控制工程領域校內實踐基地建設的探索與實踐

劉福才 劉林 高娟娟

[摘要]結合全日制控制工程碩士研究生培養目標，針對專業學位碩士研究生實踐能力培養存在的問題，從學生校外頂崗實習、參與導師科研項目和在校內實訓基地接受實訓等方面入手，提出解決方案。結合社會對畢業生能力的需求導向，建立具有實用價值的實訓基地用于專業學位碩士實踐能力的培養。

[關鍵詞]專業碩士；實訓基地；能力培養

[中圖分類號]G643[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2017）06-0108-06

0引言

專業學位碩士（以下簡稱“專碩”）是我國碩士研究生繼學術學位碩士（以下簡稱“學碩”）后又一培養模式，專碩是一類以培養實際操作能力為目的、有一定的職業背景的碩士研究生。由于2009年之前各高校培養的學位碩士專業技能不強、學術研究能力也不強，所以為了更好的適應用人單位的需求、完善研究生教育結構，我國于2009年2月出臺了關于碩士研究生的培養模式由學術型向應用型轉變的相關通知[1]。我國從2010年開始減少了對學碩的招生人數，增加對專碩的招生人數，改善培養結構。各大高校也加強了對專碩實踐能力的培養，但是因為校外實習存在管理、安全等問題，所以很多高等院校加大了基地管理力度[2]。中國礦業大學利用西門子PLC，考慮工業控制網絡結構建立實訓平臺，平臺定做或自制被控對象，以更好地模擬工控現場[3]。北京科技大學以實際系統為原型建立了自動化實訓平臺，系統包括運動控制、過程控制等多個行業系統，還包括集成信息系統和先進工廠的集成網絡。另外，還有伺服倒立擺控制系統、多熱工參量控制實訓系統等。系統中使用到了西門子PLC[4]。西南交通大學與企業共同建立一個全方位接觸和擁有先進自動化產品的平臺[5]。南昌工程學院建立基于Kingview的PLC實驗平臺，針對相關項目，完成設計等工作[6]。魯東大學以全日制專碩培養的實踐為出發點，探索多角度、平臺化、立體化的教學模式，以專碩為主體，發揮導師的主導作用，并加強對課程體系的建設，突出實踐教學環節的設計，整合資源與條件，構建具有職業特色的高水準的人才培養平臺[7]。北京理工大學以全日制專業碩士的培養和實踐基地的建設為研究對象，利用戰略管理理論對校園內外環境進行分析，為戰略的實施搭建系統和平臺，并進一步完善，找到合理的評價指標[8]。東北大學結合控制工程碩士的培養目標，建立了多層次的實踐基地，以良好的質量為目標，構建了科學、規范、系統的管理監督保障體系[9]。

1專業碩士培養實踐教學環節現狀分析

燕山大學于2009年起招收全日制專碩，現今已培養控制工程專業專碩465人。在控制工程專業學位研究生培養方案中，工程實踐能力的培養目標是掌握控制工程領域的基礎理論、先進控制技術方法和手段，重點培養學生在冶金機械綜合自動化、網絡控制技術、模式識別與智能系統、機器人控制技術等領域進行先進控制理論應用、控制系統設計開發、安裝及調試的工程實踐與應用能力。在實踐教學環節要求中，實踐教學環節為必修，計6學分，可利用校內實訓平臺和實踐基地開展模塊化實踐訓練，也可在企業或校外實踐基地進行工程實踐；專業學位研究生在學期間，必須保證不少于半年的實踐教學。在實際執行過程中，學生的實踐教學環節現狀如下。

