新工科背景下面向智能制造的工程创新人才培养探究

王宏立,梁春英,韩 霞,张吉军,户春影

(黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基[1]。进入21世纪以来,欧美国家为了抢占制造业制高点,纷纷制定了以智能制造技术为重要方向的制造业发展战略。2012年美国推出了“先进制造伙伴计划”,2013年德国颁布了“工业4.0”计划,同年法国颁布了“新工业法国”战略,日本出台了“再兴战略”等[2]。我国为了加快制造强国建设,2015年正式发布了“中国制造2025”战略计划,其指导思想中强调以推进智能制造为主攻方向,完善多层次多类型人才培养体系,实现制造业由大变强的历史跨越[3]。

基于国家制造业强国战略,为满足智能制造人才需求,2017年以来,教育部先后下发了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》等多个文件,推动新工科建设[4]。新工科要求发展工程教育新理念、人才培养新模式,助力教育强国[5]。基于以上背景,高校工科专业也必须对现有人才培养模式进行转型升级,加快培养适合于智能制造的工程创新人才。

1 智能制造人才培养面临的问题

1.1 知识领域过于单一

智能制造所需掌握的机械化、自动化、数字化、网络化、智能化等相关知识,涉及机械工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等多学科领域,而现有的工程应用型人才培养领域过于单一,要么是单一机械领域,要么是单一电气领域,缺少跨界、跨学科、创新性的知识能力培养,专业课程设置与智能制造行业所需适配不够紧密,造成学生在企业工作适应性差,上手能力弱,常常感到无所适从。

1.2 校企合作培养深度不够

长期以来,高校各专业为弥补校内实践教学条件、场地、设备不足等问题,一直强调校企合作,但往往合作方式流于表面,一般仅限于专业学生到企业认识参观实习,或聘请企业工程师到校讲课,信息交互时间短,学生不能真正了解行业所需,不能真正参与到企业的生产实践,对于智能制造所涉及的数字化、网络化、智能化技术等现代工业生产技术理解甚少,难以实现校企真正深入融合。

1.3 工程创新欠缺实践

“双创”背景下,各高校普遍设立了大学生创新活动中心、创客空间、创新实验室等创新基地,组建了创新社团,但学生创新能力培养往往没有真正落到实处,思维创新能力、动手实践创新能力培养不足,如学生参加的大学生创新创业训练计划项目、各类创新竞赛项目,内容往往都是指导教师完成过的科研项目,学生照本宣科,思维受限于教师的思维。另外,一些实物、模型的制造加工,常常由实习工厂师傅完成,普通的智能制造加工设备操作方法学生没有机会亲自动手实践,创新实践能力没有得到真正提高。

2 智能制造人才培养路径

2.1 构建智能制造的人才培养课程体系

智能制造人才涉及到多个行业,不仅有产品设计、加工制造、生产管理行业,还涉及物流运输、销售服务、互联网行业等。面向智能制造培养的人才要求其具有较好的创新思维和创新能力,因此对于高校各相关专业人才培养,应考虑重构培养方案及课程体系,与智能制造国家发展大方向及时代所需相吻合。

调研东北地区,特别是黑龙江垦区农机制造企业对智能制造人才的需求,重新梳理各学科课程的内在联系,打破学科壁垒,统筹分析知识支撑与工程能力递进关系,创新新兴课程。以制造为主体,以人工智能、控制系统为支撑,构建“学科基础课程+核心课程+智能化模块课程”的课程体系。不同专业如机械制造及其自动化、交通工程、材料科学与工程、农业机械化及其自动化等专业均可用此课程体系模式。根据工程认证理念,各专业分析确定好本专业毕业生的能力要求,制定相应的培养目标,确定相应的目标达成课程。学科基础和核心课程变化较小,容易设置,重点是各专业根据自己的专业特点和毕业需求设置智能化模块课程。如农业机械化及其自动化专业可设置智能农机装备、农业机器人、农机智能检测技术等模块课程,材料科学与工程专业可设置智能材料学、材料智能成型、智能焊接技术等模块课程。

