王保建， 段玉崗， 王永泉， 嚴(yán)如強， 陳雪峰

（西安交通大學(xué)機械基礎(chǔ)國家級實驗教學(xué)示范中心，西安710049）

0 引 言

當(dāng)今世界正處在以科學(xué)技術(shù)深刻變革為特征，新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式不斷涌現(xiàn)的新經(jīng)濟時代，隨著德國“工業(yè)4.0”、美國“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”的相繼提出，2015年5月19日國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，緊接著又提出＂創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本＂的基本方針，其核心為智能制造人才培養(yǎng)，為中國制造業(yè)崛起與中華民族偉大復(fù)興之夢培養(yǎng)具有未來復(fù)雜工程問題解決能力的工程專業(yè)人才成為重要目標(biāo)，這對全國高等工程教育提出了新的挑戰(zhàn)與任務(wù)，各高校機械類專業(yè)需要作出明確回答：如何響應(yīng)國務(wù)院號召，服務(wù)國家智能制造人才培養(yǎng)迫切需求，為中國制造由大變強貢獻力量［1-4］。

1 我國高等工程教育現(xiàn)存問題

我國高等工程教育素有重視學(xué)生技術(shù)性能力培養(yǎng)的傳統(tǒng)，但在非技術(shù)性能力的培養(yǎng)上則明顯不足，在“供給側(cè)”已難以適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的新要求，典型如“中國制造2025”對兼具技術(shù)與非技術(shù)能力（簡稱雙能力）的智能制造領(lǐng)域高素質(zhì)人才需求迫切，而我國高等工程教育在雙能力融合培養(yǎng)上存在如下3個顯著的問題［5-6］：

（1）現(xiàn)有教學(xué)體系難以滿足工程人才對雙能力培養(yǎng)要求。目前高等工程教育對于“中國制造2025”所需工程人才應(yīng)該具備什么樣的能力缺少深刻的認(rèn)識，培養(yǎng)目標(biāo)仍側(cè)重于專業(yè)知識、工具應(yīng)用、工程實踐等技術(shù)能力的培養(yǎng)［7］，而忽視了工程社會觀念、團隊合作、項目管理等非技術(shù)能力，更沒有將兩類能力有機融合，以解決“未來復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)為主線的課程體系支撐，使得新型智能制造人才培養(yǎng)缺少基本載體。

（2）培養(yǎng)過程缺少雙能力融合的教學(xué)平臺與抓手。智能制造領(lǐng)域大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、數(shù)字孿生等技術(shù)與傳統(tǒng)制造模式的融合日益加深，而當(dāng)前大多數(shù)高校仍普遍缺少體現(xiàn)智能制造特征、能有效支撐雙能力融合培養(yǎng)的綜合性、創(chuàng)新性實驗／實踐教學(xué)的平臺，以及有效支撐雙能力融合的具體培養(yǎng)模式，以知識講授與課內(nèi)基礎(chǔ)性實驗為主的傳統(tǒng)教育模式，非常不利于雙能力的融合培養(yǎng)［8］，使得新型智能制造人才培養(yǎng)缺少有效支撐。

（3）缺少面向雙能力融合的培養(yǎng)質(zhì)量評價體系與激勵機制。目前培養(yǎng)質(zhì)量評價指標(biāo)注重考試成績，缺少與雙能力對應(yīng)的多維觀測標(biāo)準(zhǔn)，尤其對學(xué)生非技術(shù)能力培養(yǎng)效果體現(xiàn)不夠；缺少對評價結(jié)果的合理分析，未形成有效的持續(xù)改進機制；缺少引導(dǎo)學(xué)生雙能力培養(yǎng)的激勵機制與政策，學(xué)生評獎、評優(yōu)及保研標(biāo)準(zhǔn)等都側(cè)重于考試成績，未從根本上激發(fā)學(xué)生全面提升能力的積極性，使得新型智能制造人才培養(yǎng)缺少質(zhì)量保障［9-10］。

因此如何培養(yǎng)面向“中國制造2025”雙能力融合的新型工程人才，已成為高等工程教育面臨的一項亟待解決的重大課題。

2 面向“中國制造2025”雙能力融合智能制造人才培養(yǎng)探索與實踐

為解決上述問題，機械工程學(xué)院從2011年起，聚焦雙能力融合的新型工程人才培養(yǎng)，圍繞能力培養(yǎng)目標(biāo)及教學(xué)體系設(shè)計、智能制造教學(xué)平臺構(gòu)建、基于主動學(xué)習(xí)的教學(xué)模式改革、面向產(chǎn)出的多主體教學(xué)質(zhì)量評價與激勵機制建設(shè)等重點內(nèi)容，全方位推進教學(xué)改革，其總體思路如圖1所示。

