职业院校工业自动化专业建设的思考

2022-09-10

《国务院关于大力推进职业教育改革与发展的决定》 (国发[2002]16号) 提出, “职业教育要为我国走新型工业化道路, 调整经济结构和转变增长方式服务。实施国家技能型人才培养培训工程, 加快生产、服务一线急需的技能型人才的培养, 特别是现代制造业、现代服务业紧缺的高素质高技能专门人才的培养”。

随着我国信息化、自动化、高新技术产业化的飞速发展, 特别是中央提出“用信息化带动制造业现代化, 用高新技术改造制造业, 以实现制造业跨越式发展”的战略部署, 工业自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一, 在众多行业中得以广泛应用, 不仅提升了传统产业, 更是工业技术一场新的革命。培养具有自动化思想, 掌握自动化技术及职业技能, 具备自动化设备及系统安装、调试运行、操作管理、维护及检修能力的自动化专门人才, 是自动化设备与系统正常工作、企业高效运行的前提保障。

1 职业院校工业自动化专业定位

1.1 自动化与工业自动化

1.1.1 自动化

自动化始于用机械或装置实现各种自动进行的操作。从最初的控制机器、设备, 到控制过程 (大到整个化工过程、制药过程、炼钢过程等) 、控制系统 (大到整个汽车制造系统、交通运输系统、通信系统、经济系统等) 。

1953年, J·迪博尔在世界上第一本以《自动化》 (Automation) 命名的书籍中给“自动化”所下的定义是:“自动化是分析、组织和控制生产过程的手段”。《中国大百科全书》对“自动化”的描述:机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。也就是说, 自动化是将自动控制应用于生产过程的结果。

1.1.2 自动化的核心

自动化的基础理论是《控制论》。维纳在其《控制论》中明确指出, 控制论的研究对象是一个系统的各个不同部分 (子系统) 之间相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。“系统”由若干相互依存和相互作用的子系统为达到某些特定目的所组成的完整综合体, 系统的性能主要取决于各子系统间的配合与协调, 还依赖于环境与系统的互动;“控制”的最基本问题是如何对系统施加控制作用使其表现出预定的行为。

这一论述表明, 自动化的核心是“系统”概念与“控制”思想, 采用“反馈”组织, 同时强调了对信息技术的应用。简单地说, 自动化技术通过反馈组织系统, 模拟分析系统特性, 研究控制行为, 使系统各环节的协调运行。

随着经济与科学技术的发展, “系统”、“控制”与“反馈”的思想被广泛地用于社会各领域, 自动化技术也因此而普及到各领域。

1.1.3 工业自动化

工业自动化的主体是工厂自动化 (FactoryAutomation, 简称FA) , 是指用自动装置或系统控制来管理生产设备及生产过程。工厂自动化分为连续生产过程自动化和断续生产过程自动。连续生产过程自动化又简称过程自动化, 主要指石油、化工、冶金等连续生产过程自动化。处理对象是流体、粉体、传输;断续生产过程自动化通常也叫工业电气自动化, 主要指机械加工厂的物品加工、装配、包装、输送、储藏等机械作业自动化。由于处理对象是固体, 有位置、形状、尺寸、姿势等问题, 生产过程是断续的。

工业自动化技术是一种运用控制理论、自动化设备、信息技术及其它相关技术, 通过电路逻辑、软件程序有目的的对工业生产装置及过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策, 达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等的综合性高技术。从职业应用的角度来说, 工业自动化技术是利用机械的或电子的自动化设备, 使生产装置、过程按照设定的工作方式运行, 达到希望运行状态的技术。

工业自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一。其技术的发展具有明确特征:实践性——发展总是和社会的重大需求紧密联系在一起的;时代性——人们总是把最先进的技术用作自动化技术的主要内容;系统性——从“系统”的角度来分析、研究和实现各种目标;交叉性——涉及信息技术、电气技术、数学及控制对象的相关领域知识, 需要与更多学科交叉、融合。

上述自动化技术的四大特征, 决定了培养自动化专业的教育改革方向。

1.2 职业院校工业自动化专业定位

现代职业教育理论认为, 职业教育中的“专业”是社会分工、职业归并和价值认可的产物, 应具有职业定向功能、生计主导功能和社会保障功能。教高[2006]16号文件《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中对专业设置表述“高等职业院校要及时跟踪市场需求的变化, 主动适应区域、行业经济和社会发展的需要, 根据学校的办学条件, 有针对性地调整和设置专业”, 反映了专业设置应具有社会适应性、前瞻性、开放性。

