陈龙 朱可恒 景璐璐 钱炜
【摘 要】针对智能制造的发展趋势以及国际工程认证背景下，需要研究在现有机械工程学科课程基础上设置智能制造的课程群。 首先探讨课程群设置基本原理，然后从智能制造技术和工程认证两个方面探讨智能制造课程群的具体设置方法。 最后以某智能制造研究所科研与教学协调发展作为实例进行论述。
【关键词】智能制造；工程认证；课程设置；课程体系；课程群
中图分类号： G642.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0120-003
Design of Intelligent Manufacturing Curriculum Group Oriented to Engineering Accreditation
CHEN Long ZHU Ke-heng JING Lu-lu QIAN Wei
（College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
【Abstract】In view of the development trend of intelligent manufacturing and the background of international engineering accreditation，it is necessary to study the set of intelligent manufacturing curriculum group on the basis of existing mechanical engineering courses.First of all， this paper discusses the basic principle of the curriculum group setting，and then discusses the specific setting method of the intelligent manufacturing curriculum group from the aspects of intelligent manufacturing technology and engineering accreditation.Finally，this article takes an intelligent manufacturing institute research and teaching coordinated development as an example to discuss.
【Key words】Intelligent manufacturing；Engineering accreditation；Curriculum provision；Curriculum provision system； Curriculum group
0 引言
工業发展因为3C技术（计算机技术、通信技术、控制技术）产生翻天覆地的影响。新技术在制造系统中的应用不断涌现与深化，这是技术进步与社会发展深度融合的必然趋势。世界各国也根据自身国情提出了各自的发展理念。德国提出工业4.0的概念，该概念源于2011年德国汉诺威工业博览会，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等学术界和产业界的大力推动下，该概念引领了全球新一轮工业革命的热潮。与此对应，美国则提出“工业互联网”的概念，该概念最早由通用电气于2012年提出，随后美国五家行业龙头企业联手组建了工业互联网联盟（IIC），将这一概念大力推广开来。除了通用电气这样的制造业巨头，加入该联盟的还有IBM、思科、英特尔和AT&T等IT企业。
中国制造已经形成门类齐全、独立完整的制造体系，已具备建设制造强国的基础条件。为追赶世界潮流，2015年3月，国务院总理李克强在《政府工作报告》中提出：制造业是中国的优势产业，要实施“中国制造2025”战略，加快从制造大国向制造强国转变，推动传统产业技术改造，促进工业化和信息化深度融合。此后，全社会在该战略的指引下，以智能制造的概念引领中国自己的“工业4.0”。中国智能制造战略将引导中国制造向中国创造转变，中国速度向中国质量转变，中国产品向中国品牌转变，可以完成制造大国向制造强国的跨越。
工程教育专业认证是我国高等教育改革与发展的必然要求，旨在实现学生、培养目标、毕业要求、持续改进、课程体系、师资队伍和支持条件等几个方面与国际标准紧密对接，提高工程人才培养质量，推动教育国际化，增强工程教育竞争力[1]。通过工程教育认证的专业毕业生可以在相关国家或地区取得工程师执业资格，这为工程类学生走向世界提供了通行证。工程教育专业认证对尽快提升我国工程教育水平和职业工程师能力水平， 提高我国工程制造业总体实力和国际竞争力具有重要意义。
在智能制造和国际工程认证双重要求下，如何进行智能制造课程群的设置，是一个新的问题[2-6]。由于智能制造的学科领域跨度大，而原来从事制造领域的老师对3C技术比较生疏，而直接从事3C技术的老师对制造领域的事情又不是很熟悉的情况下，如何打通学科局限，研究智能制造课程体系的设立，为培养跨学科人才提供培养课程体系，是我们急需要解决的问题。
