面向新工科的工业4.0实验基地课程体系与平台构建

刘 洋, 谢胜利, 杜玉晓, 蔡述庭, 王永华

(广东工业大学 自动化学院, 广东 广州 510006)

为了主动应对新一轮科技革命与产业变革,支撑产业转型升级、创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”“一带一路”等一系列国家战略,2017年2月以来,教育部积极推进新工科建设,先后在复旦大学、天津大学和北京召开了关于高等工程教育和新工科建设的研讨会,形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1]。此后,教育部又发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,对新工科建设进行全面部署和安排,要求进一步深化工程教育改革,培养德学兼修、德才兼备的高素质工程人才,探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验,实现我国从工程教育大国走向工程教育强国。

针对新工科建设重大研究课题,很多专家学者从不同角度开展了研究与探索[2-9]。本文借鉴诸多专家学者的经验,基于我校工业4.0智能制造实验基地,面向新工科的自动化专业建设,开展综合性实验教学课程体系与平台构建的探索,为自动化、电子信息相关专业的新工科建设和创新型人才培养提供新方案。

1 实验基地平台构建

2013年4月,德国提出实施“工业4.0”战略,2015年5月,中国政府发布了《中国制造2025》, 提出实现制造大国向制造强国的转变,培养新型制造业人才[10-11]。近2年来,许多高校为了适应新的工业革命带来的变化,着手建立工业4.0实验室或智能制造实训基地[12-13]。

作为广东省高水平大学重点建设高校之一,广东工业大学肩负着为广东现代化建设培养人才的重任,与广东崛起共成长,为广东发展作贡献。自动化学院以“双一流”建设和广东省高水平大学建设为契机,以实施“卓越工程师教育培养计划2.0版”为抓手,以自动化专业工程教育专业认证为切入点,在新工科建设的背景下,大力推进工程教育改革,不断深化人才培养模式改革,进一步加强学科建设,搭建专业平台,强化人才培养。由院长领衔,带领1名长江学者、2名国家杰青和3名国家千人,秉承“培养德智体全面发展,具有宽厚、复合、创新特征的工程应用型创新人才”的宗旨,依托现有的国家级实验教学示范中心、国家级工程实践教育中心和广东省复杂过程信息物理融合系统重点实验室,筹措资金2 000余万元,引进先进的汽车智能制造生产线,与西门子(中国)有限公司开展合作,组建了广东工业大学—西门子工业4.0智能制造实验基地。

汽车制造行业对自动化技术要求高,产业结构复杂,集机械、电气、液压、气压、工艺、过程控制、产品管理、物流、仓储等多方面于一体,大量应用工业机器人,生产流程复杂,成品款式多、规模大、可定制化生产。因此,汽车制造是最为典型的智能制造行业,需要大量自动化专业人才。

基地全真模仿实际汽车智能制造工艺流程,由冲压车间、焊装车间、涂装车间、总装车间、物料仓储上料单元、装配加工检测单元、成品仓储入库运输单元等组成。基地的三维布局如图1所示。该汽车智能制造系统包括6台工业机器人、2台西门子PLC、4台变频器、总控台、监控系统、自动传输带、RFID、工业交换机、无线网络交换机、FMS管理软件、3D打印机等。平台采用西门子智能工厂架构,分为现场层、控制层、操作层、管理层、企业层。它利用先进的控制策略和服务软件,将硬件进行集成,构建了先进的柔性制造系统,实现了人、产品、设备之间的智能通信与协同工作。

图1 工业4.0智能制造实验基地三维布局图

根据自动化专业新工科建设的要求和实验教学的需要,将工业4.0智能制造基地分为数字化工厂实验室、基础应用实验室和综合应用实验室,分别开展不同内容的实验教学,如图2所示。其中,西门子集成自动化中心作为基础应用体系之一,功能强大、内容丰富,它为培养自动化专业综合型、创新型人才提供了良好的平台。

图2 工业4.0智能制造实验基地组成

2 实验基地教学新模式

深入贯彻工程教育专业认证“以学生为中心的教育理念、成果导向的教育取向、持续改进的质量文化”,必须革新实验与实践教学模式[14]。传统实验教学大多是理论验证和简单设计,让学生加深对基本原理的理解并掌握基本专业技能[15],强调以课本知识为中心,局限性大,缺乏综合性和系统性。因此,按照新工科建设和智能制造对人才素质和能力的要求,结合自动化专业教学实际,提出了一种新型实验教学模式,见表1。

新型实验教学模式采用导师制,以项目为驱动开展综合实验,探索个性化人才培养模式。导师鼓励学生根据兴趣和职业规划,自由选择实验项目内容,给学生个性化发展提供更加广阔的空间,突出实践能力、专业能力和创新素质的培养,依据学习过程和结果进行综合成绩评定[12]。这样,教学就从教课本知识转变为教学习方法,培养学生自学的能力,从单功能、单个实验转变为模块化、系统化的综合性设计与应用,注重学生学习能力和创新能力的可持续发展。依托工业4.0汽车智能制造实验基地,培养学生互联网思维和大数据意识,树立创新型、综合化、全周期工程教育“新理念”[5],从培养工程科技创新和产业创新人才的角度出发,启迪学生注重用户参与、关注用户体验、追求完美的工匠精神,实现生产型制造向服务型制造的巨大转变。