2.2 强化校企合作深度及广度

2.2.1 共建智能制造创新实践基地

实践是工程的本质,实践是创新的基础[6],对于创新人才的培养更离不开实践。因此实践基地、创新中心的建设尤其重要。对于地方农业院校,实践教学的投入是有限的,为满足教学需要,加强产教融合,与相关企业共建智能制造创新实践基地非常必要。学校对于实践基地的建设,采取“立足校内、拓宽校外”的指导方针,可有效缓解建设经费紧缺的问题。

通过多年积累沉淀,开拓与企业合作的深度和广度,共建校内智能制造创新基地。黑龙江八一农垦大学工程学院通过产学合作协同育人项目、中西部高校建设项目、重点领域校企合作项目等建设了校内智能制造实训中心、农机综合培训基地。智能制造实训中心包括与嘉兴鹰华智能科技有限公司合作建立的激光加工实验室、与沈阳机床股份有限公司合作建立的智能制造实验室、与哈工海渡工业机器人有限公司合作建立的机器人创新实验室、与大庆多维时空科技有限公司建立的增材创新制造实验室等。农机综合培训基地包括与爱科(中国)投资有限公司联合创建的农机智能装备实验室,与北大荒农垦集团尖山农场、浓江农场等有限公司创建的协同创新联合实验室。校内实训基地的建设由学校规划场地,合作企业进行设备建设及技术培训,实现产教融合、多学科能力培养。以学校为主体的实训基地建设,充分发挥了高校强大的科研实力和师资队伍优势,办学硬件条件实现提升。

为最大程度与真实生产场景吻合,认识实习、专业实习、毕业实习等实践教学环节选择在生产企业进行,为此建立了众多校外实践教学基地。如与北大荒集团建三江、红兴隆、宝泉岭等6个分公司开展垦校合作,建立了寒地水稻产业技术研究院、产业融合发展创新研究院及大学生实习实践基地,在农机作业自动导航、农机作业全程智能化、无人农场等方面为学生提供全方位智慧绿色农业体验。

2.2.2 共建“3+1”校企合作育人模式

智能制造相关技术作为新兴技术,发展更新较快。学校的实践教学环境很难与企业真实的生产环境完全契合,学生缺少企业真实项目实操机会。这会导致人才知识能力的培养与企业真实需求存在差距,就业优势不明显。针对学校人才培养重理论教学轻实践操作、重学校学习轻社会企业教育的现象,与企业探讨合作育人新模式。黑龙江八一农垦大学工程学院在与佳木斯电机股份有限公司、上海埃维汽车技术股份有限公司、北京尚观科技有限公司、甲骨文(哈尔滨)实训基地等企业在多年合作的基础上,探索求新,形成“3+1”校企合作开放办学培养模式,企业由单纯的用人单位晋升为联合培养单位。“3+1”联合培养模式,就是企业提出知识所需,学校和企业共同制定培养目标、培养方案,协商课程设置,共同实施培养过程。学生在学校完成前3个学年的理论课程学习,大四学年在企业内进行课程学习及实践。企业内所学相关课程可与校内设置课程进行学分置换,毕业设计等任务可在企业第二导师的指导下,完成与企业生产相关联的课题,学生毕业后可直接进入企业工作。该培养方式,学生在学习期间就有了工作意向,企业节省了新员工岗位培训的时间和资金,学校省去了实践教学资源的投入,就业率也得到提高,实现了办学质量、就业率双提升,达到了校、企、生三方共赢。

“3+1” 协调育人模式,使学生能够在第一时间触摸到企业的发展脉搏,通过在企业实践学习锻炼,将企业的生产经验与学校课堂理论教学知识更好地结合,为以后就业打下坚实基础。黑龙江八一农垦大学从2016年开始实施“3+1”培养模式,经过多年实践,现已在农业机械化及其自动化、机械设计制造及其自动化、农业电气化等6个专业形成了成熟的培养方案,培养受益学生达到400余人。

