新工科建设中智能制造课程的实践教学

（南京工程学院江苏省智能制造装备工程实验室 江苏·南京 211167）

1 智能制造课程的时代背景与现状分析

随着世界范围内第四次工业革命—“智能时代”的到来，新一轮科技和产业革命随之产生并发展。智能制造是《中国制造2025》的主攻方向，也是我国从制造大国转型为制造强国的根本途径，智能制造的发展不仅需要专业型人才和跨学科人才，更需要具有交叉学科背景的系统级人才。同时，我国高等工程教育提出发展和建设“新工科”的“五新”要求：“要树立创新型、综合化、全周期工程教育‘新理念’，构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业‘新结构’，探索实施工程教育人才培养的‘新模式’，打造具有国际竞争力的工程教育‘新质量’，建立完善中国特色工程教育‘新体系’。”

2015年3月，中国工信部发布的《2015年智能制造试点示范专项行动实施方案》提出“智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗。”可见，智能制造赋予新工科跨越学科界限和产业边界的新内涵，是新工科建设的主阵地，对新工科人才提出新要求：使其具备智能制造复合融通的知识体系、基于智能制造互联互通的关联能力、技术创新＋人文情怀的核心素养。

因此，智能制造课程有必要成为高等院校本科生的一门通识课程，尤其是工科类学生，开启学生对智能制造的兴趣、了解智能制造的发展现状和意义、熟悉智能制造的关键技术、掌握智能制造体系架构和智能工厂的架构，使不同专业的学生具备与智能制造技术应用或研发的专业素养，以适应新工科建设的新要求。

目前，高等院校开展的智能制造课程主要有两种形式：第一，将智能制造课程的内容分解融合到相关专业课程内，例如“智能化工”、“智能制造+材料”、智能制造融入飞行器设计等；第二，独立开展智能制造课程，设置的课程名称主要有《智能制造导论》、《智能制造技术基础》，目前出版的参考教材见表1。第一种形式教学使学生的专业课程知识更为深入，能够把握专业领域在智能制造背景下的发展现状，但是较难全面理解智能制造体系；第二种形式增加了一门新课程，能够使新工科学生全面理解智能制造体系，掌握智能制造课程的基础知识，降低了学生将智能制造与专业课程贯通融合的难度。笔者认为独立开设智能制造课程更适应智能制造的时代要求，更好培养新工科人才。通过2019年第一学期开设并完成《智能制造导论》的教学工作后，对智能制造课程的实践教学进行了研究和总结，主要从教学内容、教学方法、与专业课程的融合进行分析探讨。

表1：智能制造课程参考教材

2 智能制造课程的教学内容

《智能制造导论》的课程性质为选修课，供全校本科生选修，参考教材为李晓雪等人编著的《智能制造导论》，主要参考资料为《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》。课程共设置32个学时，16个教学单元（2学时/单元），其中前15个教学单元主要为讲授课，剩余1个教学单元为考核答疑课。教课内容和教学单元分配如图1所示，主要内容包括五章，采用“总—分—总”的逻辑关系将课程内容有机结合，首先讲解智能制造概述，通过智能制造体系架构的智能制造标准体系结构引出第二、第三章内容，分别讲解智能制造装备、智能赋能技术，然后通过第四章的智能工厂将第二章、第三章的内容以及第四章前部分内容结合，构建智能工厂的架构，最后第五章讲解智能制造的直接目的，即智能服务。

《智能制造导论》作为不同学科交叉渗透的复合型课程，教学内容相当广泛，主要是拓展学生的知识面，优化知识结构，教学内容具有宽、浅、新、精、趣、综合等特点。例如，对工业机器人，首先引入Boston Dynamics公司的最新智能机器人Atlas，激发学生兴趣，进而讲授机器人的种类、作用，基本构成和技术指标等，注重实用性知识的讲解，忽略较为复杂的机器人运动、控制等涉及较深数学知识的理论；讲解制造执行系统时，重点讲授制造执行系统的作用，结合专业技术人员的岗位讲述该系统将工厂的人、机、物、料有机结合的基本过程。

