自動化專業運動控制方向工程型人才培養模式的探索與實踐

趙明偉, 劉麗俊, 王淑良

(1.江蘇師范大學 a. 電氣工程及自動化學院；b. 軌道交通信號與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心, 江蘇 徐州 221116;2.上海大學 機械工程與自動化學院,上海 200072)

0 引 言

為了培養造就具有創新能力強、適應經濟社會發展需要和高質量的各類型工程技術人才，為建設創新型國家、實現新型工業化和現代化的發展道路奠定豐厚的人力資源優勢[1-2]，根據我國高等教育的實際出發，教育部對高等教育實施了重大改革計劃—“卓越工程師教育培養計劃”(簡稱“卓培計劃”)，這對促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導[2-3]。

高校的首要職能是人才培養。以實際工程為目標、工程技術為基礎，使學生具備較高的綜合專業素質，具備扎實的工程基礎、專業知識和較強的工程素質實踐能力及自我獲取知識、社會交往和組織管理能力[4-5]。自動化專業的運動控制方向是集成自動化、電磁電氣、機械動力、計算機控制等的綜合交叉性學科，既包含了大量的專業性理論，又具有顯著的工程性特點，既與多領域的生產實踐活動緊密聯系、深度融合，又對一些交叉學科的發展起到積極的促進作用。因此，只有不斷的改革、實踐及融會貫通，才能很好的履行“卓培計劃”的精神[5-7]。

目前，運動控制專業方向培養的課程體系由公共基礎課、專業基礎課和專業課3部分組成，除課內教學實踐外，另配有課外實踐、基地實踐、集成創新培養等環節，包括各類實習、課程設計、畢業設計(論文)、項目創業創新訓練等內容。但在學科及專業方向建設、教學實踐、學生就業、企業招聘的過程中日益感受到新技術引入滯后、學生研發創新、實踐技能弱等瓶頸。另外，課程體系的層次間、平臺間的銜接性、關聯性和邏輯性架構不清[7-9]。課程群培養體系存在實踐驅動創新理念不足的現象，與“卓培養計劃”強調學生工程實踐、創新能力的培養要求不相符，存在不能滿足企業招聘單位的用人需要及不能適應社會發展需求的狀況。這就要求從人才培養模式、課程群平臺、知識點架構、實踐教學體系、教學模式等方面梳理影響運動控制專業方向發展的問題，對當前的課程體系進行改革，轉變辦學理念、拓新人才培養思路、調整人才培養目標定位、深入改革人才培養模式，力求做到符合自動化專業運動控制方向的培養目標、反映出教育改革方向、滿足專業建設及教學需要，努力使之成為具有先進性、創新性、適應性和系統性的品牌特色。

1 確立專業方向人才培養模式的目標

根據自動化專業工程型實踐性人才培養的建設目標，運動控制專業方向強調“加強實踐教育，培養創新人才”的教學改革思想[8-9]，以教育培養資源的整合、優化、開放、共享為改革原則，構建系統完善、結構合理、層次化、模塊化的教學體系，培養具有創新精神[2，4，10-11]和高素質的自動化類工程實踐型人才，提出了“圍繞人才培養目標，改革教學培養體系、構建教學開放平臺、培養具有創新能力”的課程群建設思路[4、6-7，11-12]和“以教師為主導，以學生為主體，以現代教育方法、技術和手段為支持，以培養工程實踐型人才為目標，以提高學生的工程實踐能力、工程應用能力、創新能力為主線”的教學理念[10-13]。該理念緊緊圍繞工程實踐型人才的培養目標，積極協調理論教學與實踐教學的培養體系，堅持實踐教學與理論教學并重的教學理念，使實踐教學與科學研究相互結合、促進、協調、發展[3，6-8，11，14]。

