王志強, 倪 敬

(杭州電子科技大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310018)

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基于工業(yè)4.0管理的機械類課程實踐教學改革

王志強, 倪 敬

(杭州電子科技大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310018)

分別從教學理念、教學體系、教學內(nèi)容、教學方法和教學平臺等方面進行改革，構(gòu)建了一個適合機械類專業(yè)培養(yǎng)目標要求,以現(xiàn)代制造業(yè)的“信息、智能”為特征、以機電管控等多學科綜合訓練為特色、以工業(yè)4.0技術(shù)為紐帶的實驗教學體系。該體系以國家對工程人才需求為導向,能充分調(diào)動學生對課程學習的積極性和主動性,有利于學生工程實踐能力的培養(yǎng),提高學生的自主創(chuàng)新能力,為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

工業(yè)4.0； 項目與競賽驅(qū)動； 多學科綜合訓練； 校企聯(lián)合培養(yǎng)

為了提高學生的學習興趣,增強課堂的教學效果,促進學生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展,許多教育學者對于課程教學模式進行了一系列的改革與探索[1-4]。這些教學改革均取得了不錯的實踐效果,但在“工業(yè)4.0”[5-6]、“智能制造”[7-8]及“互聯(lián)網(wǎng)+”[9-10]迅猛發(fā)展的形勢下,這些教學理念已經(jīng)很難為國家培養(yǎng)出具有兩化特色、能駕馭未來智能制造技術(shù)發(fā)展方向的復合型人才。本文基于工業(yè)4.0管理、項目與競賽驅(qū)動及校企聯(lián)合培養(yǎng)的教學理念，是基于工業(yè)4.0的智能制造技術(shù)發(fā)展方向、圍繞多個完整的競賽及實踐項目、緊密結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)，并聯(lián)合地方企業(yè)而開展的全面工程教育理念,綜合了當前傳統(tǒng)教育、任務(wù)驅(qū)動教學[11-13]和案例教學的特點,將學生的學習興趣、探索解決問題的能力和團隊合作精神的培養(yǎng)融入實踐課程中,讓學生以設(shè)計實踐為導向,積極地進行學習、自主地進行知識的建構(gòu)。

1 以學生為主體的全面工程教學理念

為了培養(yǎng)具有兩化融合特色的能駕馭未來智能制造發(fā)展方向的國家需求工程人才,提出以工業(yè)4.0全周期管理、項目與競賽驅(qū)動、校企聯(lián)合培養(yǎng)的知識、能力、素質(zhì)綜合發(fā)展的全面工程教學理念。

1.1 構(gòu)建工業(yè)4.0的智能制造綜合實驗平臺

充分利用學院已有的省級示范中心及重點實驗室，與西門子合作打造先進的基于工業(yè)4.0的智能制造平臺,并引入工廠實際產(chǎn)品,從產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造和物流服務(wù)等多個方面,建立接近或真實的智能工廠實訓系統(tǒng)。

在產(chǎn)品初期設(shè)計階段引入NX系統(tǒng)、SW系統(tǒng)等三維設(shè)計工具,在工藝設(shè)計階段引入工藝優(yōu)化仿真系統(tǒng)、數(shù)控編程系統(tǒng),對產(chǎn)品進行進一步設(shè)計。在生產(chǎn)制造及物流服務(wù)方面利用大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、三維打印技術(shù)等對產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)化控制及制造,同時利用制造執(zhí)行系統(tǒng)SIMATIC IT和全集成自動化解決方案(TIA),實現(xiàn)信息無縫互聯(lián),建立基于工業(yè)4.0的智能制造實驗系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 基于工業(yè)4.0的智能制造實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)建成后可以讓學生在實驗—實訓—實習—實踐的過程中,得到產(chǎn)品從無到有全過程的系統(tǒng)和深入的訓練,提高學生解決問題的能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