当我国工业从“电气化”逐步发展到“自动化”, 特别当中央提出“用信息化带动制造业现代化, 用高新技术改造制造业, 以实现制造业跨越式发展”的战略布置后, 自动化技术在工业企业中也得到跨越式应用, 不仅需要自动化技术开发、设计的工程技术人材, 更需要大量具备自动化思想、掌握自动化技术应用技能的一线复合性技能型人材。

自动化技术改变了制造业传统的生产模式、操作模式、管理模式, 相近职业技能与工种性质不断融合, 企业对岗位工人要求身兼数职, 一岗多能, 强调职业技能的复合性, 也符合我国现阶段以信息化带动工业化、走新兴工业化道路的国情。

自动化类人材培养应厚基础、宽口径;淡化机、电等单机概念, 突出含机、含电的系统概念;淡化“行业性的专业”, 突出“跨行业的专业”的理念;工业自动化专业建设尽可能多地覆盖社会职业或工作岗位。

1.2.1 职业定位

现代职业教育认为, 任何职业劳动和职业教育 (包括培训) 都是以职业的形式进行的, 工业自动化专业应具有如下的职业属性。

在宏观层面:职业能力——具有自动化核心思想, 熟悉工业自动化技术、掌握自动化技术应用技能 (主要针对工业生产设备、装置、过程的运行状态检测、运动控制、流程控制等方向) ;工作领域——主要服务于工业企业, 为工厂自动化、自动化工程、自动化技术行业提供一线的技能支持与服务;职业范围——在生产、实验、试验一线从事自动化设备及系统安装、调试运行、操作管理、维护及检修工作;职业价值——具体实施自动化技术规范、图纸、方案, 维护自动化设备与系统正常工作, 保障生产企业高效运行。

在微观层面, 工作对象——面向工业企业加工设备、生产装置、生产过程、系统所用自动化设备及系统;工作手段——运用“系统”、“控制”、“反馈”的自动化核心思想, 以自动化技术知识为基础进行分析、判断, 利用专业技能与职业能力实施技术服务;工作地点——工业企业生产支持部门、自动化工程施工场地;工作岗位——自动化设备及系统安装、调试运行、操作管理、维护及检修。

在我国职业大典中, 与自动化相关的职业 (工种) , 主要有电拖及自控工程人员、工业自动化仪器仪表及装置安装工 (维修工) 、化工仪表维修工、维修电工、电气设备安装工、热工仪表及自动化装置安装试验工、可编程控制系统设计师等职业 (工种) 等。随着自动化应用技术的深入、职业制度与职业管理的进一步完善, 与自动化相关的新职业将逐步产生与规范化, 传统的职业 (工种) 技术规程、工作对象、工作手段、职业能力也将更新与调整。工业自动化专业应以发展的人材观、职业观、能力观来适应时代的要求、技术的进步。

1.2.2 专业界定

“专业”一词的汉语解释是“高等学校的一个系里或中等专业学校里的学业门类”——仅指科学工程教育;英语的解释是“特殊的职业、技能或技巧”。在我国职业大典对职业院校引导性专业目录中, 涉及工业自动化技术的主要有“电气自动化技术”、“生产过程自动化技术”、“检测技术及应用”、“机电一体化技术 (电气方向) ”、“自动化生产设备应用”等。

其中, “电气自动化技术”以强电为主、单机概念, 主体是加工机械装置运行状态、以“电动机”作现场驱动设备为主的运动控制;“生产过程自动化技术”强调自动化的核心, 弱电方向, 主体是流程生产设备热工量状态、以“调节阀”作现场驱动设备为主的流程控制;“检测技术及应用”其核心是传感技术、信息技术;“机电一体化 (电气方向) ”是强调机电融合、气动技术, 属于对“电气自动化技术”的补充;“自动化生产设备应用”强调自动化设备本身的应用, 自动化本质概念不明确。