2 構建層次化、模塊化的課程群平臺

根據社會發展對寬口徑人才的需要, 需對本專業方向所開課程群進行頂層設計合理配置教學資源, 突出運動控制特色, 兼顧專業內涵的綜合與全面。運動控制專業方向的基礎是運動控制理論, 其重點應立足于運動控制系統。因此，其課程群平臺架構充分體現出其系統組成、實現及控制方式，即理論方法和其實現的載體, 體現系統的層次化和模塊化結構，如表1所示。課程群體系平臺從層次上可分為公共基礎課、專業基礎和專業課3個層次, 從模塊上可分為數理分析基礎、電工電子基礎、載體基礎、控制理論基礎和系統集成級別5個模塊。從實現載體看包含:控制對象、信息獲取與驅動執行、信息控制和處理和信息傳遞4個環節。

表1 運動控制專業方向的課程群體系平臺

3 整合系統化、模塊化的知識點內容

教學內容的整合和優化應以知識模塊的有機融合為主線，強化課程群間的知識聯系、銜接及系統的完整性，調整、優化課程結構和內容，增強突出各環節模塊的特點, 使多門專業課有機的融合起來，實現系統架構下的作用。將運動控制集成系統組成的各個環節與相關知識領域相對應，課程群可整合為電機原理與模型、信號檢測與處理技術、電力電子與功率變換器和常規電氣、集成數字化控制和運動控制理論5個知識點模塊。課程群的知識點模塊結構圖如圖1所示。

4 建立開放共享、立體化的實踐教學體系

為了培養學生具有創新意識和工程實踐能力，在實踐教學過程中嚴格貫徹以能力培養為切入點，在學生培養過程中應用符合時代發展、社會需求的實踐教學課程體系[10-11，15-16]。運動控制專業方向課程群的實踐教學以注重理論知識和專業素質及能力的協調發展和共同提高為指導原則，將專業建設、運動控制方向建設、課程群的建設脈絡同步進行，并且將實踐教學環節貫穿于課程學習的全過程。

運動控制專業方向實踐教學體系以工程能力素質培養為主線，可劃分為3個層次和6個工程能力，如圖2所示。3個層次分別為基礎規范類(課程認知實踐、基礎理論驗證性實驗)、綜合設計類(課程綜合性實驗、課程設計和實訓、畢業實習和設計、獲得職業技能資格證書)和研究創新型(參與教師教/科研課題、各類創業創新培養計劃項目)，6個工程能力模塊指電子系統綜合設計、軟件編程和硬件系統開發、系統分析設計、系統數字仿真、系統設計集成和系統搭建調試。形成從接受知識到培養能力逐級提高的實踐教學體系。

該培養體系結合專業建設及培養計劃，以綜合設計型取代原理驗證型，以自主設計型逐步取代單一、限定設計型，增加基礎創新研究型實驗項目群[11，15-16]。另外，將引用相對成熟的在研科研項目和工程型應用技術成果設計到實踐教學和創業創新培養計劃中，使設計型、綜合型實驗項目與工程應用和最新技術緊密結合，并自行設計、開發、搭建綜合性實驗教學裝置[11，14，16]。有計劃、有目的地增加設計性、綜合性和創新性實驗比例[11，16-17]，結合學科發展動向和企業需求，及時設計、修改和調整實踐教學體系和實驗項目群。在此基礎上，及時進行跟蹤國內外專業教材建設保持更新率，保證了專業內容上的先進性，更好的服務于專業方向建設。