1） 企業或校外實踐基地頂崗實踐人數有限。自2009年開始招收全日制專業碩士研究生以來，控制工程專業招生人數、在企業實習的人數、參與導師項目人數以及校內實訓人數的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，雖然全日制專業碩士研究生的招生人數逐年增加，但能夠到企業去頂崗實習人數的變化并不明顯，這也是我國目前專業碩士培養不得不面對的問題。分析其原因有以下幾個方面：一是愿意接收學生實習的單位并不多，而且人數有限。為了推動企業參與專業碩士培養，各高校與相關企業單位建立了專業碩士實踐基地，但由于企業研發方向與學校專碩的培養方向有差異，所以能夠真正接收專業碩士實習的人數少之又少，接受1～2人還可以，5人以上就比較難了，部分專業碩士實踐基地建設形同虛設。二是大多數學生導師對學生到企業實習有抵觸情緒。研究生是導師科研項目的主力軍，特別是專業碩士是導師橫向科研項目的主要完成者，并不是所有的橫向科研成果都和研究生的畢業論文相關，因此學生離開學校到企業實習半年會對導師科研項目有影響。三是學生（特別是應屆生）自身對實踐能力提升認識不足。應屆本科畢業生在轉入攻讀碩士培養階段，由于沒有企業工程經驗，對企業文化及對畢業生實踐能力的需求沒有足夠的認識，因此并不是所有的專業碩士都愿意去企業實習鍛煉。

2） 專碩、學碩的培養界限不明顯。從培養目標及定位上來看，學碩注重學術能力培養，專碩注重實踐工程能力培養。在實際執行過程中，如果專碩選擇了只有縱向課題（以理論研究為主）的導師，學碩選擇了只有橫向課題的導師，實際的培養過程為專碩只能做理論研究，每天除了利用軟件仿真就是寫學術論文，在撰寫學位論文時，可能會盡量去靠一些實際應用背景。在獎助學金評定時，專碩的學術論文成果還很占優勢，但這并不是專碩培養標準制定的初衷。

3） 專碩學位論文的形式與考核標準。學位論文是學生的代表性學習結果，是培養質量的主要標志，對學生有重要的意義。我國在關于研究生培養的相關文件中強調：“要準確定位專碩論文的規范，內容需要來自實際問題或者實用性課題，應有明確的職業背景和應用價值。論文可采用產品開發、調研報告等形式。”[10]對來源于實踐選題的學位論文應進行必要的拓展和提升。在強調專業實踐的同時，也應該加強對專業碩士的學科教育，不能弱化對學位論文的學術指導[10]。

實際的狀況是，若論文研究內容為真正解決企業實際問題，大部分由于學術水平提升有限，在論文送審和答辯時有可能不被專家認可，所以好多高校都把專碩按學碩方式培養，甚至不分學碩和專碩。

4） 參與導師的研究課題，提高實踐動手能力。對于有企業橫向課題的導師來說，專碩是項目實施的主力軍。燕山大學控制工程學科在伺服電機驅動的連鑄結晶器非正弦振動控制系統及其關鍵技術、無線傳感網絡控制技術、腦神經電信號動態分析與監控、大型港口移動設備智慧作業系統、特種軋機高強鋼軋制過程模型分析與智能控制、空間機構操控技術及國防裝備測控系統集成、流體傳動控制技術和鍛旋壓機控制技術等方面有自己的研究特色，在這些領域培養了一大批專碩。這對提高學生的實踐能力、解決企業及社會需求、推動相關領域的技術進步與發展起到了積極作用。

從圖1可看出，大部分學生須在校內完成實踐教學環節。因此，校內實踐基地的建設與運行對培養專業碩士實踐能力起著至關重要的作用。燕山大學控制工程學科經過近8年的探索與實踐，在校內實訓基地建設規模與水平方面有了較大的提高。

2校內實訓基地建設目標及功能定位

實踐基地是實現全日制專碩培養目標的重要保障，也是培養高層次應用型人才的重要平臺。研究生實踐基地可分為校內實踐基地和校外實踐基地。校內實踐基地的主要任務是完成培養方案要求的課程實驗、專業實踐、學位論文等實踐環節。功能定位為加強專業學位研究生現代實踐方法和技能的訓練以及自主實踐能力的提高。

根據控制工程專業研究生就業特點，結合企業及科研院所在自動控制領域自動化設備維護與產品開發的人才需求背景，校內實訓基地建設目標是使學生掌握過程控制自動化主控制器（PLC+變頻器）和計算機控制技術（嵌入式系統開發）的工程應用方法，能夠根據用戶要求進行控制系統設計、軟件開發及實驗室模擬調試，并將學到的控制理論知識應用到實際系統中。因此，實訓基地功能定位為PLC控制技術及嵌入式系統開發。

