DOI：10.16660/jki.1674-098X.2011-5640-2551
关于培养“互联网+”背景下智能制造工艺
工程师的探索①
孟书云  刘汉忠  张立  陈桂
(南京工程学院自动化学院  江苏南京  211167)
摘  要：随着智能制造成为国家制造业转型升级的重要方向，市场对智能制造工艺工程师存在新需求。立足于智能制造工程专业人才培养目标，以服务地方经济发展为导向，构建基于“小工艺+大工艺”的课程教学内容，瞄准行业企业生产现状和未来发展愿景，在教学中拓展传统工艺范畴，融入大数据和智能概念，借助先进的数字化技术和工业互联网工具，实现适应于智能制造的工艺工程师知识和技能双升级，提升人才的市场竞争力，为国家产业发展提升输送所需人才。
关键词：制造业转型  智能制造  工艺工程师  课程教学
网络工程师的前景中图分类号：G642                              文献标识码：A                    文章编号：1674-098X(2021)01(c)-0200-04
Exploration on Training Intelligent Manufacturing Process
Engineers under the Background of Internet+
MENG Shuyun 1  LIU Hanzhong 1  ZHANG Li 1  CHEN Gui 1
(School of Automation,Nanjing Institute of Technology, Nanjing, Jiangsu Province,211167 China)Abstract: As intelligent manufacturing has become an important direction for the transformation and upgrading of national manufacturing industry, there is a new demand for intelligent manufacturing process engineers in the market. Based on the talent training goal of intelligent manufacturing engineering specialty and oriented by serving the local economic development, the course teaching content based on "small process + big process" is constructed.Facing the current situation of the production and future development prospect of industrial enterprises, the scope of traditional technology is expanded in teaching, including integration of the big data and intelligent concepts. With the help of advanced digital technology and industrial Internet tools, the knowledge and skills of process engineers in intelligent manufacturing are upgraded. This leads to enhance the market competitiveness of talents and transport the needed talents for national industrial development.
Key Words: Manufacturing industry transformation;Intelligent manufacturing; Process engineers;Cours
e teaching
①基金项目：南京工程学院本科生学业导师制试点改革项目(项目编号：JS201751)；南京工程学院高等教育研究
课题(项目编号：2019YB16)。
作者简介：孟书云（1978—），女，博士，副教授，主要从事数控系统的教学与研究，智能制造。
目前，国家众多制造业的升级方向已明确定为自动化、数字化、网络化、智能化，以期实现产业“节能低耗、环保生态、提质增效”的高质量发展目标。制造工艺在整个制造业升级道路上发挥着重要作用，具有相应知识背景和能力的工艺人员是实现各行业制造智能化升级的重要力量。基于此，在智能制造工程专业人
才培养的大目标下，与制造工艺有关的课程被确立为一门专业主干课。如何在工艺课程的教学中更好地服务于国家经济发展前景、满足地方经济和企业用人需求，是本文探讨的核心问题。
1  智能制造背景下生产工艺的特点