圖1 面向“中國制造2025”的人才培養(yǎng)思路

2.1 構(gòu)建了雙能力融合的教學(xué)體系

（1）完善了面向“中國制造2025”的雙能力融合智能制造人才培養(yǎng)目標(biāo)，細(xì)化與明確了工程組織、團隊合作等非技術(shù)能力培養(yǎng)畢業(yè)要求，通過廣泛的調(diào)研和深入的學(xué)習(xí)研究，理清了面向“中國制造2025”人才5方面能力標(biāo)準(zhǔn)［11-12］：①能綜合運用數(shù)字化、自動化、智能化技術(shù)手段進行復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)系統(tǒng)運作；②具備將技術(shù)性與非技術(shù)性因素協(xié)調(diào)考慮，以系統(tǒng)思維解決機械產(chǎn)品及生產(chǎn)系統(tǒng)中復(fù)雜工程問題的分析能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，以及工程項目的運作管理能力；③具有良好的團隊精神和表達交流能力，具有國際視野和跨文化的交流、競爭與合作能力；④具備良好的道德品質(zhì)和職業(yè)規(guī)范，具有現(xiàn)代工業(yè)社會的價值觀念和強烈的社會責(zé)任感、職業(yè)責(zé)任感；⑤具備批判性思維、終身求知精神以及持續(xù)深造、提升的能力。

同時把以上5方面的能力標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化了由36個指標(biāo)項構(gòu)成的畢業(yè)要求，強化工程組織與團隊合作等非技術(shù)能力培養(yǎng)，構(gòu)建了以課程、教學(xué)、評價為核心的OBE教學(xué)體系。

（2）構(gòu)建了“設(shè)計——制造——控制——運維”智能制造全鏈條課程體系及綜合實驗／實踐體系，強化學(xué)生系統(tǒng)思維等非技術(shù)能力培養(yǎng)。

智能制造是系統(tǒng)級工程，智能制造全鏈條課程體系通過實踐教學(xué)把制造相關(guān)核心課程有機串聯(lián)起來，以微型渦噴發(fā)動機核心零件（葉輪）為載體，對該零件在智能制造過程中所涉及的工藝規(guī)劃——數(shù)控編程——加工狀態(tài)監(jiān)測——測量——車間管理等全流程進行實驗教學(xué)，涉及課程有機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)、機械精度設(shè)計、機械工程測試技術(shù)、制造工藝規(guī)劃與FMS等專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課，加深學(xué)生對智能制造整體認(rèn)知和學(xué)習(xí)。

實踐課程自大三年級上學(xué)期實施，時間周期為一學(xué)年，學(xué)生3～4人1組，以智能制造系統(tǒng)貫穿整個教學(xué)過程，具體分4個階段進行：①對設(shè)計好的葉輪進行加工工藝規(guī)劃實驗，包括機床、刀具的選擇，工藝步驟等，形成完整的加工工藝卡；②結(jié)合加工工藝卡，完成葉輪數(shù)控編程及加工，包括數(shù)控機床編程、操作，機械手自動上下料等程序設(shè)計；③對加工的葉輪進行幾何量測量，選擇包括三坐標(biāo)測量儀，非接觸測量儀器對葉輪尺寸公差和行為公差進行測量與評估；④綜合分析影響加工精度的因素并提出改進措施。

指導(dǎo)教師由制造、數(shù)控及測量教師組成教學(xué)團隊，課程采用探究式教學(xué)，分組引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)、機械精度設(shè)計等課程的原理和知識，采用現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，進行復(fù)雜產(chǎn)品的加工及測量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析和解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生通過自學(xué)和實踐獲得自己想學(xué)到的知識，培養(yǎng)其綜合運用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力，智能制造車間級規(guī)劃和管理能力。

（3）增加《科技寫作與表達》《工業(yè)社會學(xué)》《項目管理》《機械工程導(dǎo)論》等非技術(shù)能力培養(yǎng)課程；提高通識類課程比例，非技術(shù)能力課程比例提高到15%。