1） 嵌入式系統開發實訓模塊建設。在嵌入式系統開發方面，自主研制STM32開發板及目標板100套；組裝智能尋跡小車20套；Linux開發系統15套；四旋翼飛行控制試驗平臺15套；智能家居物聯網實驗箱10套。物聯網實訓模塊主要學習使用JAVA開發軟件，實現智能家居。

2） 全數字交直流調速系統實訓模塊建設。在PLC控制技術方面，學科依據和企業合作以及在實踐訓練中累積的經驗，整合國家項目中的自動化控制系統，自主研發了103臺套具有自身特色的PLC實訓設備，主要包括： HMI+松下變頻器+三菱 FX-2N PLC的實訓掛屏10套，HMI+臺達變頻器+西門子S7-200 PLC的實訓掛屏10套，上位機Wincc + 遠端模塊ET 200+西門子 S7-300 PLC+DP網絡+西門子變頻器的實訓掛屏5套，西門子S7-400 PLC+ TDC+交流伺服的高級控制系統實訓裝置1套，ABB傳動控制系統的實訓平臺20套，西門子S7-1200實驗箱32臺，西門子TP1200HMI+1500PLC+G120DEMO實訓平臺20套，全數字交直流調速系統實訓柜5套。其中，全數字電力拖動控制系統實訓柜主要包括英國歐陸590P（直流）、西門子6RA70（直流）、西門子6SE70（交流）、芬蘭 ABB-DCS400（直流）與ACS800（交流）等全數字式交直流調速裝置，采用HMI和FX-2N PLC控制，實訓柜的設計及功率選擇以生產實際為背景。STM32嵌入式微控制器開發板（200套）、物聯網實訓平臺（10套）。專碩研究生在校內就可以了解并掌握設備的特點和相關操作技巧。這在很大程度上減少了學生入職后的培訓時間，在畢業生泛濫的形勢下，增加本校畢業生的就業機會。

3） 校企合作共建校內實訓平臺。燕山大學自動化系長期和企業合作，共同建設實訓平臺，為在校生創造企業化的實踐條件。同時，學校會培養出更專業化的畢業生。建設的實驗平臺主要有：燕山大學—北京ABB傳動控制系統實驗室、燕山大學—丹福斯變頻傳動實驗室、燕山大學—西門子自動化技術實驗室等。

建設實訓平臺主要目的就是全面提升學生的工程實踐能力，讓學生知道如何將所學知識應用到實際中，并對企業的管理以及實際設備的使用有一定的了解。實訓基地是培養學生安全生產意識、職業習慣、團隊合作意識等職業素養的重要場所[11]，對工程人才的培養起著重要作用。因此，對實踐環節的基本內容和實訓實驗室的建設規范進行探索顯得尤為迫切。學習的最終目的就是用學到的知識解決生活中的問題，用科學知識指導生活實踐。

3實訓基地的運行與管理

3.1校內實訓基地的運行

校內實踐基地應具備基本的教學科研實踐功能，能夠獨立開展符合專業學位研究生培養要求的創新實踐訓練；從教學實際出發，利用現有教學科研資源，實現實踐平臺的共享化、模塊化。校內實踐基地的實訓模塊比較多，學生可以根據個人意向進行初選，學科根據初選情況進行分組。下面以智能循跡小車和PLC實訓掛屏兩個模塊來說明實訓基地運行情況。

1） 智能循跡小車實訓模塊。智能循跡小車實訓模塊的實訓目的是讓學生掌握嵌入式系統產品的開發、系統調試、傳感器應用及電機驅動方法等專業技能，為STM32工程應用打下堅實的基礎。智能循跡小車是由STM32主控板、紅外模塊、電機驅動模塊、電源模塊以及小車支架和車輪等組成。主要軟件包括：編程軟件Keil及下載軟件。利用串口線或仿真器進行程序下載。STM32主控板是自主設計的，其余模塊可從網上購買。智能尋跡小車實訓單元如圖2所示，培訓及考核過程如圖3所示；實訓流程及主要內容見表1。

