自動化專業“MATLAB+”課程群建設及創新人才培養

周紅標 柏小穎

[摘 要]為了加快推進智能優化控制系統在流程工業中的應用進程，迫切需要建立一支自動化專業創新型人才隊伍。課題組以自動化專業MATLAB課程為主線，闡述了在新工科背景下如何構建高質量的“MATLAB+”課程群體系以推進創新人才培養模式改革。首先，課題組分析了當前自動化專業教學模式存在的問題，然后從“MATLAB+”課程群體系、“四堂互融”混合教學模式和多元協同人才培養方式等方面給出了具體措施，以激發學生的學習潛能與科研興趣，全方位提升學生的創新實踐能力。

[關鍵詞]新工科;MATLAB+;四堂互融;多元協同;創新人才

[中圖分類號] G40-057 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0043-04

聯合國教科文組織發布的《教育中的人工智能：可持續發展的挑戰與機遇》報告指出，人工智能技術能夠促進個性化學習并提升學習效果[1-2]。黨的十九大報告指出，創新是引領發展的第一動力[3]。習近平總書記在紀念五四運動100周年大會上指出，當今時代新技術層出不窮，對青年能力素質提出了新的更高要求[4]。與傳統工科相比，面向未來新興產業和新經濟的新工科對高素質復合型人才的需求更加迫切[5]。

為了搶占制造業先機，贏取未來產業競爭主動權，我國實施了“中國制造2025”強國戰略。流程工業制造智能化和綠色化是智能制造的核心，自動化科學與技術是智能制造的關鍵技術，建模、控制與優化是自動化學科的三個基本科學問題[6]。毋庸置疑的是，自動化專業均按照這三個方向鋪設專業課程。然而，目前各課程之間的聯系并不緊密，存在結構性割裂現象，阻礙了具有全球視野、實踐能力和創新精神的復合型人才的培養。因此，需要我們厘清專業各課程之間的關系，找出貫穿于專業學習全流程的主線。

作為專業學習的必備軟件、科創競賽的主流平臺和科研攻關的助力工具，MATLAB貫穿于自動化專業人才培養的全生命周期，其重要性不言而喻[7]。然而，目前自動化專業MATLAB課程設置為實驗性質的學科必修課，授課內容也僅限于MATLAB本身的編程基礎，與專業核心課程嚴重脫節。鑒于此，本課題將圍繞新工科建設內涵要求、慕課課程群打造、“四堂互融”培養體系構建、科創競賽開展和科研項目攻關等五個方面具體研究在新工科背景和“金課”視域下自動化專業如何通過打造“MATLAB+”課程群推進課程建設及創新人才培養模式改革。

一、“MATLAB+”課程群建設及創新人才培養存在的問題

本節將從課程體系、教研團隊、慕課資源、科創競賽和科研攻關等五個方面闡述自動化專業“MATLAB+”課程群建設及人才培養模式存在的問題。

（一）“MATLAB+”課程體系不完備

MATLAB是美國Math Works公司推出的計算機輔助設計軟件，它不僅提供了交互式編程環境，而且具備強大的數值運算、圖形繪制和數據處理等功能。MATLAB是自動控制原理、智能控制和過程控制等自動化專業核心課程教學環節的必備軟件，是挑戰杯、“互聯網+”和數學建模等科創競賽的主流平臺，是復雜過程分析、動態系統辨識和控制算法設計等科研攻關的助力工具。MATLAB課程對培養具備更高創新能力和跨界整合能力的新型工程技術人才有著重要的影響。

然而，目前MATLAB課程以實驗課形式單獨設課，與自動化專業核心課程鋪設、新工科創新人才需求和流程科研項目攻關存在著嚴重的脫節，具體表現為：（1） 理論水平高的專業教師較少，甚至不會使用MATLAB軟件，理論停留在書本上;（2） MATLAB編程能力強的青年教師參與專業核心課程建設的深度和力度不夠，實踐操作浮于表面;（3） 沒有厘清MATLAB與專業核心課程之間的微妙關系，亟待穿針引線繡出課程群脈絡圖。

（二）“MATLAB+”教研團隊有名無實

自動化專業創新型人才的培養離不開一支集教學和科研于一身的教研隊伍，只有通過凝聚創新隊伍，構筑教研基地，才有可能創造標志性教學成果[8-9]。優秀的教研團隊是自動化專業培養高素質創新型人才的關鍵力量。