（4）增加雙能力融合培養(yǎng)的《CDIO項目創(chuàng)新》《產(chǎn)品快速開發(fā)》《制造工藝規(guī)劃與FMS》《模具設(shè)計與制造工藝》《CAD／CAE／CAM／NC綜合實驗》《機電一體化控制》《設(shè)備控制與故障診斷》7門綜合實踐課程，教學(xué)模式采用以學(xué)生自主實踐為主教學(xué)模式，學(xué)生以團隊形式完成一個產(chǎn)品的構(gòu)思-設(shè)計-實施-運作全生命周期；同時開設(shè)《機械設(shè)計基礎(chǔ)》《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》《機械系統(tǒng)故障診斷》《機械工程測試技術(shù)》4門綜合性課程設(shè)計，將學(xué)生動手能力、團隊合作、項目管理、溝通交流、主動學(xué)習(xí)、工程創(chuàng)新等非技術(shù)能力融合在技術(shù)能力中進行培養(yǎng)［13-14］。

2.2 構(gòu)建“智能制造”虛實融合教學(xué)平臺

（1）集成數(shù)控機床、工業(yè)機器人、3D打印設(shè)備，以及大數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)等智能制造核心技術(shù)，建成了雙能力融合培養(yǎng)的虛擬實驗與實體實驗相結(jié)合的智能制造大數(shù)據(jù)教學(xué)平臺（見圖2）及對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)云端開發(fā)，對實驗中心的智能制造單元里的機床、機械手、AGV機器人等設(shè)備實時采集運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測加工單元狀態(tài)及工藝數(shù)據(jù)，機內(nèi)和機外攝像頭實時監(jiān)測加工過程，在校園網(wǎng)內(nèi)都可以實時訪問平臺，支持多地協(xié)同教學(xué)及網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)，極大提高智能制造教學(xué)內(nèi)容。

圖2 智能制造大數(shù)據(jù)實驗教學(xué)平臺

平臺把智能制造總體分解為機械設(shè)計基礎(chǔ)模塊、機械加工工藝規(guī)程設(shè)計模塊、數(shù)控加工中心模塊、工業(yè)機器人模塊、機械精度測量虛擬仿真模塊、測試與診斷模塊6大模塊，可以涵蓋機械學(xué)院12門專業(yè)核心課的教學(xué)。

同時構(gòu)建了涵蓋智能制造、裝備、精度、控制、測試等多門專業(yè)核心課程能同時容納500人在線學(xué)習(xí)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺（見圖3），虛擬實驗不消耗實際設(shè)備器材，不存在設(shè)備的損壞，學(xué)生可以重復(fù)進行實驗，有效解決了目前智能制造實踐教學(xué)設(shè)備臺套數(shù)不足、實驗耗材多的問題［15-16］，同時虛擬實驗可以使學(xué)生對智能制造系統(tǒng)能有更加全面的認(rèn)識。平臺共建設(shè)虛擬仿真綜合性實驗教學(xué)項目23項，包括智能制造車間規(guī)劃布局虛擬仿真實驗、基于智能制造的工業(yè)機器人作業(yè)軌跡與過程仿真實驗，復(fù)雜夾具虛擬裝配實驗、加工中心編程虛擬仿真實驗、機械系統(tǒng)故障診斷虛擬仿真實驗等教學(xué)模塊。

圖3 智能制造虛擬仿真教學(xué)平臺

多門課程組合起來可以實現(xiàn)系統(tǒng)級智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，平臺通過虛擬仿真技術(shù)及數(shù)字孿生技術(shù)將實體教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合，綜合了增減材先進加工技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)＋、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、云平臺等技術(shù)，開發(fā)基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造解決方案，平臺基于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，特別加強了教學(xué)過程人機交互，激發(fā)學(xué)生主動思考提高，形成了效果優(yōu)良的創(chuàng)新型教學(xué)新形式。

（2）加大8門核心課綜合性實驗比例（占75%以上比例），探索了“自主設(shè)計-互動討論-自主實驗-總結(jié)改進”四環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式，綜合性實驗均以團隊（3～5名學(xué)生）完成，環(huán)節(jié)包括團隊組建，確定組長，團隊設(shè)計實驗方案、方案答辯、進行實驗（制作實物）、撰寫實驗報告及答辯等環(huán)節(jié)，在技術(shù)能力培養(yǎng)的同時實現(xiàn)了團隊合作、項目管理等非技術(shù)能力培養(yǎng)［17］（見圖4）。

圖4 綜合性實驗四環(huán)節(jié)教學(xué)模式

（3）《機械設(shè)計基礎(chǔ)》《工程制圖》《裝備與制造技術(shù)基礎(chǔ)》《材料成型技術(shù)基礎(chǔ)》《機械工程測試技術(shù)》等6門專業(yè)課程實施線上教學(xué)與線下討論教學(xué)模式，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。