2） PLC掛屏控制系統實訓模塊。PLC掛屏實訓模塊的實訓目的是使學生掌握目前主流的PLC控制系統的硬件組成及軟件編程方法，熟悉品牌全數字交直流調速系統的功能設置與主要參數設置方法。為企業PLC控制系統及傳動控制系統設備維護與產品開發打下堅實的基礎。

PLC類的實訓平臺主要是有以下幾種。S7-300實訓裝置主要由總線、HMI（觸摸屏）、西門子PLC、變頻器和電機組成。全數字交直流調速系統主要包括西門子直流6RA70、交流6SE70，ABB直流DCS402、交流DCS800，英國歐陸590P等。S7-400實訓裝置主要由TDC、S7-400及交流伺服組成。ABB傳動控制系統主要由總線、HMI、PLC、變頻器、電機組成。參加實訓的學生需要完成以下幾個任務：（1）查線，即在斷電情況下，根據已有的電路原理圖（也可以不給電路原理圖，由學生自己測繪出控制系統原理圖），對線路連線進行檢查，觀察哪里少線多線并理清線路，然后利用萬用表檢查導線連接是否正確，接線端子是否接觸良好等；（2）學習全數字交直流調速裝置的典型應用線路，進行主要參數設置與存儲；（3）學習觸摸屏及PLC編程軟件；（4）根據工藝要求，進行控制系統連線，由兩名學生分別編制上位機HMI組態界面和下位機PLC控制系統流程圖；（5）上電，進行分立單元功能調試，檢查修改硬件電路及程序；（6）進行控制系統聯調及功能驗證，解決調試過程中出現的軟硬件問題；編寫實訓報告，準備考核答辯。

3.2實訓基地的管理與成就

各項實訓由學科統一管理，參與培訓的教師一般選擇具有相關項目經驗的教師和熟悉相應實訓平臺的研究生。選擇研究生作為輔助培訓人員主要有兩點原因：第一，學生之間更容易相互交流，更有利于實訓的進行；第二，鍛煉培養研究生的實踐教學能力。為了提高校內實訓環節質量，在做計劃時，首先根據學生的學習意愿進行統計，然后將學生分到相應模塊，每個模塊再進行分組，每2～3人一組。學生可以根據個人長處進行任務分工，目的是培養學生團隊協作能力及組織管理能力。考核采用出勤（占10%）、平時表現（占40%）、現場答辯（占40%）和實訓報告（占10%）加權方式。各項所占成績比例也可以根據實際情況進行調整。

燕山大學控制工程專業校內實踐基地自成立以來，學校已投入專項經費380多萬用于研究生的專業能力培養。近幾年，校內實訓基地培養了專碩170余人，培養學碩50余人，針對學碩，采用自愿參加形式，與專碩共享資源。自動化系實訓基地建設及運行模式已推廣使用到燕山大學儀器儀表工程及電氣工程、河北大學自動化系、秦皇島港務局國家級工作室等相關專業、高校及企業中。實訓中心接待國內20多所高校及企業觀摩學習，觀摩人數多達120人次。該成果獲得2016年燕山大學優秀教學成果一等獎。

4結束語

高校對全日制專碩的培養方案的探索仍在繼續。從實踐效果可知，燕山大學控制工程學科工程化的實訓平臺的建設以及實訓教學管理的改革，對其專業碩士研究生能力的培養起到了非常重要的作用。畢業生的就業情況反映出校內實訓基地已經取得了較好的效果。今后，燕山大學將以培養優秀工程技術人才為目標，繼續積極探索實踐教學模式，進一步完善實踐基地，改進培養模式，建設具有自身特色的校內實訓教學模式。

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AbstractWith the training objectives of full time master of control engineering，the paper aims at the problems existing in the training of practical ability for postgraduates，starting from the aspects of students′ extracurricular internships，participating scientific research projects and learning in the school training base，propose solution.Combining the social demand for graduates′ ability，we establish a practical training base for the training of practical ability of professional master.

Keywordsprofessional master；training base；ability training