面向新工科的工業4.0實驗基地課程體系與平臺構建

劉 洋, 謝勝利, 杜玉曉, 蔡述庭, 王永華

(廣東工業大學 自動化學院, 廣東 廣州 510006)

為了主動應對新一輪科技革命與產業變革,支撐產業轉型升級、創新驅動發展、“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等一系列國家戰略,2017年2月以來,教育部積極推進新工科建設,先后在復旦大學、天津大學和北京召開了關于高等工程教育和新工科建設的研討會,形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1]。此后,教育部又發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》,對新工科建設進行全面部署和安排,要求進一步深化工程教育改革,培養德學兼修、德才兼備的高素質工程人才,探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗,實現我國從工程教育大國走向工程教育強國。

針對新工科建設重大研究課題,很多專家學者從不同角度開展了研究與探索[2-9]。本文借鑒諸多專家學者的經驗,基于我校工業4.0智能制造實驗基地,面向新工科的自動化專業建設,開展綜合性實驗教學課程體系與平臺構建的探索,為自動化、電子信息相關專業的新工科建設和創新型人才培養提供新方案。

1 實驗基地平臺構建

2013年4月,德國提出實施“工業4.0”戰略,2015年5月,中國政府發布了《中國制造2025》, 提出實現制造大國向制造強國的轉變,培養新型制造業人才[10-11]。近2年來,許多高校為了適應新的工業革命帶來的變化,著手建立工業4.0實驗室或智能制造實訓基地[12-13]。

作為廣東省高水平大學重點建設高校之一,廣東工業大學肩負著為廣東現代化建設培養人才的重任,與廣東崛起共成長,為廣東發展作貢獻。自動化學院以“雙一流”建設和廣東省高水平大學建設為契機,以實施“卓越工程師教育培養計劃2.0版”為抓手,以自動化專業工程教育專業認證為切入點,在新工科建設的背景下,大力推進工程教育改革,不斷深化人才培養模式改革,進一步加強學科建設,搭建專業平臺,強化人才培養。由院長領銜,帶領1名長江學者、2名國家杰青和3名國家千人,秉承“培養德智體全面發展,具有寬厚、復合、創新特征的工程應用型創新人才”的宗旨,依托現有的國家級實驗教學示范中心、國家級工程實踐教育中心和廣東省復雜過程信息物理融合系統重點實驗室,籌措資金2 000余萬元,引進先進的汽車智能制造生產線,與西門子(中國)有限公司開展合作,組建了廣東工業大學—西門子工業4.0智能制造實驗基地。

汽車制造行業對自動化技術要求高,產業結構復雜,集機械、電氣、液壓、氣壓、工藝、過程控制、產品管理、物流、倉儲等多方面于一體,大量應用工業機器人,生產流程復雜,成品款式多、規模大、可定制化生產。因此,汽車制造是最為典型的智能制造行業,需要大量自動化專業人才。

基地全真模仿實際汽車智能制造工藝流程,由沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間、物料倉儲上料單元、裝配加工檢測單元、成品倉儲入庫運輸單元等組成?；氐娜S布局如圖1所示。該汽車智能制造系統包括6臺工業機器人、2臺西門子PLC、4臺變頻器、總控臺、監控系統、自動傳輸帶、RFID、工業交換機、無線網絡交換機、FMS管理軟件、3D打印機等。平臺采用西門子智能工廠架構,分為現場層、控制層、操作層、管理層、企業層。它利用先進的控制策略和服務軟件,將硬件進行集成,構建了先進的柔性制造系統,實現了人、產品、設備之間的智能通信與協同工作。

圖1 工業4.0智能制造實驗基地三維布局圖

根據自動化專業新工科建設的要求和實驗教學的需要,將工業4.0智能制造基地分為數字化工廠實驗室、基礎應用實驗室和綜合應用實驗室,分別開展不同內容的實驗教學,如圖2所示。其中,西門子集成自動化中心作為基礎應用體系之一,功能強大、內容豐富,它為培養自動化專業綜合型、創新型人才提供了良好的平臺。

圖2 工業4.0智能制造實驗基地組成

2 實驗基地教學新模式

深入貫徹工程教育專業認證“以學生為中心的教育理念、成果導向的教育取向、持續改進的質量文化”,必須革新實驗與實踐教學模式[14]。傳統實驗教學大多是理論驗證和簡單設計,讓學生加深對基本原理的理解并掌握基本專業技能[15],強調以課本知識為中心,局限性大,缺乏綜合性和系統性。因此,按照新工科建設和智能制造對人才素質和能力的要求,結合自動化專業教學實際,提出了一種新型實驗教學模式,見表1。

新型實驗教學模式采用導師制,以項目為驅動開展綜合實驗,探索個性化人才培養模式。導師鼓勵學生根據興趣和職業規劃,自由選擇實驗項目內容,給學生個性化發展提供更加廣闊的空間,突出實踐能力、專業能力和創新素質的培養,依據學習過程和結果進行綜合成績評定[12]。這樣,教學就從教課本知識轉變為教學習方法,培養學生自學的能力,從單功能、單個實驗轉變為模塊化、系統化的綜合性設計與應用,注重學生學習能力和創新能力的可持續發展。依托工業4.0汽車智能制造實驗基地,培養學生互聯網思維和大數據意識,樹立創新型、綜合化、全周期工程教育“新理念”[5],從培養工程科技創新和產業創新人才的角度出發,啟迪學生注重用戶參與、關注用戶體驗、追求完美的工匠精神,實現生產型制造向服務型制造的巨大轉變。