工业自动化专业不是对上述相关专业作简单重复, 也不是对相关专业的简单合并、压缩, 是对自动化类职业或岗位所需要的知识点、技能点以及对工作态度的融合;是对工厂自动化相关职业能力、职业领域、职业范围、工作对象、工作手段、工作岗位等共同点所作的归纳;建立在自动化的“系统”、“控制”、“反馈”概念基础上, 重组控制设备及系统的工作概念、技术知识;以控制系统的构成为框架, 按在系统中所处的环节, 重新分类自动化设备、装置及系统;以自动化类职业群的职业能力为依据, 对职业技能进行融合、调整;既考虑显性的职业资格要求, 更注重潜在的职业发展趋势。

在工厂自动化技术的传统认识上, PLC控制器、变频调速器、步进与伺服控制装置应用于运动控制;智能化仪表、DCS系统装置应用于过程控制。先进的控制技术、自动化设备功能进一步扩大, 应用领域进一步广泛, 上述自动化设备与控制技术, 已成为工业自动化的通用设备、通用技术。

工业自动化专业必然走“跨行业”发展道路, 拓宽专业口径, 实施通才教育。主要针对制造业, 以工厂自动化应用技术为主体, 强弱电并重、软硬件兼顾、环节与系统结合, 技术知识与实际操作相结合, 面向运动控制、过程控制和其它对象控制。当然, 随着社会经济发展、企业生产发展、就业领域的变化, 在具体方向上相应侧重, 但自动化的核心思想应贯穿于“教、学、做”过程中。

1.2.3 培养目标定位

职业院校培养目标宗旨为“以服务为宗旨, 以就业为导向, 走产学结合发展道路, 为社会主义现代化建设培养千百万高素质技能型专门人才”。职业院校自动化专业人材的职业价值主要是通过所掌握的职业技能把现有的技术规范、操作规程、施工图纸和工程方案变为现实。

职业院校工业自动化专业培养目标:

(1) 专业能力:具有工厂自动化、自动化工程、自动化行业等一线岗位从事自动化设备与系统安装调试、操作管理、运行维护及相关技术管理、设备管理的能力。

(2) 方法能力:强化自动化系统概念, 具有运用系统分析方法解决、处理问题的能力;具有由单一工种向复合工种转变的能力;具有由简单职业向综合职业发展能力;具有跨职业、跨行业、跨产业的能力。

(3) 社会能力:加强关键能力的培养, 并能以“系统与控制”的观点去认识工作、认识生活、认识社会。

2 职业院校工业自动化专业课程体系的建设

教高[2006]16号文件《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中对课程体系改革要求“根据技术领域和职业岗位 (群) 的任职要求, 参照相关的职业资格标准, 改革课程体系和教学内容。建立突出职业能力培养的课程标准, 规范课程教学的基本要求, 提高课程教学质量。”, 通过改革教学方法和手段, 融“教、学、做”为一体, 强化学生能力的培养。

“技术技能型”自动化类专业, 理应为国家工业发展、特别是加工制造业的发展服务, 围绕工厂自动化类技术岗位 (群) 所必需的基本的、先进的职业应用技术理论、方法与实践为核心, 构建课程体系。

2.1 知识结构

传统的工业自动化系统即机电一体化系统主要是对设备和生产过程的控制, 即由机电本体、动力部分、检测传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元等硬件元素, 在软件程序和电路逻辑的目的信息流引导下, 相互协调、有机融合和集成, 形成物质和能量的有序规则运动, 从而组成工业自动化系统或产品。其典型结构如图1所示。

东南大学戴先中在《自动化学科专业的知识结构体系浅析》 (《中国大学教学》2005, 2) 一文中认为负反馈闭环控制系统为自动控制的本质图、核心图, 它不仅描述了系统组成环节及各环节间的关系, 更深入的内涵是融入了自动化专业的知识结构与知识领域, 如图2所示的知识组成分为三个层次。