1.2 以項目為導向,提高學生的工程實踐能力

我省開展的“新苗計劃”以及我院開展的本科生導師制,可以充分地讓學生參與到科研項目中。這些項目在實施過程中,教師可以分階段對學生進行教育指導。在構(gòu)思階段鼓勵學生自由發(fā)揮,以學生為主體,對構(gòu)思新穎的組給予鼓勵和表揚；在設(shè)計階段對學生進行指導,盡量使學生了解各種設(shè)計模型的利弊；在實現(xiàn)階段要有階段性檢查,鼓勵學生做好項目規(guī)劃,避免盲從。同時,每個項目都需要小組內(nèi)成員的通力合作才能完成,這就需要在小組人際關(guān)系和諧的基礎(chǔ)上,做好組織、分工、配合等各方面的工作,培養(yǎng)了學生在團體中找準定位、發(fā)揮特長、與人協(xié)作等能力,為以后更好地適應(yīng)工作環(huán)境打好基礎(chǔ)。這些活動也增加了學生之間互相了解、互相交往的機會,培養(yǎng)了學生的人際交往能力,由此形成一個有機整體,逐步提高學生解決問題的能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和社會適應(yīng)能力等。

1.3 以學科競賽為載體,促進學生的創(chuàng)新能力

我院每年都開展各種形式的科技競賽活動,如挑戰(zhàn)杯、機械設(shè)計大賽、數(shù)學建模大賽、“飛思卡爾”智能汽車比賽、“鐵制工藝品制作大賽”“斯特林發(fā)動機制作大賽”“慧魚制作創(chuàng)意大賽”“西子奧的斯杯”等,這些都是學生科技訓練、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的載體,可以充分展示學生的學習研究才能,圖2—圖4分別為學生參加挑戰(zhàn)杯及機械設(shè)計大賽的作品。學生在參加競賽的過程中,需提出作品的設(shè)計方案、制定作品進展的計劃、進行作品的加工制作、對作品進行演示或展示。學生通過這些競賽,在自主設(shè)計、制作及裝配各種機械零件的過程中,想象力得到激發(fā),解決問題的能力得到鍛煉,創(chuàng)新設(shè)計能力、工程實踐能力和團隊協(xié)作能力得到全面的培養(yǎng)。同時,學生通過競賽將其學習興趣、探索解決問題的能力和團隊合作精神的培養(yǎng)融入競賽當中,促進智力因素及非智力因素的發(fā)展。

圖2 可提高帶鋸床工作效率的振動鋸切工作臺

圖3 小型蘋果網(wǎng)套自動包裝機

圖4 樹干刷白自動涂裝機

2 創(chuàng)新型的教學體系與教學內(nèi)容

為了培養(yǎng)能力與素質(zhì)并重,知識、能力、素質(zhì)綜合發(fā)展的復合型工程人才,實施了“工業(yè)4.0全生命周期管理、項目與競賽驅(qū)動、校企聯(lián)合培養(yǎng)”的教學體系及適應(yīng)學生創(chuàng)新與發(fā)展的教學內(nèi)容。

2.1 基于工業(yè)4.0教學平臺的實踐教學

實踐教學是工程人才培養(yǎng)中非常重要的組成部分。實驗教學內(nèi)容由淺入深,包括基礎(chǔ)訓練、專業(yè)訓練、綜合創(chuàng)新自主訓練4個不同階段,針對不同年級、不同專業(yè)學生的需要,不斷拓展和挖掘?qū)嵺`課程的內(nèi)容。其中基礎(chǔ)訓練和專業(yè)訓練可以通過綜合實驗教學平臺來完成,而綜合創(chuàng)新自主訓練則可以借助工業(yè)4.0教學平臺來完成,學生可以自主設(shè)計實驗。通過手機APP應(yīng)用程序進行客戶需求的設(shè)定,進而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理平臺,然后完成設(shè)計、制造、裝配、包裝、物流等環(huán)節(jié)的工作。