然而，目前自動化專業“MATLAB+”教研團隊建設存在一些困難，具體表現為：（1） 缺乏領軍人物，團隊成員之間黏合度不夠;（2） 存在職稱晉升和項目評比之間的競爭，團隊成員之間凝聚力不強;（3） 教學團隊、科創團隊和管理團隊相互獨立，團隊成員之間“孤島效應”明顯。

（三）“MATLAB+”慕課資源匱乏

慕課是一種具有大規模、開放和在線特征的新型教學模式，學生可以通過電腦或手機觀看教學機構發布在網絡上的課程視頻和學習資料，實現對該課程的線上學習[10]。與傳統班級課堂不同，慕課課堂最高可容納十幾萬人。雖然慕課的興起歷史不長，但是借助于“互聯網+教育”深度融合的發展機遇，其擴張勢頭迅猛，給傳統教學模式帶來了巨大的沖擊。

然而，目前國內著名高校一窩蜂地、不惜成本地打造慕課平臺，成立慕課聯盟，嚴重擠壓了地方本科院校的操作空間，導致地方高校慕課建設水平相對低下。同時，視頻知識的碎片化、教學模式的“退場性”和平臺交互的不積極導致慕課平臺上的“水課”越來越多，迫切需要對照教育部“金課”的要求和標準，打造一批課程難度大、學業挑戰度強和知識創新性高的自動化專業“金課”型“MATLAB+”慕課群，從而提升教育教學質量，培養更多國家和地方經濟建設所需人才[11]。

（四）“MATLAB+”科創競賽重視程度不夠

科創競賽是培養大學生創新能力的重要平臺。自動化專業涉及的競賽主要有“挑戰杯”“互聯網+”、數學建模、電子設計、機器人和創新創業等，對學生的創新熱情、創新思維和創新潛質提出了更高要求。仔細梳理自動化專業的主流競賽項目，不難發現，MATLAB貫穿于其中，如：“挑戰杯”競賽有自然科學學術論文類，“互聯網+”競賽有人工智能和信息技術類，數學建模競賽的仿真平臺更是以MATLAB為主，各級各類創新項目的研究也要借助于MATLAB軟件。

然而，目前高校對MATLAB在科創競賽中的重要性的認識明顯不足，具體表現為：（1） 耗費大量的人力、物力和財力在電子設計、機器人、智能車和飛行器等競賽項目上，盡管屢有斬獲，但是理論高度和獎項顯示度還有待提高;（2） 科創競賽仍然是以教師為主體，“拼的是指導教師的水平”并不是一句玩笑話;（3） 科創訓練平臺過于單一，學生接觸次數、訓練時間和指導力度均有待提高。

（五）“MATLAB+”科研攻關水平低下

自動化專業創新人才培養的出發點和落腳點是為國家流程工業未來重大戰略需求培養一批能夠從事運行、設計和研發未來智慧型自動化系統的創新人才，這需要審視現行的專業人才培養模式[6]。

然而，目前科研院所和企事業單位利用MATLAB突破核心關鍵技術的力度明顯較弱，具體表現為：（1） 流程工業還停留在利用自動化技術對傳統設備進行改造和升級的初級階段，遠未走上智能自主控制和智能優化決策控制一體化的綠色發展道路;（2） 科研院所重視關鍵問題的基礎理論研究，忽視借助于MATLAB平臺的算法思想實現，還未完全打通流程工業建模、控制與優化三個基本科學問題的研究鏈;（3） 創新型自動化專業人才稀缺，阻礙了產學研協同創新的持續有效推進。

二、“MATLAB+”課程群建設及創新人才培養的途徑探索

本節將從課程群建設、人才培養模式改革、教研團隊組建、科研攻關和評價方式等五個方面探索自動化專業“MATLAB+”課程群建設及人才培養的途徑。

（一）“MATLAB+”課程群建設

在“金課”視域下，實現MATALB與其他核心課程的融合，建成一批優質的課程資源。比如：利用MATALB+矩陣運算對工程矩陣中的算式進行仿真，使得抽象的運算變得具體和形象;利用MATALB+神經網絡解決非線性復雜系統的辨識問題，建立輸入輸出的黑箱、灰箱和白箱模型;利用“MATLAB+”進化算法解決實際工程系統的優化問題，提升解決方案的質量和可靠性;利用“MATALB+”模糊邏輯控制解決實際工程對象的設定值跟蹤控制問題，提高控制精度、穩定性和靈活性?？傊?，讓MATALB貫穿于學習的全流程，從而提高學生的學習興趣和科研潛力，培養具有創新精神的復合型人才?！癕ATLAB+”課程群建設及學生創新能力提升過程如圖1所示。

