工业4.0背景下 高校自动化专业教学改革探析

    钱默抒 薄翠梅 徐启

    摘? ? 要：高校教学环节对学生综合素质具有较大影响，提升专业课程与实践教学环节设置，能够有效提高学生的问题解决能力以及实际操作能力，以培养更加适应社会的专业技术人才，这也符合社会对于高等教育的客观要求。从工业4.0背景下自动化专业面临的困境出发，提出工业4.0背景下高校自动化专业教学改革的策略，以达到提升大学生“工业4.0”背景下竞争力的目的。

    关键词：高校;工业4.0;教学改革;自动化

    中图分类号：G642.0? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ?文章编号：1002-4107（2020）07-0005-02

    工业4.0是“互联网+制造”的融合，目前世界工业发展进程正处于从数字化的工业3.0向智能化的工业4.0转变阶段，例如2011年美国为重新振兴其工业，开始实施“先进制造伙伴计划”，2013年德国为提升其制造业水平，提出“工业4.0”战略，2015年中国工信部启动“智能制造试点示范专项行动”等[1-3]。怎样才能在这一变革过程中更好地培养出符合工业发展要求的技术人才是摆在所有高等院校自动化专业面前的问题。因为高等院校是以就业作为教学目标导向，所以，高校需要不断地提升学生的整体素质，把学生培养成拥有丰富专业知识和较强实践能力，适应社会需求的复合型人才[4-6]。

    一、工业4.0背景下的自动化专业人才需求

    工业 4.0 既是一个企业的技术转型，又是当代产业的升级变革，这对人才培养的模式带来了深刻的影响。从工业1.0的机械化，工业2.0的电气化，到工业3.0的数字化，对专业技术人员的要求日益提高。而工业4.0的智能化是由智能设备、智能生产、智能产品、智能物流和智能服务等五个主要部分组成，它们共同完成智能制造这一终极目标。为了实现智能制造，首先，工厂中所有的设备均须具有信息深度感知、智慧优化决策、精准控制执行、实时可靠传输的能力，即每个设备均可全自主完成信息深度获取、优化处理、精准利用以及高实时性高可靠性的传输;而且，产品须具有感知、动态存储和通信的能力，使得产品可追溯、识别和定位;最后，企业或工厂还要完成通过捕捉客户的原始信息，利用后台长期积累的丰富数据构建需求模型，进行数据挖掘和商业智能分析，为客户提供智能服务。而实现上述智能化生产的核心在于采用数字化仿真设计手段，对制造过程中制造装备、制造系统以及产品性能进行定量描述，使工艺设计从依赖于经验的试凑向基于科学的严密推理转变。实现了产品、制造装备、制造工艺和制造系统的数字化之后，才能建立起一整套数字化制造技术体系，实现从原材料采购，到智能生产、销售运输，到客户反馈全流程的个性化智能化生产系统。综上所述，这次产业的升级变革需要大量掌握新技术的人才，特别是自动化领域的技术人才。国际竞争的日益激烈使得我国在工业4.0产业升级中必须奋勇争先，这就要求各个高校对自动化专业学生的培养必须与需求匹配，较以往不同，当今更加重视培养学生的实际动手能力，对所学专业的实践性也更加重视。除此之外，在“工业4.0”背景下对学生互联网和计算机应用方面的能力也提出了新的要求，特别是软件仿真和设计能力，即使用有关的编程软件编写相关程序以控制相关装置的能力。

    二、工业4.0背景下自动化专业教学面临的困境

    尽管高校都比较重视对自动化专业学生动手能力的培养，但是依旧存在一些不足，具體主要表现为以下几个方面。

    （一）理论教学与工程技术发展脱节

    教学过程中，课本的理论内容跟社会的实际发展进程相脱节，理论内容不够先进、不够全面。例如没有详细讲解最新的物联网装置与智能仪表，没有介绍智能机器人专业设计方法，没有引入先进的数字化设计软件。

    （二）忽视软件设计能力培养

    实践环节中，忽略软件设计能力培养，而这恰恰违背了工业4.0的要求。虽然高校教师也会组织学生进行一些实验，不过实验目的也仅限于让学生对各种实验器材和现象有一个初步的认识，却没有让学生实际动手编写程序，因此不能锻炼学生的软件设计能力。大部分高校的学生都存在着只看教材、不做实验这一问题，即使有部分课程有部分实验安排，也仅仅是帮助了学生对硬件装置和实验现象有了初步的认识和了解，没有让学生进行深入的思考，并把思考的方法通过软件设计方式反映到实验结果中，这对于提高学生的设计和实践能力非常不利。另外，有些高校虽然安排了学生实验，但是由于经费限制，实验设施质量较差，技术落后，因此实验缺乏先进技术的同步性和创新性，无法让学生对最新的技术和设备原理有充分的了解。

    （三）不重视实际能力的提高

    教师在教学中只重视对理论知识的讲解，而不重视学生实际能力的提高。一个能够适应工业4.0自动化专业技术的人才，不仅应掌握扎实的基础知识，同时还应具备硬件和软件的设计研发能力，这种设计能力是需要理论联系实际具体操作实践案例来获得的，而不是仅仅通过课堂上教师的传授就可完成的。目前，虽然一般高校均设置了实验或毕业设计等实践学习内容，但教师对学生实际能力培养认识不够，仅仅是为了完成学校布置的教学任务，多年重复相同的内容和方式，教师在这些实践环节并没有进行深入的研究和思考，更谈不上亲自研发针对性的仿真装置和操作案例。

