基于創(chuàng)新實踐共享平臺的“遞進四層級”人才培養(yǎng)新模式

蘇曉杰，馬鐵東，楊欣，黃江帥，井岡山，黃秀財

（重慶大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶 401331）

隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的大力推進，“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》對高校自動化專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求[1-2]，對課程體系、教學(xué)內(nèi)容以及實驗實訓(xùn)資源也有了更高的要求。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在大學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維培養(yǎng)中具有不可替代的作用[3-4]，不僅可以幫助學(xué)生理解理論教學(xué)環(huán)節(jié)中的知識點，同時還有助于學(xué)生在實踐過程中鞏固理論知識、驗證實驗方法、增強工程意識，從而全面培育學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)、獨立思考能力、工程應(yīng)變能力和綜合實踐能力。由此可見，教學(xué)培養(yǎng)效果與實踐平臺的建設(shè)水平密不可分[5-6]。

當(dāng)前在各工科高校自動化專業(yè)正在實施的培養(yǎng)方案中，學(xué)生實踐環(huán)節(jié)占比較以往已有大幅度提升，但還存在著課程實踐內(nèi)容單一、實驗平臺陳舊、實驗平臺通用性差、缺少跨課程的綜合性實踐平臺、與學(xué)科特色方向關(guān)聯(lián)不緊密等一系列實際問題[7]。在“雙一流”與新工科建設(shè)背景下，大力推進自動化核心課程實踐教學(xué)體系改革，需要進一步整合與優(yōu)化現(xiàn)有教學(xué)平臺資源，充分發(fā)揮學(xué)校的學(xué)科優(yōu)勢、人才優(yōu)勢、科研優(yōu)勢，構(gòu)建合理高效的創(chuàng)新實踐共享平臺教學(xué)模式，全過程、全方位、全范圍、全時段地提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力[8]。

1 國內(nèi)外自動化核心課程的教學(xué)現(xiàn)狀

自動化專業(yè)核心課程（例如自動控制原理、計算機控制、運動控制、過程控制、智能控制等）信息量大且覆蓋面廣，課程偏重理論，內(nèi)容抽象，但知識點豐富，對數(shù)學(xué)知識，力學(xué)、熱學(xué)等物理知識，以及電路原理、模電數(shù)電等課程均有覆蓋。學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是完成學(xué)習(xí)后能夠具備一定的系統(tǒng)建模與分析能力，并能綜合運用相關(guān)知識解決復(fù)雜的現(xiàn)代工程問題[9-10]。當(dāng)前，自動化專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)手段比較單一，課程實驗主要在數(shù)值仿真和實驗?zāi)M箱上進行，數(shù)值仿真實驗的特點是能快速得到結(jié)果，簡單便捷，但由于仿真物理對象不明晰，無法和實際系統(tǒng)建立聯(lián)系；而基于實驗?zāi)M箱的課程實驗，其設(shè)計機制是基于芯片和上位機通信，學(xué)生完成的仿真部分和實際的硬件并非處于同一個平臺，無法保證算法開發(fā)靈活性。例如，自動控制原理課程中頻繁出現(xiàn)的傳遞函數(shù)類型與實際物理模型相關(guān)聯(lián)的問題，在模擬箱中就難以得到靈活的應(yīng)用與體現(xiàn)。另外，課程整體情況是缺乏可以融入現(xiàn)代工程元素的實踐環(huán)節(jié)，實驗內(nèi)容還停留在對理論方法驗證的層面，學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力無法得到有效提高，課程內(nèi)容和社會對人才需求嚴(yán)重脫節(jié)，無法滿足國家對應(yīng)用技術(shù)人才的需求[11-12]。