5 采取立體化、多元化的教學模式

5.1 充分運用現代教學手段

充分利用現代教育技術、網絡技術、信息技術建設數字化、電子化、網絡化等多元形態、開放性的現代教學手段服務教學實踐，適應現代大學生的培養需求。通過計算機多媒體輔助教學(含微課、創客), 一方面增加課堂知識量,擴大專業教學內容,拓寬專業知識面；另一方面計算機多媒體教學使專業課教學生動形象, 集中學生注意力, 增加學生學習興趣, 提高教學效果和質量。通過交互方式運用計算機網絡輔助教學能夠有效拉近教師和學生的距離感, 尤其適用于學生的課前自學、討論和課后輔導，并能將歷屆和不同層次的專業問題展示給學生，給予專業問題上的正確解答和專業學習方向上的引導。其次，通過利用Multisim、Proteus、Matlab、Saber和PSpice等專業軟件構建的虛擬、仿真型實驗項目來配合理論、實踐課教學及項目創業創新培養，在某些難以描述和講解的基本概念、原理與基本現象的教學中[15，18]，或應用到因學時限制無法講授的工程實踐需要的課題中，往往能起到事半功倍的效果，既能有效地拓展專業知識面，又能更好運用仿真軟件服務于專業學習和項目創業創新培養，這對培養學生工程實踐的觀察、分析、理論應用能力非常重要。在實踐中證明, 在專業課程群教學中采用計算機多媒體輔助教學和計算機網絡教學更適應專業技術發展的需要，從技術手段上賦予了專業內容上的新內涵，并有效地拓展了服務教學的深度。

5.2 引入新型教學模式

在教學方法上應本著學以致用的理念，加強教授知識的系統性，注重培養學生的理解力、執行力和創新理念。多采用啟發式、研討式和互動式等開放式教學模式來充分發揮學生課堂主動性，加強師生間的雙向互動溝通，有效提高實踐教學過程的效率和效果。例如，在習題課和討論課上讓學生自己講解自行設計或研發案例，培養其尊重科學知識的理念，激發學生的工程創意和動手實踐能力，更容易提高學生課上和課下的學習興趣和效率；并且，自己研究遠比老師講授的更容易牢固記憶，還容易帶來專業學習上的自信。另外，教師在講授實踐教學內容時可以根據設計需求和實際情況，鼓勵學生查閱本專業方向的前沿科技成果，來激發學生的探索精神和創新理念，也有助于學生解脫應試教育而適應新型實踐型培養模式，激發學生對運動控制專業方向的興趣和探索潛能[12，18]。在“運動控制系統”課程中，為了融合和彌補課堂教學理論性強的特點，利用專業課程群實驗用掛件的各個環節具體的實際電路將課堂介紹系統的每個環節都具體化，讓學生對系統有著更為直觀的認識和理解[17-18]，同時做好實驗教學的課前預習環節，用一些工程實例將所學理論與實際應用相結合，提高學生的學習理論分析和實踐動手能力，持續培養學生的專業興趣，形成運動控制方向的專業素養和特質。

5.3 實踐教學與教研、科研和社會應用相結合

為了與社會應用實踐相結合，鼓勵學生參加學院組織、行業認定的電工、PLC、單片機等相關課程的實踐實訓技能鑒定，并獲得相應的職業技能證書，也可以在畢業前參加“自動化系統工程師資格認證”，獲得助理工程師的資格。本實踐課程群鼓勵教學團隊的教師們將自己申請的在研課題內容列入學生科研訓練計劃，采用以課題團隊的方式承擔科研課題子課題的研究形式來培養學生的科學研究能力、工程實踐能力和創新意識[12-14]。并在此基礎上學生可以申報校級、省級和國家級大學生實踐創業創新項目。學生根據課題研究的主要內容和要求，查閱相關文獻資料進行可行性分析，擬定項目研究計劃、方案及進程，選擇課題用實驗儀器和設備，構建實驗平臺完成規定的實驗項目及內容，撰寫出研究課題的總結或科研論文、答辯報告，并將取得的成果進行展示或論文答辯、科研論文發表等訓練，讓其感受科學研究的全過程，培養其獨立科研和團隊協作能力，學到更多書本以外的知識[18-19]。近3年有數十人參加教師的教研、科研課題，為教師的科、教研課題做了大量的實際工作，比如：關于校級教研項目“運動控制系統實驗虛擬技術新方法的實現”開發了基于PLC、計算機控制技術的交流變頻調速系統；關于?；痦椖俊爱惒诫姍C矢量控制系統的數字化實現”建立了矢量控制系統的仿真模型，基于實驗設備的設計了系統的硬件電路，系統的調試與試驗等[18]。另外學生在參與教師基金項目“弧焊電源的改造”基礎上，完成一項國家級大學生實踐創業創新項目。在此過程，學生“應用學習”，并完成具有一定實用價值的成果，并且專業綜合素質得到全面提高。