    三、工业4.0背景下自动化专业教学改革的策略

    （一）优化课程设置，创新教学模式

    在当今飞速发展的社会，自动化的发展相当迅速，高校需要明确的一点是，必须要根据自动化专业的社会要求来进行相关课程的设置，重视培养学生的实际动手能力。尤其需要注意的是，高校需要不断地进行探索，在教材当中充分地体现最新的理论与研究成果，对学生获取最新的知识进行指导，从而开拓学生的视野。教师在教学中不能只是依靠教材，而是以教材作为基础，并借助社会实际案例，对教材进行不断的延伸。教师在教学中需要重视探究新的教学模式，并改进教学的方法，学生的整体素质决定于教师教学水平。所以，教师需要在教学中不断提升自己的综合素质，并根据实践，指导学生了解有关知识的实际应用。除此之外，教师在教学中需要用到一些教学软件来提升教学效果，使学生能够更加有效地进行学习。

    （二）毕业设计引入企业导师制

    通常来说，一些先进的自动化装置最先应用的场合是在企业当中。所以，高校在组织学生进行毕业设计和实践时需要联系相关企业，由企业中的高级工程师对学生实施培训，从而提高学生毕业设计环节的实践能力，形成课堂、企业、综合设计三位一体的培养体系。具体来说，首先，教师需要和企业导师深入交流协调，使得毕业设计与实践环节的设置既在学生能力范围内，又要体现企业中最新的技术和问题，使企业导师对学生的培训更加具有针对性，让学生的实际能力有足够的提升;其次，将学生的毕业设计和企业需求协同起来，让学生在一些自动化的具体项目当中应用所学习到的相关知识，保证学生可以认识和使用到最新的自动化设备。

    （三）加大实验经费投入，研发实验仿真系统

    高校对实验装置的引进需要高度重视。为了保证自动化实验装置能够实时进行更新，需要加大对实验装置经费的投入。另外，为了实现自动化专业的教学目的，实验装置必须要体现出实践当中工业4.0自动化技术的特点，例如配备物联网装置和自动化软件设计开发环境等。自动化装置的更新换代是相当迅速的，全部依靠学校出资购买的有限设备远远不能满足学生实验的要求，所以，需要高校自动化专业的教师能够发挥技术优势和主观能动性，充分利用已有的实验设施，自行更新、改进，甚至研发出一些跟实际工程项目中类似的最新自动化装置或仿真系统，从而指导学生掌握最新的自动化生产工艺和技术。

    （四）注重软件设计环节的培养与训练

    由于工业4.0更注重的是在工业3.0数字化基础上对智能化的提升，硬件设施基本不变，而软件开发的工作却需要大大增加。所以，为培养适应工业4.0自动化专业技术人才，摒弃软件编程是计算机专业学生专长的传统思想，设置实践过程中的软件设计环节，增加软件设计应用范围和难度，软件设计不仅仅是现有的只需改动参数大小的傻瓜式操作，而是需要学生完成从方案框架到接口设置到控制算法、测试验证和系统联调的整个系统的软件设计流程，这样才能让学生真正掌握系统的软件设计方法，透彻理解系统内部外部结构组成关系，为他们开展进一步的创新奠定坚实基础。

    四、结论

    在工业4.0新背景下为培养未来企业所需的能驾驭智能制造技术、具有两化融合特色的专业人才，本文提出了高等院校自动化专业教育改革方法。該方法以学生为主体，以任务需求为导向，以工程应用教育为目的，以工业4.0的智能自动化技术为方向，以信息与智能融合为特征，以工程项目和实验带动学与教，以具体的企业工作场景来组织实践教学内容，克服了课堂教学和实践应用相脱节的问题，增强了教与学的继承性，使教学从基础知识向应用研究、系统设计转变，由此形成一脉相承的体系，逐步提高学生的研究能力和问题解决能力，促进学生对现代工业技术快速发展的适应性。同时以工业4.0为背景，建立校企联合培养的教学理念，从静态平面的教学模式中凝练、完善、创新为动态立体式的实践教学模式。该高等院校自动化专业教育改革方法可以从多个方面培养和塑造学生的创新、沟通协调和解决问题的能力，从而培养出适应新一代工业发展的自动化专业实践型人才。

    参考文献：

    [1]刘洋，谢胜利，蔡述庭，等.工业4.0与智能制造新形势下? ? 自动化创新型人才培养[J].实验室实践与探索，2018，（8）.

    [2]李廉水，石喜爱，刘军.中国制造业40年：智能化进程与? ? 展望[J].战略与决策，2019，（1）.

    [3]谢莉花，尚美华.智能制造背景下技术技能人才的资格? ? 要求及培养定位[J].实验室实践与探索，2019，（40）.

    [4]王志强，倪敬.基于工业4.0管理的机械类课程实践教学? ? 改革[J].教育探索，2016，（11）.

    [5]孙凯，王淑娟.新工科背景下高校青年教师创新能力培养? ? 探析[J].教育与探索，2018，（4）.

    [6]李立国.工业4.0时代的高等教育人才培养模式[J].清华? ? 大学教育研究，2016，（1）.