训练，直至掌握后才在实践创新平台进行真实设备的操作训练，使得设备得到合理利用，这种虚实结合的分层次的模式打破了传统的实验程式，解决了程式化的过程应用性不强、个性化不够的问题。

四、结语

随着智能制造工程的发展，其行业人才的紧缺已成为制约智能制造工程专业发展的瓶颈。鉴于实验教学在工科课程教学中的作用，高校从国家发展与产业需求出发，建设了以前沿工业应用为基础的智能制造工程专业实践创新平台，该平台划分成不同单元，学生通过每一单元的学习训练能够掌握智能制造不同环节，且能够促进学生对智能制造工程专业领域前沿技术的掌握，而将所有单元合起来又能覆盖一件典型产品从创意、设计、制造、生产管理到产品运维的全生命周期，便于学生对全流程进行完整把握，不仅培养了学生解决复杂工程问题的能力，也培养了学生的多学科交叉融合能力，以胜任智能制造产业的岗位需求。

本文依托该平台，紧紧围绕智能制造工程专业所需达成的指标点，构建了“基础型—综合型—应用创新型”的实验教学体系，重新界定实验的配置方案，使之更具有系统性、时效性、应用性。基础型实验是缩减知识滞后的演示型、验证型实验，增加前沿的虚拟仿真实验。综合型实验是对该平台的每一单元所需的技术技能进行模块化的综合训练，使得知识点得以有效衔接。应用创新型实验是依托智能制造工程专业实践创新平台，对不同单元的技术技能进行了交叉融合，并借助虚拟仿真系统进行拓展，使学生对大工业体系有了较深入的了解， 从而实现“专业认知—能力强化—应用创新”的实验教学目标，有效推动智能制造工程专业应用型人才的培养。

[参考文献]

[1]陈晓明.智能制造工程技术人员——中国制造转型升级的“顶梁柱”[J].中国培训，2020（9）：34.

[2]寇莹，张龙飞，耿冬妮，等.工程训练智能制造项目的建设与实践[J].铸造技术，2020（6）：588-592.

[3]李培根，陈立平.在孪生空间重构工程教育：意识与行动[J].高等工程教育研究，2021（3）：1-8.

[4]张自强，陈树君.基于智能学习工厂的实践教学体系探究——以智能制造工程专业为例[J].高等工程教育研究，2022（2）：87-92.

[5]韩婕.破解智能制造人才匮乏的难题[J].中国人才，2020（12）：25-27.

[6]孙平平，李龙刚，付艳苹.智能制造背景下数控加工虚拟仿真实训教学探索[J].广西广播电视大学学报，2022（4）：10-16.

[作者简介]孙平平，潍坊科技学院智能制造学院副教授，硕士，研究方向：先进制造业。

[责任编辑 韦志巧]