图1：教课内容和教学单元分配

3 智能制造课程的教学方法

《智能制造导论》采用的教学方法主要有课堂讲授法、纪录片赏析与讨论、课堂提问与测试、项目调研与展示等，采用多种开放式方法激发学生学习的兴趣，引导学生了解智能制造现状，使学生掌握智能制造基础知识，培养学生工程应用的意识。

3.1 课堂讲授法

利用PPT、教材、教案等材料直接讲授课程内容，注重联系社会热点和生活实例，重点讲解相关技术的基础理论和应用，弱化专业性较强的知识点，激发学生学习兴趣，活跃课堂气氛，促进学生对知识的掌握。例如讲解工业云技术时，以“5G”通讯技术为切入点，进而结合课程知识展开讨论和讲解，使学生学习智能制造知识的同时，知悉世界科学技术的发展动态。

3.2 纪录片赏析与讨论

首先根据教学单元的授课内容提出引导问题，通过播放与之对应的纪录片，如超级工厂系列《Boeing747》《TeslaModel S》，大国重器第二季《赢在互联》《智造先锋》《创新体系》，超级装备《智能装备》等，选取纪录片中的片段（十分钟左右）播放，进而对涉及的课程内容进行开放式讨论，学习课程知识的同时加深认知国内外制造业的现状。

3.3 课堂提问与测试

课堂内容有相互交融的地方，对已讲内容进行提问，帮助学生复习；当涉及智能机器人、增材制造、云计算等时代科技时，对学生采取引导式提问，加深学生对新课程内容的理解以及智能制造对生活的影响。对重点内容进行课堂测试，学生动笔书写，巩固对所学内容的识记。

3.4 项目调研与展示

采用项目教学法，学生根据专业知识或兴趣爱好组成一个5人左右的调研团队，对智能制造领域内容进行调研，在课堂上完成10分钟的成果展示，包括PPT汇报、实物解说、黑科技介绍等，培养学生学以致用和团队合作的能力。

3.5 课程考核形式

《智能制造导论》的考核主要包括以下方面：

（1）学习过程考核。考核学生的出勤情况、学生在课堂讨论中的表现情况，以及课题测试，所占成绩比例为30%；

（2）调研报告。考核学生项目调研的成果展示情况，根据成果的与智能制造课程的相关度、新颖性、实用性等方面进行评价，所占成绩比例为20%；

（3）课程论文。根据课程讲授内容，结合自身专业，选择智能制造课程的某一项技术理论或应用，撰写一篇3000字以上的结课论文，论文性质包括综述、研究性论文、方案设计、感想或展望等，要求格式规范、主题鲜明、论证有据、图文并茂，具有适当的参考文献，所占成绩比例为50%。

4 智能制造与工科专业课程的融合

《智能制造导论》是一门多学科交叉融合的课程，智能制造与其他领域相辅相成，涉及的领域有机械、电气、材料、计算机、通信、医学、管理等，选课学生的专业主要包括机械工程、电气工程、能源工程、材料、工程管理等。随着“智能时代”的到来，不同的专业课程或多或少地增加一部分与“智能”相关的知识，例如检测与传感技术课程中增加了智能传感器的知识点，材料科学课程中增加了智能材料。智能制造的教学内容主要为智能制造领域关键共性技术的基本知识，为学生学习专业课程中智能制造有关的知识奠定基础，提升专业课程深度的同时减轻教学难度。例如在智能制造课程里面讲授了增材制造技术，为机械制造技术、材料成型技术等专业课程里面的相关知识奠定了基础，学生能够由基础知识到专业应用渐进式学习，不仅降低了理解学习的难度，而且巩固了对增材制造的掌握。

5 结束语

结合新工科建设的要求，通过《智能制造导论》的实践教学，为了更好开展智能制造课程的教学，给出以下建议：

（1）智能制造课程的教学内容重在基础知识，让学生知悉我国智能制造的社会背景和发展水平，了解世界科学技术的发展方向；

（2）智能制造课程的教学方法需适应时代要求，多选择社会热点为实例，激发学生学习兴趣，提升学生学以致用的意识；

（3）智能制造课程应为专业课程奠定基础，促进智能制造在机械、电气、计算机、通信、医学、管理等诸多学科的应用，提高学生融融贯通的能力。