5.4 完善課程群考核評價體系

為了提高教學效果和考核可信度，實現真正意義上的教考分離，在收集大量習題、考研試題以及多年教學積累基礎上，課程群中的各門課程間組成了考試試題庫，并將試題庫鏈接到課程網站，教師可對試題庫及時更新，學生可檢驗自己的學習效果。在實驗教學中，根據不同的實驗層次，對學生采取不同的評價方法[10、15-18]。基礎教學實驗實行學生個人獨立操作+“平時成績+操作考試+答辯成績”的評價模式[18]；綜合設計實驗實行“平時成績+答辯成績”的評價模式[18]；PLC和單片機原理等課程的職業技能鑒定、自動化系統工程師培訓等實行“平時成績+理論考試+實際操作考試”的評價模式，按照工程師認證的方式進行考核；研究創新實驗實行“科學報告+成果展示+答辯成績”的評價模式。這種考核方法強化了學生的自主學習意識和專業綜合素質的提高。

6 教學改革成果豐碩

6.1 形成立體化運動控制人才培養平臺

建立起電氣工程、自動化和機械工程及自動化不同專業方向、交叉學科的研究生人才培養平臺。國家級及省級實踐教學平臺包括：軌道交通信息與控制虛擬仿真國家級實驗教學中心、江蘇省電工電子實驗教學示范中心、江蘇省自動化特色專業、卓越工程師教育培養計劃等。還包括市級平臺職業技能鑒定中心和校級的徐州華潤電力、上市公司大族激光、上海鐵路徐州電務、機務段、蘇州德斯特等一批自動化專業運動專業方向的校外實習基地。

6.2 提高教學團隊的教學水平和科研能力

教學團隊中有江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省“333高層次人才培養工程”首批青年學科帶頭人培養人選、省“青藍工程”中青年學術帶頭人不同梯次的教師。獲得省部級教學成果獎7項和校級教學成果獎勵18項；完成重點課程建設8門和課程教學網站建設2個；編寫出版教材6部；承擔省部級以上教研項目4項和校級教研項目5項；發表教研論文11篇和科研論文20篇；承擔國家級、省部級和校級科研項目10項；自制設備儀器6種共133套并獲2項省部級自制儀器設備“優秀獎”；申請國家專利7項。

6.3 增強學生的工程實踐和創新能力

學生獲國家級及省級競賽獎勵12項，國家、省部級以上大學生實踐創新訓練項目20項，申請專利3項，發表科研論文12篇。培育學生創業團隊3項，申請國內外專利5項，完成融資并已投入生產。學生職業技能鑒定全覆蓋，職業技能鑒定考核通過率達95%?？佳屑熬蜆I率為97%，連續幾年榮獲就業先進單位。

7 結 語

本文研究是以“卓越工程師教育培養計劃”作為自動化專業運動控制方向工程型人才培養模式實施、建設的指導依據，將綜合交叉性學科所包含的專業理論與多領域的生產實踐的現實聯系、課程培養體系與工程型實踐的深度融合關系做了梳理，針對培養體系中存在的新技術引入滯后、實踐驅動創新理念不足、架構不清、研發創新能力不足等問題，確立自動化運動控制方向工程師實踐性人才培養的建設目標，加強實踐教育培養創新人才的教學改革思想，整合、優化教育培養資源，構建出層次化、模塊化的課程群平臺，整合系統化、模塊化的知識點內容，建立開放、共享實踐教學體系，采用現代教學手段、新型教學模式和課程群考核評價體系，建立起實踐教學與教研、科研和社會應用實踐相結合的立體化、多元化的模式。努力使之反映當下教育改革方向、適合專業建設和學科發展需求，具有先進性、創新型、適應性和系統性的品牌特色。同時，也為后續構建出具備創新理念、架構合理有序、資源深度耦合的人才培養體系奠定著前期基礎。