在綜合創(chuàng)新自主訓練中,工業(yè)4.0教學平臺實驗設(shè)計的自主性可以極大地激發(fā)學生學習興趣,擺脫傳統(tǒng)實驗教學中說教模式帶來的被動學習弊端。通過實踐教學,可以培養(yǎng)學生的實踐動手能力與創(chuàng)新能力,增強學生實際工作的適應(yīng)能力,從而使學生在畢業(yè)后能更快地適應(yīng)工作崗位。

2.2 基于項目和競賽的實踐教學

在實踐教學體系中增加創(chuàng)新項目和學科競賽環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)在本科培養(yǎng)計劃中有2學分。針對國家對復合型工程應(yīng)用人才的需求,設(shè)置以項目與競賽為驅(qū)動的實踐教學,在競賽和項目完成的過程中要求學生綜合應(yīng)用各科知識和技能解決1個或多個復雜的設(shè)計和操作問題。

以項目和競賽為基礎(chǔ)的實踐教學是把專業(yè)知識與工程實際問題結(jié)合起來,學生通過競賽和項目可以總結(jié)工程實際中所遇到的各類問題。項目與競賽通常以團隊合作方式完成,并以論文、現(xiàn)場操作、PPT答辯和演示等方式展示作品,教師或評委對其進行評定。在項目或競賽的設(shè)計過程中教師能夠?qū)崟r地對學生的操作進行指導,將自己的經(jīng)驗傳授給學生,并糾正錯誤,對知識進行細化講解,加強師生間的交流和溝通。通過以項目與競賽為基礎(chǔ)的實踐教學，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)意設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、團隊協(xié)作能力、成本分析與控制及工程管理等方面的能力。

2.3 實行“3+1”教學模式,培養(yǎng)“卓越工程師”

校企合作培養(yǎng)是實施“卓越計劃”培養(yǎng)方案的重要組成部分。學生在完成以學校為主要教學環(huán)境的工程人才專業(yè)知識、實踐課程及基礎(chǔ)工程能力訓練后,到企業(yè)接受企業(yè)的課程培訓、頂崗實習和工程項目實踐等學習,進而培養(yǎng)學生運用專業(yè)知識分析和解決工程實踐問題的能力,提高學生實際交流的能力、團隊協(xié)作的能力及現(xiàn)場應(yīng)變的能力等,以適應(yīng)國家對工程技術(shù)人才的需求。校企合作培養(yǎng)主要包括企業(yè)課程學習、企業(yè)頂崗實習、生產(chǎn)實習和畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié),圖5及圖6為學生參加培訓及實習的場景。

圖5 企業(yè)培訓課程

圖6 企業(yè)實習課程

3 多樣化教學方法與校企聯(lián)合創(chuàng)新教學平臺

3.1 “啟發(fā)式、項目化、競賽制、多樣化”教學方法

為了提高學生的學習興趣、動手能力及團隊協(xié)作能力,更好地增強學生對專業(yè)知識的理解程度。建立以學生為中心、教師為引導、以項目教學為導向、以學科競賽為載體的多樣化教學方法,在教學過程中為學生提供主動學習和動手實踐的機會和平臺,加強師生教學互動交流。同時充分利用計算機、多媒體、網(wǎng)絡(luò)新媒體、PPT課件等現(xiàn)代化的教學手段，并結(jié)合機電一體化及管控一體化進行多學科的復合交融,突出“智能

制造”和“互聯(lián)網(wǎng)+”新技術(shù)的發(fā)展方向,將基于工業(yè)4.0的教學理念切實落實到國家工程人才培養(yǎng)中。這種多樣化的教學方式,可以克服理論教學和實踐相脫節(jié)的問題,增強教與學的互動性,使教學從原理性向應(yīng)用性、綜合性轉(zhuǎn)變,有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力和動手能力。

