李 晶，姜歌东，陶 岳

（西安交通大学机械工程学院，西安 710049）

0 引言

党的十九大报告提出，我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，装备的智能化升级、智能工厂的兴起成为制造业升级的重要趋势。智能制造技术是基于新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，加快发展智能制造，是培育我国经济增长新动能的必由之路［1-3］。数控技术是集机械制造、自动化控制、微电子、信息处理等技术于一身，在实现制造自动化、集成化、网络化的过程中占据着举足轻重的地位［4-5］，先进数控技术的创新与发展已成为完成智能制造工程的重要保障。

1 智能制造背景下数控技术人才的新要求

先进的数控技术促使制造产业发生巨大变革，支撑这一变革的关键因素是高水平的专业人才。智能制造背景下，对数控技术专业人才的知识结构、知识体系和专业能力等各方面也必然会提出新的要求［6］。智能制造不能简单地理解为“机器换人”，更多的是要解放思想，以自动化、数字化、网络化、智能化等新理念、新技术手段，实现更高质、更低成本的生产服务［7］。因此，智能制造时代，对知识型、技能型的数控技术人才需求更加迫切，更需要一大批具有较高综合技能、跨学科知识储备、工程社会意识的数控技术人才。

1.1 具有学科交叉复合融通的知识体系

在智能制造环境的影响下，先进数控技术朝着开放、智能化方向迈进［8］。智能生产线、智能工厂将带来更多先进的新技术、新设备。数控技术人才培养必须以系统专业知识为基础，同时重新审视相关专业和课程的边界，促进工业机器人、物联网、大数据与数控技术知识内容的有机融合，实施本、硕、博纵向贯通、多学科横向交叉的复合融通的知识体系。

1.2 具有工程实践能力和创新能力

智能制造背景下，大规模的智能生产线、工业机器人、高档数控机床、传感器等一大批高端设备的使用，使得数控工程师不再是操作原先单一的设备，岗位职责变得更加宽广，不仅只是操作设备，还要懂得维护维修设备、工艺设计等工作。同时，对智能化生产线的监控、调试和维护也变得更加复杂，要求数控人员不仅要熟练掌握安装、调试工作，还要擅长使用各类工业化、信息化软件来分析处理各类复杂数据。因此需要新数控技术人才具有较强的工程实践和解决复杂工程问题的能力。

高档数控机床作为国家战略级高端装备以及智能制造工程5 类关键技术装备与10 大重点集成应用领域之一［9］，解决数控技术中的智能编程、多轴联动、高速高精控制、机床误差补偿、工艺参数自优化、自适应控制、在线诊断和远程维护、智能生产管理、机床联网群控管理、数字孪生等关键技术，更需要有较高专业素质的领军人才进行技术创新与突破。

1.3 具有工程社会意识

资源利用效率偏低，既是我国制造业现在的问题，同时又是面向未来的问题，绿色发展方针是实现制造业可持续发展的必由之路［10-11］。新技术变革条件下的数控技术工程师应当具有工程伦理意识、强烈的社会责任感和人文情怀。对于数控机床、工业机器人等智能设备与智能生产线、智能工厂的设计与建设过程中，要践行绿色设计理念，采用新材料、新结构、新工艺强化节能环保。利用虚拟仿真技术在设备、系统建设前进行充分优化设计。

2 数控技术实验教学改革举措

为了应对智能制造产业发展对数控技术人才培养提出的新要求，高校应当采取有效措施和路径来培养面向智能制造的新数控技术人才。在此以我校开展数控技术实验教学改革探索与实践为例进行剖析。面向“中国制造2025”的国家重大需求，面向未来科技、产业和社会发展，以先进的智能制造平台建设为基础，开展多种途径的数控技术实验教学改革与研究，调整实验教学内容，梳理实验教学体系，创新使用虚拟仿真教学手段，以取得良好的教学成效。

2.1 构建层次化实验教学内容体系

数控技术课程的层次化实践教学是指根据课程教学要求、实验教学定位、学生的能力和兴趣，将数控技术实践训练环节分为基础实验、综合实验、科研创新训练3 个层次。其中基础实验为必做实验，注重培养学生对数控技术课程基本知识的理解与基本技能的掌握；综合实验是选做实验，注重培养学生知识综合运用和解决问题的能力；科研创新训练注重培养学生开展数控技术方面的研发、设计与应用的创新能力和探索精神。基础实验、综合实验主要以课内和课外开放实验为主开展教学。科研创新训练主要以CDIO项目实践、大学生实践创新项目等方式开展教学，学生以3～5 人的项目团队合作的方式，在教师指导下，经过1 年时间，完成产品（系统）的构思、设计、制作与运行。

图1 所示为数控技术3 层次的实践教学内容体系。各层次实验内容在纵向上由浅至深，由简单到复杂。在横向上由点到面，打破相关课程边界壁垒，开展“课际交叉”的综合实验和科研训练项目，使学生解决复杂工程问题能力及创新意识、探索精神得以充分锻炼。开展层次化数控技术实验教学，学生能够扎实掌握基础理论和专业知识，同时，能将数控技术与工业机器人、机电一体化、大数据等知识融合贯通。层次化实验教学体系是确保数控技术实验教学目标落到实处的有效保障。