（4）構(gòu)建了VEX機器人社團、虛擬儀器設(shè)計俱樂部、方程式車隊、機械創(chuàng)新設(shè)計俱樂部、數(shù)字化設(shè)計社團5類學(xué)科競賽與創(chuàng)新實踐科技社團，學(xué)生對社團自主管理及自主創(chuàng)新實踐，在團隊實踐中進行雙能力融合培養(yǎng)［18］。

2.3 構(gòu)建評學(xué)與評教相結(jié)合的質(zhì)量評價體系

（1）對學(xué)習(xí)過程中的多個環(huán)節(jié)、多個節(jié)點學(xué)習(xí)效果評價，建立了各類實踐環(huán)節(jié)雙能力融合的能力達成評價量規(guī)表，評價指標(biāo)充分體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新意識、組織能力、合作能力，以及交流表達等非技術(shù)能力產(chǎn)出，形成了基于OBE的能力達成評價體系。

（2）構(gòu)建了學(xué)生評教與同課程教師、專家評教相結(jié)合的質(zhì)量評價體系，學(xué)生基于學(xué)習(xí)效果評教，同課程教師與專家基于雙能力產(chǎn)出教學(xué)過程組織評教；建立了“評價、反饋、改進”機制，評價數(shù)據(jù)用于教師及學(xué)院教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進。

（3）90%專業(yè)核心課程通過團隊課程設(shè)計、團隊綜合性實驗等多環(huán)節(jié)支撐雙能力融合培養(yǎng)，成績構(gòu)成中充分體現(xiàn)學(xué)生非技術(shù)能力占分比例。

（4）學(xué)院制定獎勵性政策，對參加課程之外的學(xué)科和科技競賽、社會實踐及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等活動的學(xué)生在獎學(xué)金、評優(yōu)及保研中進行加分獎勵。

圖5 實驗教學(xué)評價系統(tǒng)

3 人才培養(yǎng)成效

機械工程學(xué)院面向“中國制造2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略對雙能力融合的新型高等工程人才培養(yǎng)需求，構(gòu)建了相應(yīng)的教學(xué)體系，建設(shè)了“智能制造”綜合能力培養(yǎng)教學(xué)平臺，探索了四環(huán)節(jié)實踐模式與線上線下結(jié)合的授課模式，開發(fā)基于OBE的教學(xué)質(zhì)量評價體系，建成理念先進、人才培養(yǎng)效果顯著的智能制造領(lǐng)域人才培養(yǎng)基地，人才培養(yǎng)成效顯著。

（1）建設(shè)成果廣泛應(yīng)用、受益面廣。面向全校16個本科專業(yè)開設(shè)系列綜合與創(chuàng)新性實驗120項，年均受益超3 000人；《機械設(shè)計基礎(chǔ)》MOOC課獲評首批國家精品在線開放課程，注冊選課人數(shù)突破9.5萬人；《工程制圖》《機械工程測試技術(shù)》等6門課程上線，總點擊量超30萬次；主編了《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》《機械工程測試技術(shù)》《機械設(shè)計基礎(chǔ)》《畫法幾何》《機械控制基礎(chǔ)》《機械精度基礎(chǔ)》等教材12本，共計發(fā)行190余萬套（冊）；2018年“工業(yè)機器人虛擬仿真”獲批國家級虛擬仿真項目。

（2）畢業(yè)生質(zhì)量不斷提升。全球四大排名機構(gòu)之一QS集團數(shù)據(jù)分析顯示：本專業(yè)畢業(yè)生全球雇主聲譽近年來“持續(xù)上升”，在MIT、密歇根及清華等5家高校中“漲幅最大”；2018年上海軟科發(fā)布的機械學(xué)科排名，西安交通大學(xué)機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量列國內(nèi)第一；畢業(yè)生競爭力強，2015——2019屆畢業(yè)生超過68%繼續(xù)深造，25%就業(yè)于國內(nèi)外具有影響力的骨干企業(yè)，其中12%供職于世界500強企業(yè)；專業(yè)于2017年11月第二次通過教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會組織的認(rèn)證，認(rèn)證組專家對辦學(xué)理念及培養(yǎng)質(zhì)量給予高度評價，獲6年有效期。