3.2 校企聯(lián)合實踐教學平臺

以我院“機電工程綜合”省級示范中心、“船港機械裝備”省級重點實驗室、“海洋機電裝備技術(shù)實驗室”“流體計算力學實驗室”“海洋機電裝備集成技術(shù)實驗室”“海洋流體動力學實驗室”等為基礎(chǔ)的校內(nèi)平臺與西門子、吉利、浙江銀輪,杭州機床、寧波海天、舟山揚帆等企業(yè)的校外基地相結(jié)合,進行資源的整合與共享,開展機械、車輛、海洋等專業(yè)方向的人才培養(yǎng),如圖7所示。同時結(jié)合教學實際和學科發(fā)展,自制實驗系統(tǒng),研發(fā)實驗機構(gòu),搭建工業(yè)4.0實驗平臺,進一步提高教師自身的實驗技術(shù)水平及實驗教學效果。通過以省級示范中心、重點實驗室、工業(yè)4.0平臺、校外實踐基地等為載體,瞄準國家工程師人才培養(yǎng)目標,全面實施工程教育,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造及實踐能力,使“產(chǎn)、學、研”真正結(jié)合起來,建立校企合作、共同育人的長效運行機制。

圖7 校企合作共同培養(yǎng)實踐教學平臺

4 結(jié)語

為培養(yǎng)國家所需的具有兩化融合特色、能駕馭未來智能制造發(fā)展方向的工程人才,本文提出了工業(yè)4.0管理、項目與競賽驅(qū)動及校企聯(lián)合培養(yǎng)的全面工程教育理念。該理念以學生為主體,以社會需求為導向,以全面工程教育為目的,以工業(yè)4.0的智能制造技術(shù)為方向,以信息化和智能化為特征,以項目及競賽帶動教與學,以典型的企業(yè)工作任務(wù)來組織理論和實踐教學內(nèi)容,克服了理論教學和實踐相脫節(jié)的問題,增強了教與學的互動性,使教學從原理性向應(yīng)用性、綜合性轉(zhuǎn)變,由此形成一個有機整體,逐步提高學生的實踐能力和社會適應(yīng)能力,促進學生非智力因素發(fā)展,促進良好教風、學風和考風的養(yǎng)成。同時以工業(yè)4.0管理、項目與競賽驅(qū)動及校企聯(lián)合培養(yǎng)的教學理念，從平面靜態(tài)的教學模式中整合、完善、創(chuàng)新為立體動態(tài)式的實踐教學模式。該模式可以培養(yǎng)和塑造學生多層次、多思維、多創(chuàng)新及溝通協(xié)調(diào)的能力,并且達到培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力的復合型人才的目標。

References)

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Study of practical teaching reform on mechanical courses based on industry 4.0 management

Wang Zhiqiang, Ni Jing

(School ofMechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The teaching idea, teaching system, teaching content, teaching method and teaching platform are reformed. This experimental teaching system course has its unique features, that is, information and intelligence of the manufacturing industry are characteristic, the mechanical and electrical, management, control and other multidisciplinary comprehensive training is feature, the industry 4.0 technology is the bond. Meanwhile, the system fits the educational objectives for students’ training of mechanical degree. This teaching mode has always been directed by related industry needs whose educational target reflects national needs. And it can excite the students’ learning ability and mobilize initiative of students’ learning in practice. It is beneficial for cultivating engineering practical abilities and improving the innovative capacity of students and can lay the foundation of training applied talents.

industry 4.0; projects and competition to drive; multidisciplinary comprehensive training; cultivation of school-enterprise joint operations

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.058

2016-05-18

杭州電子科技大學高教研究重點課題“結(jié)合教師科研的大學生工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究”(ZD201505)

王志強(1984—),男,河北張家口,博士,講師,主要從事機電、液壓系統(tǒng)及其教學的研究

E-mail：wangzq@hdu.edu.cn

倪敬(1979—),男,浙江金華,教授,副院長,主要從事機電控制系統(tǒng)及其教學的研究.

E-mail：nj2000@hdu.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)11-0223-05