新工科智能制造研究生全培養周期方法探索

許明 王萬強 陳昌

關鍵詞：智能制造;新工科;全培養周期;研究生創新能力

1現狀與背景分析

當代科學的發展和重大科學技術成就的取得，都和人才密不可分，對人才培養提出了更高的要求，也對我國的高等工程教育提出了新的要求和挑戰。“新工科”是相對于傳統工科而言，以新經濟、新產業為背景的一個動態概念，是在21世紀與新挑戰下培養創新實踐人才的重要舉措。智能制造是典型的新工科專業，是信息技術與傳統工業的深度融合，是機械、電子信息、計算機、人工智能等學科領域的協同交叉和共促發展。從技術的層面上來說，智能制造關鍵技術可體現在智能設計技術、智能制造技術、智能管理技術、信息化支撐平臺技術、智能制造裝備及系統等五個方面。從發展的層面上來說，經濟快速發展和現代化設備的廣泛應用，工業生產的自動化和數字化程度越來越高，特別是智能控制技術向著智能化方向發展，導致社會各個領域急需智能控制技術專業的技術人才。

新工科強調面向數字經濟、智能經濟等新興產業的多學科交叉融合，其對智能制造等人才的培養需求，以及當前現狀如下：

（1）具有跨學科的專業基礎。對于智能制造等新工科專業而言，更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通信、電子控制、軟件等新技術與傳統工業技術的緊密結合。盡管交叉學科研究與教育已經在我國部分高校陸續展開，相關研究也在不斷豐富，但在實踐層面，尤其是對于交叉學科研究生培養工作的具體組織管理，仍然需要更多的探索。

（2）具有較強的自主學習和分析解決問題的能力。強調以自主學習為主體，通過主動參與、樂于探索、勤于實踐、創新創造等方法，并具有搜集和處理信息的能力，獲取新知識，分析和解決問題的能力。對于智能制造、機械類等工程專業而言，會不斷遇到各種復雜工程問題，自主學習是分析解決復雜工程問題的基本能力保障。

（3）創新創造能力與素質。當前，工程開發和創新應用的周期越來越短，技術更新轉化更加快捷，要求智能制造等新工科人才必須具備創新創造的能力和素質，適應未來科技的迅猛發展。雖然創新教育在人才培養模式、專業實驗教學等已有一些研究，但創新創造人才的實踐教育，尤其是智能制造等新工科研究生的創新創造能力與素質，如何在研究生培養環節滲透和實施創新創造素質培養，還需要不斷研究和探索。

相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟更需要的是工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。項目研究組建了一支由多名相關交叉領域研究生導師團隊，構建了跨學科的研究生創新能力培養支撐平臺，最大限度地提高研究生的培養實效。

2全培養周期方法實踐

2.1新工科研究生全培養周期體系的構建

面向產品全生命周期的過程與數據管理的有機結合，是智能制造中的重要方法，使得企業各組成部分能夠協調一致工作，降低產品開發成本，縮短產品上市時間，增強企業的競爭力。本項目將產品全生命周期的概念應用于研究生的培養，從研究生進校開始學習（部分研究生本科階段即開始進入），到研究生畢業離校，再到研究生進人工作崗位的一系列環節進行統一體系構建與數據管理。研究生培養貫穿研究生在校的整個階段，從學位課程學習、實踐學習、科研文獻閱讀、科研項目的開展、碩士論文等幾個方面來開展。新工科研究生全培養周期體系，以研究生培養為中心，需要從三個方面來構建，具體如下：

（1）以導師團隊為帶動，組建具有深厚學科背景和跨學科領域導師團隊，以“機器人”為主攻方向，提升團隊的交叉科研能力和水平，創造良好全景培養平臺。

（2）以創新實踐平臺為基礎。依托校外研究院實體，并依靠校內校外的機電控制、六自由度機器人和移動機器人、機器視覺等創新實踐平臺，并將導師團隊的科研平臺和實驗系統，作為研究生創新實踐培養的基礎。