表1 两种实验教学模式对比

为了保证实验基地具有一流的教学师资力量,学院不断加强教师队伍建设。由长江学者、国家杰青、国家千人、珠江学者、教授和中青年教师共同协作,通过“海外专家传帮带,国内骨干学赶超,行业龙头助转化”的方式,实施人才“引进、共享、培养”的策略,每年选派至少2名骨干教师到国内外知名高校访学,启动青年教师素质提升工程,让青年教师到知名高校助课、助研、学历提升或者进企业锻炼,来提高教学和科研能力。同时,每年至少聘任2名知名企业技术骨干担任基地兼职教师。另外,实验基地设置了门禁和电脑刷卡开机系统,利用先进的实验教学管理软件,对学生的学习过程进行监控。实验基地采用开放式管理,24 h安防视频监控,既保证实验室安全,又提高实验室资源利用率[15]。

3 实验基地课程新体系

面向新工科的自动化专业建设,必须充分利用现有师资和教学设备,依托工业4.0智能制造基地,创新实验教学新理念,以现代工业实际应用必需的知识和技能为中心,以解决实际工程应用问题为导向,以培养创新能力和工程能力为目标,全面革新实验实践课程体系,培养具有一定科学素养和较强工程技能的专业性综合性人才。

根据自动化专业人才培养的要求和创新型人才培养目标,以工业4.0智能制造体系架构为主线,基于汽车智能制造工艺和设备,全新开发了4个不同层次的“自动化综合课程设计”实践课程,见图3。课程包含专业基础课、专业课、专业选修课等理论课程对应的实验教学内容,从第1层次到第4层次,从基础到提高,从建模仿真到实际系统,从硬件软件分析设计到控制系统调试运行,从分散性实验到综合性设计,既着重基础知识,又强调能力培养,既有传统的自动化专业实验,又融合机器人和人工智能技术实验,突出互联网思维和大数据意识的培养,几乎涵盖了自动化专业所有教学内容和相关工程技术,构成了完整的综合实验课程体系。学生在学习理论课程的同时开展实验设计,理论为实验提供基础,实验又让学生加深对理论知识的理解,两者相互促进,相得益彰。通过课程设计实现了“知识—能力—素质”3个层次的转化和提升,完成了“基础—综合—创新”3个层次的培养,构建了理论实践相结合、卓越工程师教育与创新能力培养相结合的多层次一体化实验实践教学体系[16]。

图3 汽车智能制造西门子实验平台架构与课程体系

4 实验基地教学新内容

与自动化专业传统实验教学的内容完全不同,基于工业4.0智能制造实验基地新的课程设计包括建模仿真、专业基础、子系统设计和复杂系统设计等4个层次,具体学时安排如表2所示。每个层次的实验课程包含多个实验小项目。以项目为驱动来开展实验教学,有利于培养学生的工程实践能力,有利于培养高层次、高素质、多样化的创新创业型人才[17-18]。

表2 综合课程设计的学时安排

“自动化综合课程设计Ⅰ”通过系统建模与仿真的系列训练,着重培养学生系统仿真与建模的能力,并了解智能制造的发展现状与体系框架。“自动化综合课程设计Ⅱ”通过自动化专业基础技术系列训练,着重培养学生分析和解决简单工程问题的能力,能熟悉和应用西门子全自动化系列产品及元器件,并了解机器人的相关技术。“自动化综合课程设计Ⅲ”通过项目团队合作的模式,完成仓储、上料、冲压、焊装、涂装、总装等各子系统的设计与调试,培养学生解决复杂工程问题的能力,熟练掌握硬件设计和软件编程。“自动化综合课程设计Ⅳ”通过将智能制造各子系统进行联调,完成整个生产线的建模、规划、设计和调试,进一步培养学生解决复杂工程问题的能力和项目管理的基本能力,并提高学生对工程、社会和可持续发展的认识。

总之,综合课程设计共涉及到21门课程和22个实验,由浅入深,循序渐进,各个模块既相互独立又相互关联、全面统一,构成了工业4.0实验基地教学新内容,形成了自动化专业实践课程的新体系,开辟了智能制造及新工科人才培养的新途径。

5 结语

工业4.0实验基地建设3年来,综合性实验教学新模式和工程教育改革取得了很好的效果。一方面,学生做实验更积极、更主动、能独立思考并解决问题,在一批国内外大学生创新竞赛中均取得佳绩。学生的创新创业积极性被激发,创新创业能力提升,为就业和创业打下了良好基础。另一方面,我校组建工业4.0汽车智能制造实验基地,开展自动化专业工程教育改革和创新,在全国工程教育专业认证和教育部本科教学工作审核评估过程中得到专家的一致好评。在教育部公布的全国第四轮学科评估中,控制科学与工程学科被评为A-,自动化专业2018年全国排名第16名。利用工业4.0实验基地开展新工科建设,为自动化专业人才培养提供了有效的新途径。