（3）在校生能力不斷增強。近5年來，100%學(xué)生參加CDIO創(chuàng)新項目，85%參加學(xué)科競賽，獲省部級與國家級獎勵160余項；近3年學(xué)生獲“互聯(lián)網(wǎng)＋大賽”國家級金獎2項；2017——2019年VEX機器人隊連續(xù)3年獲世界錦標(biāo)賽冠軍，尤其2018年在美國肯塔基州路易斯維爾市舉辦的2017——2018VEX機器人世界錦標(biāo)賽中，我院VEX機器人隊與來自全球20多個國家80余支隊伍經(jīng)過4天的激烈比賽后包攬了“全能總冠軍”、“聯(lián)賽冠軍”和“技能挑戰(zhàn)賽冠軍”，創(chuàng)該比賽歷史記錄；全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽2016及2018年兩屆比賽共獲全國一等獎17項，二等獎7項，一等獎和總獲獎數(shù)均居全國第一；2019年世界機器人大會獲賽項總冠軍、聯(lián)賽冠軍、AI創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽亞軍。

（4）人才培養(yǎng)體系及平臺廣泛示范輻射。近5年學(xué)院及2個國家級實驗教學(xué)示范中心累計接待清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、香港科技大學(xué)、美國創(chuàng)新創(chuàng)客教育機構(gòu)等國內(nèi)外高校和企業(yè)超1 100人次交流參觀；2019年10月中國國際電視臺直播采訪我院“VEX機器人隊”及“方程式汽車車隊”，面向全球播放；2017年3月，學(xué)院舉辦首屆全國“創(chuàng)新性人才培養(yǎng)實踐教學(xué)研討會”，來自40余所院校的教學(xué)副院長、實驗中心主任及教師100多人參加會議；2016年發(fā)起西北《工程制圖》課程教學(xué)研修班，吸引了來自陜西、甘肅、新疆等省份36所院校的74名教師參加；獲批省部級以上教改項目12項，在《高等工程教育研究》《實驗室研究與探索》《實驗技術(shù)與管理》等高等教育期刊上發(fā)表教改論文40余篇。

4 結(jié) 語

機械工程學(xué)院面向“中國制造2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略對雙能力融合的新型高等工程人才培養(yǎng)需求，構(gòu)建了技術(shù)與非技術(shù)能力融合培養(yǎng)的教學(xué)體系，開設(shè)多門針對系統(tǒng)級思維、項目管理等非技術(shù)能力培養(yǎng)的課程，圍繞智能制造把12門專業(yè)核心課程有機交叉融合，打破專業(yè)課程知識結(jié)構(gòu)壁壘，建設(shè)智能制造教學(xué)與實踐平臺為中國制造2025所需人才培養(yǎng)提供了有效載體。

開展線上教學(xué)與線下討論相結(jié)合的混合式理論教學(xué)新模式的探索，形成了學(xué)生為主體的生師互動教學(xué)模式，構(gòu)建了虛實融合互補的車間級智能制造教學(xué)平臺，有效支撐了雙能力融合培養(yǎng)；以綜合實驗、CDIO項目創(chuàng)新實踐，以及綜合課程設(shè)計為抓手，構(gòu)建了“自主設(shè)計-互動討論-自主實驗-總結(jié)改進”的四環(huán)節(jié)實踐、社團式創(chuàng)新實踐等基于雙能力產(chǎn)出的培養(yǎng)模式，為中國制造2025所需人才培養(yǎng)提供了有效支撐。

基于OBE理念構(gòu)建了評學(xué)、評教為一體的教學(xué)質(zhì)量評價體系，明確了新型工程人才培養(yǎng)中“教”與“學(xué)”二個維度的能力評價指標(biāo)設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置；設(shè)計了體現(xiàn)非技術(shù)能力達成的量規(guī)表，并在學(xué)生考核成績中充分體現(xiàn)非技術(shù)能力的占分比例；構(gòu)建了包含學(xué)生、教師、專家三主體的教學(xué)質(zhì)量評價方法，制定了學(xué)生能力達成獎勵制度，從而激勵學(xué)生主動全面學(xué)習(xí)，確保了學(xué)生綜合能力培養(yǎng)效果，為中國制造2025所需人才培養(yǎng)提供了質(zhì)量保障。

機械工程學(xué)院自2011年以來，以高端智能制造裝備為載體，圍繞未來智能制造人才培養(yǎng)主動的、系統(tǒng)化的改革創(chuàng)新，持續(xù)改進教學(xué)質(zhì)量，形成了面向“中國制造2025”的智能制造類人才培養(yǎng)新模式。