發(fā)達國家自動化專業(yè)相關(guān)課程對實踐環(huán)節(jié)非常重視，理論課程和實踐課程教師需同步完成課程，協(xié)同幫助學(xué)生循序漸進地對課程理論內(nèi)容進行理解、觀察和實踐。此外，發(fā)達國家的自動化專業(yè)相關(guān)課程重視現(xiàn)代工程元素的引入，如將傳感器、通信的內(nèi)容引入課程，通過實驗分級幫助學(xué)生有序理解現(xiàn)代工程的復(fù)雜問題。廣泛采用基于PBL（Problem-Based Learning，簡稱PBL，也稱“問題式學(xué)習(xí)”）的協(xié)同學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，幫助學(xué)生在問題探索過程中靈活運用自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，實現(xiàn)對復(fù)雜工程問題的有效理解[13-15]。

2 “遞進四層級”人才培養(yǎng)新模式建設(shè)

基于現(xiàn)有課程實踐環(huán)節(jié)建設(shè)存在的問題，以自動化專業(yè)本科人才培養(yǎng)為中心，以自動控制原理相關(guān)課程群為基礎(chǔ)，梳理出基于課程平臺的實踐能力培養(yǎng)途徑（現(xiàn)存問題及改進建議見表1），提出“興趣激發(fā)—基礎(chǔ)夯實—綜合實訓(xùn)—項目升華”的“遞進四層級”人才培養(yǎng)新模式（建設(shè)思路見圖1），利用學(xué)科特色方向優(yōu)勢項目資源，充分發(fā)揮科教融合、賽教融合、產(chǎn)教融合的創(chuàng)新示范作用，培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新實踐能力的本碩博貫通的高層次人才。

表1 自動化專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)存問題及改進建議

圖1 “遞進四層級”人才培養(yǎng)模式

2.1 課程興趣激發(fā)與工程素養(yǎng)提升

重慶大學(xué)專業(yè)設(shè)置以工科為主，側(cè)重于激發(fā)學(xué)生（尤其是低年級本科生）的課程學(xué)習(xí)興趣和工程素養(yǎng)，從而為工科學(xué)生后期的專業(yè)學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，依托創(chuàng)新實踐共享平臺可從3 個方面開展相應(yīng)工作。

一是通過新生研討課與創(chuàng)新實踐共享平臺的融合增強學(xué)生對本專業(yè)課程的了解。可將便于移動的實驗平臺帶入課堂，實現(xiàn)現(xiàn)場的實物演示，讓學(xué)生對自動化、計算機、通信等專業(yè)的知識點有直觀的感受。結(jié)合新生研討課，可安排2～4 個學(xué)時組織學(xué)生參觀創(chuàng)新實踐共享平臺代表性設(shè)備及裝置，通過實驗室人員的現(xiàn)場操作與演示，讓學(xué)生了解實驗室各項設(shè)備操作運行規(guī)程，并在安全環(huán)境下鼓勵學(xué)生實際操作，進而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

二是通過自動化類通識課程與創(chuàng)新實踐共享平臺的融合培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的探索熱情。該課程屬于專業(yè)通識實驗課程，通過實驗課程了解控制系統(tǒng)與控制器的概念、控制器的適用性以及與其他信息學(xué)科的交叉性，并通過一個小型的PBL 實驗，讓學(xué)生逐漸掌握用工程科學(xué)的語言描述問題，運用工程科學(xué)的原理對復(fù)雜工程問題進行識別和判斷，使用專業(yè)軟件和專業(yè)設(shè)備進行復(fù)雜工程問題模擬并分析實驗結(jié)果。課程的開展有利于學(xué)生思維的轉(zhuǎn)變，帶動學(xué)生對生動的實踐環(huán)節(jié)背后蘊含的理論知識進行初步探索。另外，可為低年級學(xué)生增設(shè)多門興趣激發(fā)類課程，如機器人、無人車、無人機、機械臂等，并幫助學(xué)生建立專業(yè)課程間的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的熱愛和探索。