2.2.3 强化双师型师资队伍建设

新形势下,高校教师的能力、素质跟不上智能制造技术人才培养的需求,成为制约人才培养发展的瓶颈。为提高教师队伍的综合业务素质,特别是提高青年骨干教师的实践能力,学校根据各学科、专业建设的定位需求,制定了教师队伍整体发展规划,采取外引内培方式,加强双师型教师队伍建设。

外引方面,通过柔性方式引进企业有丰富实践经验的工程师或高级技师为专业兼职教师,其明确行业所需,可将行业发展状态、前沿科技动态引入教学过程,学生深刻领会企业是如何生产,企业需求什么,自身哪些方面知识需加深、加强,从而激发学习兴趣,培养分析问题、解决问题的能力;对于内培方面,教师智能制造方面的理论已经比较夯实,但书本知识和现实环境有一定的差距,缺少企业实践,不能做到活学活用,学生在学习中遇到的问题不一定能得到解决。学校与机械制造企业、科研院所、北大荒集团所属农场协调合作,建立师资培养基地,开设骨干教师培训班,参加社会实践锻炼。以青年教师为培训重点,每年开设培训班2期,培训时间3个月。企业为培训学员制定训期实践计划和方案,通过学习实践,使青年教师熟悉行业发展状况,提升教师队伍自身素质和实践能力。

2.3 构建实践创新体系

创新是制造业发展的灵魂[3],人才培养重点是培养工程创新实践能力。以“工程实践创新能力培养”为主线,从“工程基础实践”“工程专业实践”“综合创新实践”三个层次,构建“基础实验、智造方向、科技创新、企业实训”四个平台,形成“三位一体”实践创新培养体系,如图1所示。该体系强调知识的连续性、衔接性和融会贯通,并深化与企业协同,加强情景化学习,使理论与实践最大程度地交叉融合,培养学生的创新实践能力和职业素养。

工程基础实践层次中,通过设置的专业认知训练、工程训练等课程,使学生了解本专业涉及的学科领域,了解生产安全规范、职业守则,掌握工程基本操作技能,为后续层次的创新打下实操基础。通过机械制造技术基础、机械设计等专业基础课程实验及课程综合设计,了解机械部件的设计原理、用途功能、实现的方法途径,通过后期的结构设计、加工装配,建立起较完整的产品制造流程,锻炼学生分析问题、解决问题的能力,培养学生基本实践能力;工程专业实践层次中,通过设置的工业机器人、智能制造系统、虚拟仿真等实训课程,使学生了解智能制造涉及的基本技术。通过创新设计与加工综合实验课程,学生在计算机上进行二维、三维产品创新设计,采用激光切割、数控加工、3D打印等方法完成零件加工,然后装配成产品。通过该实验课,可将机械制图、工程材料、机械设计、机械制造技术基础、智能制造与数控技术等多门课程知识有机结合,初步培养了学生的综合实践能力;综合创新能力实践层次中,可以通过学科竞赛、大学生创新训练计划项目、教师科研项目或企业实训项目来培养学生综合创新能力。在学校内,以科技社团为依托,以学科竞赛、大创项目为抓手,以评优评先、学分置换等政策为激励,鼓励绝大多数学生参与其中,培养学生团队精神和创新能力。学校外,通过科研反哺教学手段,鼓励学生积极参加教师科研团队,以科研案例为载体,培养学生科研意识、科技水平。通过校企合作计划,使学生参与到制造企业实际生产实践活动,通过企业真实案例,完成产品开发设计,实现产教融合,培养学生解决工程实际问题的能力,激发创业热情。

3 结语

在新工科背景下,工程技术人才创新能力的培养是高校专业升级改造中重要的目标。针对国家“智能制造”发展战略对创新人才的需求,分析了智能制造人才培养过程中存在的问题,构建了人才培养课程体系、实践创新能力培养体系,拓展了校企合作的深度及广度,打造了校内、校外智能制造实践基地,实现了产学研协同育人,为培养具备专业理论、实践能力、创新精神、人文素养和家国情怀的创新型智能制造人才提供有益的参考。