首先，生产工艺在制造智能化升级中占据重要地
位。生产工艺是指生产工人利用生产工具和设备，对各种原料、材料、半成品进行加工或处理，最后使之成为成品的工作、方法和技术。好的生产工艺是生产低成本、高质量产品的前提和保证[1]。国民经济中，离散制造和流程加工[1-3]，例如石油、化工、冶金、轻工、机械、制药、医疗等行业，均需在生产工艺的指导下有条不紊地完成生产任务。国家在经济领域开展的供给侧改革和制造业高质量发展目标，使得生产工艺成为位于最底层执行单元的保证目标顺利实施的核心要素。
其次，影响生产工艺的因素多。随着经济贸易全球化和国家制造能力的增强，各行业生产过程中运用的生产工具和设备呈现多样化特征。制造用原料不断推陈出新，检测、包装、物流技术更新加速，且产品订单趋于多品种、小批量甚至是个性化定制品。同时，各行业还需兼顾工业生产带来的生态危机、环境污染等方面的问题。
再者，生产工艺具有非标性。企业不仅要在国内同行间具有先进的产品制造水平，更要在国际竞争中具备高效生产质优价廉产品的能力。但当前内不同企业生产现状和发展水平存在一定差异。行业龙头资金技术实力雄厚，设备更新快，但中小微企业短时间完成设备等生产设施和技术的更新存在困难。这决定了运用的生产工艺应因地制宜。
另外，生产工艺决策复杂度大大提升。在机械化/自动化制造时代，生产人员仅加工制造的局部环节拟定合理的加工工艺，例如在单台或几台设备上实施作业，涉及加工内容和加工顺序、加工参数、工时及设
备和辅助工具等多要素。而智能制造时代将会把产品的全部制造要素甚至是异地的制造资源统统纳入。以机械加工为例，从原材料准备、毛坯/半成品/成品的加工、清洗/去磁/防锈/包装/物流等辅助工序、加工成本/物流成本/时间成本均要作为生产工艺决策要素。智能制造可突破时空限制，实现跨地域全天候的作业。出于降本增效的目的，应停人不停机。通过对比可以发现，新经济形势下的生产制造执行层核心要素——工艺，日益朝向遍及产品全生命周期并且面向多要素的决策复杂化方向发展。
2  课程内容的改革
传统生产并不需要实时获取生产现场过程数据，制造工艺多为集中于每一个制造点处的生产实现方法，称之为“小工艺”。为适应这种生产力的需求，关于工艺的教学都以此作为开展教学时的内容核心。但小工艺呈离散化、点与点间松耦合的特点，不再适应现代化智能制造的发展。出于行业企业高质量发展的目的，智能制造不仅仅考虑生产时每个制造点的加工问题，更需要在工艺拟定过程中对产品整个生产流程进行综合研判，即将所有这些点连成线完成更高层级决策。这里将按照该思路制定的工艺称为“大工艺”。从职业需要来讲，将大工艺引入课程教学是必要的。
而且，企业对新员工培训时，包含了解企业整个生产流程，以便员工在单位能顺利开展工作。但学校课程教学内容是高度概括总结后的共性知识。至于企业隶属于哪个行业、不同行业生产流程之间的共性和差异性等，介绍有限。由于不同行业的生产工艺差别大，传统教学会使得企业苦于不到可用之人，有必要结合企业案例介绍大工艺内容。
因此，结合智能制造下工艺的新特点，从行业发展需求及变化来判断市场对未来人才的要求，调整并精选教学内容，采取多样化教学方式，确保企业能觅到所用之才、高校毕业生能有用武之地。
2.1 创新思维的培养
大力培养创新型人才是新时代国家人才战略的重要转变。智能制造工艺工程师的创新思维应如何培养？如何将创新意识与课程教学中深度融合？从学生来讲，可以在掌握基本知识的基础上，做一些有方向性的思维构想、资料检索、创新性探索。作为教师，需要汇集广泛的国内外行业产业信息，了解相关领域的科学与技术的发展史，基本明确从基础科学研究到技术应用的路径和过程，以期在创新人才培育中作好引路人。创新需有内生动力，即对创新基本规律的认知和把握。不同学科有不同的特点和规律，需要专业课教师潜心自主挖掘。对制造工艺来讲，经过系统化的教学和训练，学生不能满足于制订和执行传统工艺，更应该具备成为新工艺发明人的弹性，比如将低附加值的工艺适时转变为具有高附加值的、前沿性加工工艺的眼界和能力。新工艺的探索路径包括但不限于：（1）从工艺传承方面，不局限于金属加工，师生可在考古或博物馆中，发现很多失传的古老工艺；（2）从工艺创新方面，当现有工艺不足以解决加工问题或要求时，倒逼旧有工艺的升级换代；（3）新工艺的出现，势必会带来新材料、新设备的研发。可见，新工艺的探索不仅使学习更贴近社会与生活，还会激发学习兴趣，准创新思路和方向。
2.2 基于智能制造的工艺知识体系构建
基于智能制造的新工艺是建立在传统工艺基础
之上的。传统工艺给出了手工制造和机加工的解决方案，囊括了金属切削原理、机床/刀具/工装夹具的结构和应用、零件常用表面加工方法、加工质量的影响因素和控制方法、工艺规程的编制。其中刀具的几何参数、切削过程和规律、定位误差分析、工序尺寸及公差的计算是重点和难点。鉴于国内不同企业生产设备的自动化程度差异大的情况，从产品的实际制造成本和效率考虑，学生有必要掌握适用于普通机床和数控机床加工相关的内容。