（二）“MATLAB+”創新人才培養模式改革

學生創新能力培養的目標是提高學生理論聯系實際、分析問題和解決問題的能力。鑒于此，對自動化專業“MATLAB+”創新人才培養模式進行了改革，具體舉措為：（1） 打造慕課線上網絡課堂、傳統線下班級課堂、科創競賽小班課堂和科研項目精英課堂相融合的“四堂互融”式混合教學模式，培養新工科創新人才;（2） 歸納和優化現有的 MATALB 教學內容，結合流程工業關鍵科學問題，組建了“MATALB+”基礎數學、“MATALB+”建模、“MATALB+”優化、“MATALB+”控制四個教學模塊;（3） 在QQ技術交流群、MATLAB技術論壇和微博公眾號等平臺發布具有開放性和創新性的問題，激發學生的學習熱情;（4） 打造早期科研訓練平臺和學科競賽平臺，采用雙平臺架構，探索和實施科創競賽的“全員化、多樣化、課程化、常態化”新模式，提升學生參與的深度和廣度，實現網絡學習、課堂教學、科創競賽和科研攻關的無縫對接;（5） 開放科創基地，自主組建團隊完成科研項目子課題，提高實踐操作水平和理論創新能力;（6） 研究經費資助和評價機制，形成良性競爭和優勝劣汰的研究環境。創新人才培養模式改革如圖2所示。

（三）“MATLAB+”跨學科教研團隊組建

自動化專業“MATLAB+”課程群按照基礎數學、智能建模、智慧控制和決策優化四個方向構建課程體系，涉及工程矩陣、計算方法、系統辨識、神經網絡、過程控制、智能控制和進化算法等七門核心課程。這些課程充分體現了數學學科、計算機學科和控制學科之間的相互滲透和交叉融合，因此需要建立一支具有多學科背景和跨學科知識的復合型教研隊伍，且團隊成員有心、有意、有為、有舍、有得[12]。具體舉措為：（1） 引進國內有影響的學術帶頭人，推進教研隊伍的博士化、國際化和工程化建設;（2） 鼓勵團隊青年教師參加高層次教育教學競賽、國際交流和工程實踐，提升團隊的整體實力;（3） 建立健全團隊的運行制度，充分調動成員的工作積極性，營造和諧的團隊文化，對內產生凝聚力，對外產生競爭力;（4） 每周開展團隊教研活動，分析和解決人才培養過程遇到的問題，不定期邀請國內外著名學者講學，拓寬視野、豐富知識。

（四）“MATLAB+”流程工業科研項目攻關

培養自動化專業創新人才的目的是為了滿足國家流程工業未來的重大戰略需求，那么在人才培養過程就首先需要明確流程工業智能優化制造的核心技術。根據文獻[5]，為了實現流程工業智能優化制造的高效化和綠色化，需要研究的技術主要有：（1） 數據和知識相結合的智能建模技術;（2） 面向節能降耗的回路設定值優化控制技術;（3） 數據和知識相結合的過程故障診斷技術。

基于此，在人才培養過程中，通過參與流程工業科研攻關項目，探索項目驅動和學科交叉融合的多元協同培養方式，激發學生的學習潛能與科研興趣，全方位提升學生的創新實踐能力，實現教研互促，教師科研“反哺”科創競賽。流程工業科研項目攻關有助于：（1） 培養和發掘人才，鍛煉教師隊伍;（2） 以自動化專業學生為載體促進學科交叉融合;（3） 推動流程工業關鍵技術進步，攻堅突破“掐脖子”核心技術之“命門”。

（五）“MATLAB+”雙軌并考評價方式

創新人才培養過程不可避免地會出現各種各樣的問題，為了能夠及時對發現的問題進行梳理分析、綜合判斷和追根溯源，我校分別從線上和線下兩個渠道建立了“雙軌并考”和“雙軌反饋”機制，能夠從定性和定量兩個方面衡量學生的創新能力和社會滿意度，從而保障“MATLAB+”課程群體系及創新人才培養模式的有效性?！半p軌并考”和“雙軌反饋”評價方式如圖3所示。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：鐘 嵐]