从传统学科上认识, 职业院校的自动化专业也应有上述的知识要求及知识结构。不同之处在于内容的广度与深度区别、学科性及实践性间的差异。

参照图2, 从职业实践出发, 三层的知识领域可划分为以下三层。```

基础知识层:主要包括数理基础、机电基础、计算机基础。

控制知识层:主要包括传感与检测 (或信息获取) 、信号传输与处理、控制与智能 (或信息控制) 、执行与驱动、对象特性 (机电本体特性) 。

系统知识层:主要包括过程控制系统与工程、运动逻辑控制系统与工程。

2.2 职业能力结构

职业院校的专业具有明确的职业特征, 知识与技术的归属不同于普通教育。因此, 职业院校的课程体系应建立在与专业对应的职业领域、活动范围、职业能力基础上。

职业院校自动化专业是培养面向职业岗位的技能人材, 必然面向设备及系统、面向实践。

因此, 以职业活动为中心建立起来的能力结构可分为以下三层。

2.2.1 基础层

基础层能力——职业必需的基本技能。主要包括电工基本技能、电子基本技能、信号转换与传输技能、管钳基本技能、计算机操作技能、数理分析及运算技能。

2.2.2 设备层

设备层能力——系统各环节设备的操作能力。主要包括设备调校、安装、维护、操作能力。

探讨工厂自动化所涉及的运动控制、过程控制、传感检测、机电一体化、联锁报警等主要自动控制系统, 分析自动化相关职业岗位所面对自动化设备, 依据在系统中所处位置与功能分类如下:

生产装置工艺过程环节:流程生产装置、机电装置 (包括动力电动机) 等。

检测传感环节:传感器、现场变送器、测量仪表等。

驱动与执行装置:控制阀、电磁气动机构、控制电机及驱动器、变频器等。

控制装置:继电逻辑线路、控制仪表、PLC控制器、DCS控制装置等。

2.2.3 系统层

系统层能力——系统的操作能力。主要包括系统连接、调试、运行、维护能力。

事实上, 图1所示闭环负反馈控制系统还可以再拆分为功能较单一的开环结构系统:自动检测系统、自动操作系统 (如图3所示) 。

也就是说, 在系统层面上, 可分为自动检测系统操作能力、自动操作系统操作能力、自动控制系统操作能力。

2.3 基于工作过程的课程体系

职业教育是面对生产服务第一线的人才。职业教育应遵循职业性原则, 从工作出发、从需求出发。职业教育的课程体系要遵循“工作岗位或岗位群—岗位典型工作任务—行动领域—学习领域”这样一条逻辑主线, 也就是应以工作任务为中心来整合技术理论知识和技术实践知识为课程内容的组织模式。

通过对自动化专业职业领域、职业范围、职业技能要求的讨论, 可以得出工业自动化职业岗位的中心工作任务——维护设备、系统的正常运行;主体行动领域——设备、系统的安装、调试、运行操作、维护管理, 学习领域——以设备、系统为主体, 以设备在自动化系统中的应用为目标, 将相关的技术理论知识与技术实践知识融入其中。

考虑到人的认知过程, 职业技能的形成过程, 结合对自动化职业能力结构的分析, 课程体系的建立采用三层递进方式:专业基础层、开环系统层、闭环系统层 (如图4所示) 。

《职业教育学基本问题的思考》 (姜大源, 〈中国职业技术教育〉主编) 一文中提出:职业教育课程内容的选择标准应“以过程性知识为主、陈述性知识为辅, 即以实际应用的经验和策略的习得为主、以适度够用的概念和原理的理解为辅。”

在开发开环系统层的课程开发中, 选取典型设备使用、典型参数测量等设置工作任务, 一方面要考虑设备本体的知识与技能, 同时也应考虑其在系统应用中的相关知识与技能。

在闭环系统层的课程开发中, 一是要突出控制装置, 一是要突出系统概念。突出控制装置是为了引入控制装置, 突出系统概念是为了建立系统、综合应用。

基础课程的主要目标仍是为后续专业课建立良好的关于电路、电子、信号的技术基础与基本技能。

“电工技术及技能训练”——围绕电路器件、电路物理的测量、交直流电源及典型电路、电磁器件、安全防护等设置相应的工作任务。

“电子技术及技能训练”——围绕器件 (包括晶闸管) 应用、信号处理、逻辑应用、干扰防护等设置相应的工作任务。

3 实训设施建设

职业教育要求人才培养教学过程具有实践性、开放性和职业性, 专业教学过程的实施与相关职业在劳动过程、工作环境和活动空间 (职业情境) 方面所具有的一致性。实训条件、实训模式直接影响培养效果、目标达成度, 特别是基于工作任务的课程体系教学, 要做到“教、学、做”融合, 不仅要求有必须的实训设施, 还关注这些设施如何开展教学活动。