以智能制造和课程为关键词，从知网上搜索也得知，目前同时面向智能制造领域和工程认证领域的教学研究论文也较少，这说明在新形式下智能课程群如何设置是一个崭新的需要研究的课题，大家都在摸索中前进。可以预计，面向工程认证的智能制造课程体系研究将为探索新形式下智能制造和机械工程的专业课程建设与改革提供先机。
1 课程群概念及设置基本原理endprint
自从1990年提出“課群”的概念后，其内涵界定也是有较多的版本。一般认为，课程群是以现代教育思想和理论为指导，对教学计划中具有相互影响、密切联系、互动有序的相关课程进行重新规划设计和整合构建的课程集合。它一般从属于某一学科群，由多门课程组成，课程内有较多模块化的知识点，课程群内各课程之间能较好地体现出有机渗透性和整合性。机械制造课程群，从属于工学学科群（08），在这个学科群里有21 个二级学科，各专业或多或少都会有相互交叉和融合的情况[7][10]。
与强调单门课程质量不同，课程群建设立足“大课程”的布局，突破按学科组织课程的传统方式，使课程内容有机衔接、科学融合。其主要目的在于整合主题相通、内容相近的相关课程，由追求单门课程内容严密完整性转为课程群内部各门课程的衔接、完善，使课程之间相互贯通，相互补充，站在更高的起点上进行课程建设。因此课程群建设需要打破学科之间、教研部门之间的壁垒，有助于将相关课程教师集中起来，围绕共同的教学目标和教学任务组成团队，提供了良好的教学科研交流平台。在这个平台上，不同专业、学科背景的教师各自发挥优势，合作研究教学问题，实现资源共享，创新教学内容，改进教学方式方法，不断推进课程教学改革与发展。
在整合传统的机械制造课程群课程内部知识点基础上，如何体现智能制造技术对课程的新要求，就是智能制造课程群构建的核心所在。传统的机械专业和课程设置中，产品的设计、制造和控制是分开的。新型的生产模式，特别是工业4.0 以后需要设计、制造和控制一体化，不应该拆分独立，这样智能制造课程群就是一个大的集成群。构建智能制造的课程群，首先需明确智能制造课程群的知识需求点，同时需要完成该课程群内各课程的模块化建设。完成该课程群建设，能高效地为各工科专业服务，帮助学习者了解相关工程设备的设计与控制原理、制造与维护过程。
2 智能制造对课程体系设置的要求
智能制造主要强调信息和网络技术和制造技术的融合，并通过互联网和物联网的平台实现设备互联与信息共享，其核心技术是自动化、信息化、网络化与智能化，这不仅依赖于独特的自动化技术，同时也与其它的技术如检测技术、电力电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术等密切相关[8]。
传统制造与智能制造的区别在于：传统制造以单纯提高精度或速度为指标，智能化、全流程优化程度比较低，因高能耗和污染排放而环境友好程度不高；智能制造则是整个生产制造活动中智能贯穿始终，人机智能交互、机机智能交互有机融合，生产各环节借助网络高度集成融合起来，且实现由单环节的优化向全流程优化转变。因此根据智能制造的技术要求，列出表1所示的智能制造所涉及的课程。
由表1智能制造对其核心支撑技术要求来看，很多课程都远远超出了传统机械课程群所要求的范围，因此如何突破现有专业设置，打破传统专业队课程配置的要求，真正实现按照课程群的设置原理来进行课程配置改革，将会极大改进目前专业设置的局限。
3 工程认证对智能制造课程体系的要求
若根据工程教育认证标准制定该课程的教学大纲，那么教师必须认真考虑以下几个问题：1）该课程可以支撑哪些毕业要求？2）可以实现学生的哪些能力目标？3）要实现这些目标，需要讲授哪些内容？4）需要采用什么教学方式？5）如何考核学生是否实现了这些能力目标？只有将这些问题考虑清楚，教师才能制定明确的课程目标、设计合理的教学环节、建立有效的能力达成度评价机制。针对工程认证的要求，提出以下三点举措来实现。
提升信息化网络化课程内容，夯实基础性
传统的机械专业课程设置中，主要注重数控系统和机电一体化系统实现的高度自动化的特征，而对信息化方面的课程主要是通过计算机辅助设计相关课程来达到要求，网络化方面的课程则非常少，即便提到也是机电控制方面的课程提到通讯协议。工业4.0时代具有高度自动化、高度信息化及高度网络化三个特征。一般来说，自动化是工业2.0时代的特征，信息化是工业3.0时代的特征，在工业4.0时代，自动化和信息化将继续深入发展，形成高度自动化和高度信息化，同时工业4.0时代还将由于各种设备和系统实现了联网，从而具有高度网络化的特征，这是工业4.0时代独有的技术特征。因此智能制造要加强信息化和网络化课程方面的建设。当然，由于课时的限制，不能全面引入计算机和通信专业的课程，要根据智能制造专业的特色，适当引入相关内容。
表1 智能制造课程层次表
搭建智能制造平台，增强可视性