图1 3层次数控技术实践教学内容体系

2.2 建设示范性实验平台

我校面向未来技术和产业主动布局人才培养，先后与华中数控、北京兰光、上海犀浦等公司合作，共同开发、建设先进的、贴近工业现场、基于工业4.0 的智能制造学科交叉创新实践平台（见图2），平台主要包括微涡发动机智能制造实践平台、犀浦智能制造大赛实训平台。以一流实验平台建设为基础，推进实践教学内容和模式同步转型升级。平台将智能制造的机器人、数控机床、虚拟仿真、云数控、信息化管理、数字孪生等技术进行融合，实现产品设计、加工制造、管理与运维、物流服务等产品全生命周期运行、监控过程。

图2 基于工业4.0的智能制造学科交叉创新实践平台

依托智能制造学科交叉创新实践平台，使得数控技术各层次实践教学得以顺利开展。基于智能制造生产线，开展数控机床结构与操作、工业机器人编程、生产线系统集成与PLC 调试等实验。在产品生产过程中，实现工艺数据的采集、管理、控制，开展工艺优化、机床状态监控与诊断等实验。犀浦智能制造大赛实训平台是全国大学生机械工程创新创意大赛——智能制造大赛的指定比赛平台。在比赛中，学生可以完成生产线数字双胞胎虚实联调，物理生产线设备组态与运行控制、机器人编程、机器视觉编程、生产线系统联调等实战演练。

2.3 信息化教学创新教学手段

深化教育教学与信息技术深度融合，运用虚拟现实、多媒体、互联网等技术，开展数控技术虚拟仿真教学。虚拟仿真教学利用虚拟仿真技术，构建虚幻的条件与场景、逼真的操作对象、灵活多样的互动环节及学习内容［12-14］，能大大提高学生参与实验的积极性。同时，很多大型数控机床、工业机器人价格昂贵、使用和维护成本高，虚拟仿真技术应用弥补了设备台套数受限的问题，同时能减少工具和材料的损坏和消耗。学生可以充分利用课余时间远程实验，不受空间、时间限制，打破课堂教学固有模式，使课堂教学得以延伸，有效地提高实验教学效果和质量。

在数控技术实验教学的零件设计实验中，引入UG、Mastercam等CAD/CAM软件，完成零件的三维建模与仿真加工（见图3）。在零件加工实验中，引入数控加工仿真软件（见图4），软件提供多种厂家数控系统和机床模型、刀具型号，能够模拟机床对刀、毛坯安装、机床操作、零件加工等过程。最后，将编好的数控程序在数控仿真软件中反复验证，导入到机床进行实际加工。

图3 叶轮零件的三维建模与仿真加工

图4 数控加工仿真软件

依托我校科研实力，自主开发工业机器人仿真软件（见图5）。该仿真软件可以模拟工业机器人基本操作，完成零件在数控机床、料仓等设备上、下料、中转、射频识别（RFID）扫码等作业轨迹的示教编程。通过机器人仿真软件的学习，让每一个学生都有机会身临其境、快速掌握工业机器人编程与应用等专业知识。

图5 工业机器人仿真软件系统

利用博图TIA 软件对智能产线设备进行虚拟组态、集成和调试（见图6）。先在虚拟环境中编制自动化控制逻辑和PLC程序，然后再将其下载到真实智能生产线，控制物理自动化生产线运行。

图6 生产线设备集成与虚拟控制调试

2.4 竞赛提升学生综合能力

大赛作为促进学生成才的重要平台，是加强技能型、创新型人才培养、选拔的重要途径［15-16］。以赛促学、以赛促教，将竞赛内容和任务与数控技术课程的相关实验内容密切关联，将大赛内容融入课堂，让全体学生都能学习到新的工艺和技术。我校学生连续两年参加中国大学生机械工程创新创意大赛——智能制造大赛，取得一等奖2 项、二等奖3 项及其他多项奖项。大赛以真实的工业设备和工业环境作为赛场，以工业企业的工程标准作为考核评分指标，切实全面锻炼学生工程设计、工程操作、工程创新和解决复杂工程问题的综合能力。在比赛中也潜移默化地提高了学生团队协作能力、独立思考和创新能力。

3 建立线上、线下相结合的考核评价体系

实验教学考核作为实验教学过程中的一个重要组成部分，是用来考核学生学习情况、检验实验教学效果、实现实验教学目的主要手段，也是衡量人才培养质量的主要环节［17］。数控技术实验教学建立了知识能力与思维方法并重、线上线下相结合的实践教学考核体系和运行模式，不仅关注实验结束时的考核结果，更注重课前预习及对实践过程的管理与考核。比如，利用互联网，实现学生线上课前预习，相关知识点网上测试；实验成果在线提交、展示、老师在线批阅等。考核评价体系应以评价课程教学目标、学生能力培养目标的达成为主要目的，做到从不同方面对学生科学评价的同时，更要注重学生对实践教学的评教与反馈，以便更好促进实践教学改革与教学质量的提高。

将信息化技术引入实验教学，对学生实验过程的大数据进行采集与分析，实现对学生学习与实验基本情况的辨识。基于大数据的量化评价能够减少单一评价的主观性偏差，为学生提供更多元、更全面的评价。同时，对仪器设备、线上资源利用、学生的登录次数与在线时长、实验的参与率等大数据的统计分析，能为实验教学评价与改进提供科学依据。

4 结语

智能制造背景下的高校数控技术教学不仅面临着机遇，也面临着重大挑战，因此，面向制造业未来发展需求，开展数控技术教学改革势在必行。数控技术教学应确立清晰、准确的人才培养目标，建立起科学、合理的人才培养规划。整合各类软硬件条件，重新审视数控技术与相关课程边界，优化课程体系，注重专业知识融会贯通，强化综合实践训练，才能培养出符合先进制造业需求的具有较强工程实践能力的工程技术人才和具有创新能力和专业素养的领军人才。