表1 兩種實驗教學模式對比

為了保證實驗基地具有一流的教學師資力量,學院不斷加強教師隊伍建設。由長江學者、國家杰青、國家千人、珠江學者、教授和中青年教師共同協作,通過“海外專家傳幫帶,國內骨干學趕超,行業龍頭助轉化”的方式,實施人才“引進、共享、培養”的策略,每年選派至少2名骨干教師到國內外知名高校訪學,啟動青年教師素質提升工程,讓青年教師到知名高校助課、助研、學歷提升或者進企業鍛煉,來提高教學和科研能力。同時,每年至少聘任2名知名企業技術骨干擔任基地兼職教師。另外,實驗基地設置了門禁和電腦刷卡開機系統,利用先進的實驗教學管理軟件,對學生的學習過程進行監控。實驗基地采用開放式管理,24 h安防視頻監控,既保證實驗室安全,又提高實驗室資源利用率[15]。

3 實驗基地課程新體系

面向新工科的自動化專業建設,必須充分利用現有師資和教學設備,依托工業4.0智能制造基地,創新實驗教學新理念,以現代工業實際應用必需的知識和技能為中心,以解決實際工程應用問題為導向,以培養創新能力和工程能力為目標,全面革新實驗實踐課程體系,培養具有一定科學素養和較強工程技能的專業性綜合性人才。

根據自動化專業人才培養的要求和創新型人才培養目標,以工業4.0智能制造體系架構為主線,基于汽車智能制造工藝和設備,全新開發了4個不同層次的“自動化綜合課程設計”實踐課程,見圖3。課程包含專業基礎課、專業課、專業選修課等理論課程對應的實驗教學內容,從第1層次到第4層次,從基礎到提高,從建模仿真到實際系統,從硬件軟件分析設計到控制系統調試運行,從分散性實驗到綜合性設計,既著重基礎知識,又強調能力培養,既有傳統的自動化專業實驗,又融合機器人和人工智能技術實驗,突出互聯網思維和大數據意識的培養,幾乎涵蓋了自動化專業所有教學內容和相關工程技術,構成了完整的綜合實驗課程體系。學生在學習理論課程的同時開展實驗設計,理論為實驗提供基礎,實驗又讓學生加深對理論知識的理解,兩者相互促進,相得益彰。通過課程設計實現了“知識—能力—素質”3個層次的轉化和提升,完成了“基礎—綜合—創新”3個層次的培養,構建了理論實踐相結合、卓越工程師教育與創新能力培養相結合的多層次一體化實驗實踐教學體系[16]。

圖3 汽車智能制造西門子實驗平臺架構與課程體系

4 實驗基地教學新內容

與自動化專業傳統實驗教學的內容完全不同,基于工業4.0智能制造實驗基地新的課程設計包括建模仿真、專業基礎、子系統設計和復雜系統設計等4個層次,具體學時安排如表2所示。每個層次的實驗課程包含多個實驗小項目。以項目為驅動來開展實驗教學,有利于培養學生的工程實踐能力,有利于培養高層次、高素質、多樣化的創新創業型人才[17-18]。

表2 綜合課程設計的學時安排

“自動化綜合課程設計Ⅰ”通過系統建模與仿真的系列訓練,著重培養學生系統仿真與建模的能力,并了解智能制造的發展現狀與體系框架?！白詣踊C合課程設計Ⅱ”通過自動化專業基礎技術系列訓練,著重培養學生分析和解決簡單工程問題的能力,能熟悉和應用西門子全自動化系列產品及元器件,并了解機器人的相關技術?！白詣踊C合課程設計Ⅲ”通過項目團隊合作的模式,完成倉儲、上料、沖壓、焊裝、涂裝、總裝等各子系統的設計與調試,培養學生解決復雜工程問題的能力,熟練掌握硬件設計和軟件編程?！白詣踊C合課程設計Ⅳ”通過將智能制造各子系統進行聯調,完成整個生產線的建模、規劃、設計和調試,進一步培養學生解決復雜工程問題的能力和項目管理的基本能力,并提高學生對工程、社會和可持續發展的認識。

總之,綜合課程設計共涉及到21門課程和22個實驗,由淺入深,循序漸進,各個模塊既相互獨立又相互關聯、全面統一,構成了工業4.0實驗基地教學新內容,形成了自動化專業實踐課程的新體系,開辟了智能制造及新工科人才培養的新途徑。

5 結語

工業4.0實驗基地建設3年來,綜合性實驗教學新模式和工程教育改革取得了很好的效果。一方面,學生做實驗更積極、更主動、能獨立思考并解決問題,在一批國內外大學生創新競賽中均取得佳績。學生的創新創業積極性被激發,創新創業能力提升,為就業和創業打下了良好基礎。另一方面,我校組建工業4.0汽車智能制造實驗基地,開展自動化專業工程教育改革和創新,在全國工程教育專業認證和教育部本科教學工作審核評估過程中得到專家的一致好評。在教育部公布的全國第四輪學科評估中,控制科學與工程學科被評為A-,自動化專業2018年全國排名第16名。利用工業4.0實驗基地開展新工科建設,為自動化專業人才培養提供了有效的新途徑。