利用虚拟现实技术、增强现实技术和混合现实技术构建仿真实训智能制造平台[9]。该平台作为理论教学与实物实训之间过渡的桥梁，构建“理、虚、实一体化”的新一代教学与实训体系。虚拟仿真实验中心使得学生在校期间即可通过虚拟仿真手段了解和掌握制造现场的工艺流程和工作内容。这种教学模式培养的制造业一线人才，不再是简单的操作工，而是主要产品的设计者和智能生产系统的管理者，拥有极高的分析问题、解决问题的能力。同时利用移动智能平台，将传统课堂上讲授的普通知识点，以课余在线方式完成学习、交流、考核，教师由知识的“传授者”转变为学习活动的组织者、管理者。而课堂教学则从传统的知识点陈述，转向 “难点释疑、启发交流、实作实训、巩固拓展”的新型教学法，从而实现翻转课堂的“落地”。
大力发展校企合作，提高实践性
智能制造对传统的机械专业教师和学生提出了更高的要求。通过校企合作，使得教师和学生有更多的机会走进企业、走进生产现场一线，能有更多的机会向一线工人和专家请教和探讨技术问题。同时，智能制造环境下，系统会变得更为智能和复杂，需要更高的科技水平的优秀人才，需要更多拥有各领域背景知识的人才通力合作，走进企业能够打破高校的以传统学科为分割的教学和科研单位。正如上海以“以示范带动应用，以应用带动集成，以集成带动装备”的智能制造推进思路，抓典型行业应用示范引领行业发展，抓系统集成能力提升，抓关键技术装备突破。而这几条抓手之中，都是以行业、企业为牵头，高校作为配套关键技术来实现的，因此只有大力发展校企合作，通过行业和企业的引领，集成高校能够转化的关键技术，才能整合产学研的真正效力。endprint
4 智能制造科研引领教学发展及教学实践
由于智能制造技术涉及面非常广泛，因此如何通过基础技术的研究引领智能制造课程的教学，确定了以下教学和研究思路。
面向社会服务，企业需求拉动技术发展。研究为智能产品、智能设计、智能机床、智能生产、智能车间、智能物流、智能工厂、智慧生产的形成提供核心支撑技术。智能制造技术研究所要紧密围绕智能制造的主题，以智能机床、智能机器人为载体，研究产品智能计算设计、机器视觉与人工智能技术、智能产品设计等核心技术。并借助工业互联网思维，探索产品全生命周期过程的工业大数据智能获取与处理，智能故障诊断与远程运维，形成智能产品的设计、制造、工艺、装配、销售与售后服务全流程智能化技术体系。
跟踪学术前沿，学科交叉驱动理论创新。智能制造技术是由于3C技术和传统制造业相结合的产物。因此多学科交叉是其特色，也是其生存发展之道。探索机床、机器人、三维打印机等制造母机本身存在的性能改进与提高问题，探索母机环境自感知与自运算、自决策等智能活动，网络环境下母机智能协同工作等问题。研究智能产品智能设计共性与关键技术及其在大数据下的数据驱动设计，在智能产品环境自感知平台下的产品智能演进等问题，在互联网和物联网双重支撑下，产品全寿命周期的数据与环节智能管理等问题。
各级项目申报，整合资源带动实体发展。由于中国目前企业发展参差不齐，和发达国家直接在3.0基础上进入工业4.0，而我国目前还要在2.0和3.0上补课的现实，目前工业4.0的热度主要在政学两届、在企业并不热心的情况下，需要积极整合资源，形成示范效应，才能真正在工业4.0上有所作为。拟争取国家级项目申报，推进基础研究研究与技术中介机构实体相结合的实施方案，推进产学研融合。紧密依托学校协同创新研究院和上海理工大学苏州精密制造研究院，并在上海发展多家直接从事智能制造技术相关的合作企业，协同推进智能制造技术的研发、应用与企业结合，聚焦特色技术，打造技术核心，形成技术示范。
在以上研究方向的引领下，学院开设了《工业4.0技术导论》的课程，且该课程已经完成了三个学期的讲授。该课程首先在卓越班开设，小范围摸索课程的讲授形式与考核方式，然后大规模向机械学院全面铺开。教材采取电子教材，实现教师和学生形成课程共同体，课件共同制作，课程素材全体均可添加，且素材可以为文本、视频、动画、音频、PPT等各种多媒体素材，知识内容非常丰富。课程考试采取授课教师指定范围，然后给出题目库，由2至3人形成一个小组，小组成员共同完成一个给定题目的PPT制作，同时每人还需完成一个与自己完成的课件内容相关的小论文。在打分时，PPT分数作为小组成员基准分，然后根据每人所完成小论文实现分数微调。课后经过调研，机械专业学术在经过该课程的学习后，专业知识面得到大大拓展，基本了解了智能制造的背景及愿景、智能制造技术体系，且较深入了解了与智能制造相关的智能产品、智能设计、智能车间、智能生产、智慧工厂、智能物流、智能检测等各支撑技术的基本原理与实现方法。
后续课程可以围绕工业4.0技术的支撑技术继续展开相关课程的设置，以期在工业认证的成果导向方针指引下，通过智能制造相关技术的学习重新整合机械专业各门课程的设置。
5 总结
本文在工程认证和智能制造两大背景下，论述了如何进行智能制造的课程体系设置的基本原理和实践。通过课程群概念的探讨，提出了智能制造课程体系设置的基本原理。然后在两个方面展开具体论述，即在智能制造背景下如何进行智能制造课程体系設置，和面向工程认证时智能制造体系如何进行优化设计。最后以某教学单位为实例，对智能制造课程体系的开设进行了案例探讨。实践证明，智能制造将极大的改变传统机械专业课程设置，为智能制造相关专业的开设提出了一个参考方向。
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[10]梅伶.“中国制造2025”背景下机械制造课程群建设[J]. 科技视界，2016年第13期，73-74.endprint