3.1 实训设施建设的理念

3.1.1 职业情景化

职业教育的培养对象, 主要具有形象思维的特点。强调“通过行动来学习”和“为了行动而学习”, 职业教育的职业属性要求职业教育的教学过程应尽可能与职业的工作过程保持一致性, 实训场所成为实施教学的主要活动空间, 通过对职业活动的真实模拟、再现, 学习过程依照职业的工作过程展开, 以便获得完整的职业行动能力。

因此, 实训设施建设应突出职业情景化、操作实际化。这需要解放思想, 敢于抛弃传统的验证性实验设施的禁锢, 这并不排除对关系的认识与理解, 反而更能从实际中找出关系、应用关系, 更有利于职业能力的培养。

3.1.2 开放性、平台性

实训设施的开放性、平台性, 是指通过不同的构建形式, 能适应不同的教学活动形式需要。一方面, 通过实训设施的构建过程, 更充分的体现职业活动, 完善职业技能, 另一方面能适应不同要求的教学活动, 同时也有利于对设施更新、功能扩展。

职业教育改革的深入, 教学模式的改革、教学内容的更新, 只有实训设施具有开放性, 才能满足新的需求。从一点出发, 实训设施的建设更应强调平台作用, 对基础装备的配备, 以适应专业的发展与变革。

3.2 自动化专业实训设施

自动化专业实训设施应完成基础技能、知识的教学需要, 同时能真实模拟自动化类岗位职业活动, 满足专业教学的需要。

基础技术知识与技能实训的通用性, 决定了基础实训设施的独立性;专业技术知识与技能实训应具有课程体系的结构特点:设备—环节—系统, 专业课程实训设施则应按环节组合、系统领域分类建设。

电工技能实训室:主要完成电路器件、电路物理量测量、电路连接、电路检查、典型电路应用、安全防护 (接地、静电、雷电、屏蔽) 等基础知识与技能的培养。

电子技能实训室:主要完成电子器件 (包括晶闸管、运算放大器、数字集成电路) 、电子电路连接、电路检查、典型器件应用、特别是信号处理与转换 (包括数模转换) 、数字逻辑应用等基础知识与技能培养。

检测传感实训室:主要完成主要传感器、检测元件、信号处理、信号传输等专业知识与技能的培养。

自动化仪表实训室:主要完成变送器、执行器、显示仪表、控制仪表的校验、运行、线路连接、仪表系统配电、配气等专业知识与技能的培养。

继电控制与PLC控制实训室:主要完成继电逻辑控制、PLC控制、线路连接与检查等专业知识与技能的培养。

电机控制 (变频器、直流调速、步进驱动实训室) :主要完成电动机控制、变频器操作、控制电机驱动、直流电机调整系统等专业知识与技能的培养。

机电一体化 (运动控制系统) 实训室:主要集成传感检测、多种电机驱动、PLC控制等综合性运动控制系统安装、调试、运行、维护专业技术知识与技能培养。

过程控制系统 (DCS、控制仪表、PLC) 实训室:主要完成热工量检测、变送器、线路敷设、控制仪表、PLC、DCS控制装置等综合性流程控制系统安装、调试、运行、组态、运行、维护等专业技术知识与技能的培养。

4 结语

职业院校自动化专业是培养自动化职业岗位的一线技术技能人材。准确把握培养目标, 是职业院校工业自动化专业建设的关键。

在自动化专业的建设中, 根据不同地区、主要面对行业, 有不同的侧重与选择, 但“系统”、“控制”、“反馈”概念始终应为专业核心, 只有如此才能真正的办好自动化专业。

职业教育的自动化专业建设应具有职业性。基于工作过程的课程体系建设应以典型设备、系统为主体, 围绕设备、系统开展职业能力的培养。相应的实训设施建设应强调职业情景化、操作实际化、设施的开放性。

课程体系的改革只是专业改革的开始, 教学模式的改革、教材的开发、教师的培养有待进一步的探索。

摘要：职业院校自动化专业是培养自动化技术类应用型技能人材, 准确把握培养目标是专业建设的前提。通过分析自动化技术类职业岗位群, 遵循职业性原则, 在专业建设中以“系统”、“控制”、“反馈”为核心, 构建基于工作过程的专业课程体系, 实现教学过程与工作过程的融合, 在实训设施建设上突出工厂情景化与操作实际化。

关键词：职业院校,工业自动化,专业定位,课程体系,实训设施