（3）以產業對接為導向來構建全方位的研究生創新實踐能力培養。面向智能制造典型和知名企業的實際需求，動態適應及調整研究生的創新實踐能力培養課程。對已畢業研究生進行調研，對在校生培養方案進行反饋校正。在培養體系的構建筑中，還注重與5G、先進電子裝備等新興產業的融合，不斷拓展產業對接的廣度和深度。

2.2工程實踐與創新基礎能力的培養

一般而言，研究生同學的本科在全國各地高校就讀，課程范疇及層次、側重點等各不相同，為培養研究生工程實踐與創新基礎能力，需要開展一系列的綜合創新綜合實踐。研究生進校的第1個學期，主要是課程學習，除核心學位課以外，鼓勵研究生進行跨學院、跨學科課程的選修。

具體開展工程實踐與創新基礎能力的培養，從四個部分出發，分別為：3D造型及制圖能力、電子電路設計及測試能力培訓、微控制器（Micro Control Unit，MCU）應用能力培訓、有限元仿真分析培訓。綜合實踐配套的目的是讓研究生同學初步具備從事交叉研究及工程項目的實踐能力。每個環節的培訓實踐用時在1個月左右，穿插在研究生進校學習的第1階段。即在課程學習要求的要求上，課外時間或周末穿插進行綜合培訓與實踐。

3D造型設計及制圖是智能制造、機械等工程類研究生的基礎和重要能力，對于產品開發等具有重要作用。項目擬以SdidWo～s軟件為主，以實際工程項目零件和系統為3D造型案例，讓研究生同學進行學習和掌握。

電子電路設計及測試能力培訓，相當多的機械類研究生同學，本科階段對電子電路設計及測試掌握較少，甚至除了本科的電工電子課程以外，沒有接觸過電子電路相關內容。項目團隊在電子電路設計及測試實驗平臺的基礎上，進行基礎電子電路設計能力的培訓及實踐，并結合Multisim仿真軟件和Ahium Designer電路圖設計軟件，虛實結合，理實合一，提升研究生同學的電子電路設計及測試能力，為今后的科研項目開展和工作奠定基礎。

MCU是嵌入式控制器的簡稱，是嵌入式開發的核心部件，在智能制造的感知設備，如工業物聯網傳感器、工業裝備的各種控制器等，都有廣泛的應用。項目團隊以抽取兩種典型的MCU控制器，Arduino和STM32，以這兩種MCU控制核心為基礎，對研究生的嵌入式硬件搭建、嵌入式軟件設計、嵌入式系統開發等方面開展實踐培訓。

有限元分析是工程設計和科學研究的重要方法，隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元方法從結構強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。以國內應用較多的ANSYS、COMSOLMultiphysics為例，通過實例來說明有限元仿真分析在實際工程項目及科學研究中的作用，并拓展到多物理場分析，耦合電、磁、熱等特征場，掌握工程設計和科學研究的利器。

2.3科研文獻閱讀，發現問題、解決問題的能力培養

閱讀文獻是科研工作的第一步，在導師團隊的努力下，指導研究生學習科研文獻閱讀技巧和方法。文獻是科研的基礎，學習從“讀”開始，由“讀”深入，做實驗和寫論文都少不了參考相關文獻。“閱讀文獻”作為一名科研人員最基礎也是最需要必備的能力。科研文獻技巧，掌握Web of Science等數據庫和檢索方法，總結歸納研究項目領域相關的重點期刊;培養研究生對于科研閱讀的方法，閱讀文獻的順序及側重點，通過讀引言了解研究背景和研究原因，精讀研究原理及實驗方法，著重實驗結果及結論分析。引導研究生記錄文獻閱讀報告，在不斷嘗試提出及解決問題中得到能力的提高。

3實施成效

以研究生培養為中心，構建智能制造等新工科專業研究生的全培養周期體系，以導師團隊為帶動，以創新實踐平臺為基礎，以產業對接為導向，來探索創新實踐能力培養體系及方法。經過六年的探索和實踐，項目組研究生的創新實踐成果豐富，畢業研究生全部進入知名企業并迅速成長為所在單位骨干力量。形成了一套研究生全在校周期的創新能力培養方法，可為相關新工科專業研究生的培養提供借鑒和參考。