关于智能制造背景下的新着眼点，一方面是拓宽认知纵深，探索“互联网+”、人工智能与制造工艺的碰撞点。对给定行业的制造工艺，加强横向拓展，即在原有生产流程和制造工艺基础上，借助于成本、质量、生产效率、利润等市场指标的评估，依托于工业互联网平台，运用传感器、大数据技术采集现场生产状态，加入人工智能，纳入异地协同制造，实现生产流程和工艺参数可随设备状态和订单变换，从而实时动态调整并最大限度降低设备待机和空置，缩短加工辅助时间，构成工艺环节的封闭环，服务于企业经济利益最大化。另外以讲座、视频等形式将不同行业的生产制造工艺流程纳入到教学内容很有必要。另一方面，探索智能制造工艺信息化、软件化的实现途径。在工艺信息化方面，传统手工编制工艺方式被摒弃，通过融合材料、机械、物理等学科理论，工艺仿真逐步取代加工试制。工艺的信息化和软件化，会进一步推动制造业的高质量发展。
3  教与学的改革探索
3.1 大学生学习主动性分析和工程能力的培养
大学生对未来的预期决定了当下的学习态度，高校人才定位影响学生就业前景，企业对智能制造工艺工程师有一定要求。对于应用型工科院校来讲，毕业生主要流向中小微生产制造企业。国内不少中小微企业市场研判准确，提供专而精的产品和服务，成为国内外大型公司产业链上的优质供应商；但不乏中小微企业是在较为落后的生产线基础上从事劳动密集型生产。对学生来讲，就业单位发展水平参差不齐，面对工作环境差、劳动强度高、工作地点偏远且薪资低的岗位，极大挫伤学习积极性。而采用了类似于“黑灯工厂”模式的三化融合程度高的企业，所需员工数大大减少，学生想到合适岗位却又竞争很大。市场需求拉动人才供给，同时员工基本需求推动企业用工环境进一步提升。从企业来讲，有待利用高新技术提升产品附加值，改善工作条件，降低劳动强度，增加对人才的吸引力；而学生在全面了解企业劳动强度、工作条件、薪酬待遇后，对大学教育完成后的就业有基本认识。企业提供的用人条件和学生的基本诉求形成良性循环后，开展教与学会顺畅得多，不仅传统工艺学习过程不再枯燥和迷茫，融入智能制造新理论和技术的教学将成为学生积极主动参与和探索的环节。
智能制造产业升级背景下，如何培养学生关于制造工艺方面的工程能力是教学面临的核心问题之一。面向行业和区域经济发展，从学生未来发展空间出发，不仅要注重小工艺，厘清工艺领域知识，更要重视工艺规程信息化趋势。从大工艺问题出发，借助于数据采集、数据库、软件工程、数字孪生、制造执行系统等来形成工艺闭环，完成工艺仿真，调整工艺参数，自动生成加工程序和后处理[4]。从新理念建立
到工程项目开发，实现知识技能的应用和融会贯通，通过实践完成学生自身知识体系重构，拓展国际视野，拓宽知识广度，激发学生自主思考、知识内化与领悟的主动性和可能性，提升学生分析问题和解决问题的能力。
3.2 教师教学能力的提升
智能制造产业升级需要大量跨学科的复合型和综合型优秀人才[5]。人才的获得，一方面固然与生源质量好、学习能力强有关，另一方面，与教学团队和教师的教学方法、教学能力、教学内容以及教学引领息息相关。跨学科人才的培养，直接面临的就是教学内容信息量大增，以及工程能力培养过程中多学科跨领域实验室合作培养的问题。上述两点对教师来说是极大挑战。以制造工艺为例，教师要懂设备、懂流程、懂加工、懂经济效益，还要深入不同发展状况的企业了解生产现状，从而便于一线教师在社会需求和课堂教学中到结合点。满堂灌、填鸭式教学等挤占学生的思考时间和头脑空间的教学方式已不再适应新时代人才培养。充满趣味、能激发出学生求知欲、职业荣誉感、生存丰盛感的专业教育理念和方式方为教师值得深思和探索之处。大量的跨领域专业理论和知识、实践操作训练，仅仅依靠极为有限的课堂教学是无法做到的。教师通过提供大量线上资料，充分利用线上交互的便利性，引导学生掌握工程开发所用的各种工具，作好学生课外学习的及时指导和答疑解惑，从而顺畅学生“在学中做、在做中学”的工程能力培养道路。
4  结语
在这个日新月异的大变局时代，国家和地区的经济
高质量发展对人才提出了更高要求，企业、高校、学生三者休戚与共。以智能制造工程师培养为目标，探讨了“校-企-生”之间存在的问题，分析用工和育人之间的错位点，调整教学方法和思路，着力于学生创新思维的引导，构建智能制造工艺知识新体系及融合了软件工程、大数据、人工智能等先进技术的跨学科工程能力训练项目，力争培养出一批能实际解决中小微企业发展和技术升级痛点的实干大学生——智能制造工艺工程师，为国家和地区经济建设贡献力量。
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3  研究结论和进一步研究方向
由于缺乏对过程设计好处的了解，在许多服务环境中，将实验设计技术用于过程理解的应用相对较少。此外，人们有一种先入为主的错误思维方式，认为过程实验设计仅限于制造业。本文的目的主要说明在高等教育环境中试验设计方法的使用以及可行性。实验结果清楚地表明，学生基于直觉和猜测对教学效
果的影响因素与筛选试验的结果并不完全相同。此外，实验结果还为该项技术在高教部门的其他过程中提供了案例研究，为其更广泛的应用提供了更大的动力。此外，下一步需探讨不用文化背景下教学效果平均得分如何变化，以及前五大因素是否存在差异。
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