三是通過科普宣傳系列活動與創(chuàng)新實踐共享平臺的融合激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在面向中學(xué)生或本科生的夏令營以及高考后的校園開放日等活動中，都可以現(xiàn)場展示共享平臺的實驗裝置，并邀請學(xué)生體驗，從而讓更多學(xué)生了解自動化專業(yè)，激發(fā)其對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。面對重慶大學(xué)本科生采取大類招生及分流的現(xiàn)狀，通過創(chuàng)新實踐共享平臺制作的宣傳材料（如海報、宣傳冊等），可以在校級、學(xué)部級及院級招生工作中起到良好的宣傳效應(yīng)，并從側(cè)面激發(fā)學(xué)生對自動化相關(guān)專業(yè)的興趣。

2.2 自動化核心課程實驗

自動化核心課程實驗的教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R和實踐環(huán)節(jié)融會貫通，因此，在對各類實驗進行設(shè)計的時候，需要考慮是否能夠覆蓋自動化類課程重要知識點，實驗課程是否可與理論教學(xué)互補?；诖耍山柚詣踊瘎?chuàng)新實踐共享平臺，通過多種擴展套件，設(shè)計覆蓋自動化類不同課程的實驗項目，并通過Matlab/Simulink 以及平臺軟件工具包，與自動化類教材所有重要知識點匹配。新的課程實踐平臺不僅可實現(xiàn)已有經(jīng)典實驗的復(fù)現(xiàn)，彌補先前設(shè)備缺乏和平臺落后的不足，還可使學(xué)生清楚地掌握實際系統(tǒng)的運行規(guī)律，將知識和算法解析到復(fù)雜控制系統(tǒng)中，通過具體操作和調(diào)試積累經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)習(xí)自驅(qū)力，完成從理論探索到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。平臺的控制軟件拓展兼容LabVIEW、C++、Python、ROS 等通用軟件，底層開放且可接入各類型傳感器，可充分實現(xiàn)實驗項目在實物背景下的有效完成。學(xué)生可在實踐過程中完成設(shè)計、驗證、分析等學(xué)習(xí)內(nèi)容，并能夠結(jié)合專業(yè)知識進行解釋，全面培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)原理和科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題開展研究的能力。

2.3 自動化創(chuàng)新項目實訓(xùn)

自動化創(chuàng)新實踐共享平臺以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃等實踐環(huán)節(jié)為依托，以平臺核心套件為基礎(chǔ)，針對專業(yè)共性創(chuàng)新課題展開綜合實訓(xùn)。該平臺以自動化典型任務(wù)為例，兼具前沿性和實用性，任務(wù)層層遞進，由淺入深，嚴(yán)格遵循學(xué)生基本情況有序開展。平臺資源豐富，可用于所有與電子設(shè)計、機器人、人工智能相關(guān)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題，具有豐富的接口兼容性和較強的擴展功能，并與自動化特色研究方向緊密相關(guān)，完全滿足自動化專業(yè)創(chuàng)新實訓(xùn)的基本需要。平臺具體可實現(xiàn)的研究方向包括機器視覺、語言理解和溝通、機器學(xué)習(xí)、認知和推理、群體智能、多傳感信息融合、運動控制、路徑規(guī)劃、定位與導(dǎo)航等。

2.4 交叉共享平臺建設(shè)

以畢業(yè)設(shè)計、科創(chuàng)競賽、科研團隊項目等實踐環(huán)節(jié)為依托，面向自動化專業(yè)理論與應(yīng)用前沿方向，借助課程平臺的豐富模塊功能，推進面向復(fù)雜物理系統(tǒng)的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練與工程素養(yǎng)提升。借助平臺資源的通用性和擴展性，自動化相關(guān)專業(yè)的學(xué)生可利用所學(xué)理論知識與實踐經(jīng)驗，開展復(fù)雜物理系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計、控制等交叉性研究，真正做到理論聯(lián)系實際，學(xué)生創(chuàng)新實踐能力可得到全面提升。平臺資源的共享使用模式，也可促進交叉學(xué)科和相關(guān)團隊間的教研合作，助力高水平交叉研究成果產(chǎn)出、高端共享平臺基地建設(shè)、高層次復(fù)合型人才培養(yǎng)。代表性創(chuàng)新項目經(jīng)提煉和改進后，可納入學(xué)生共性實踐環(huán)節(jié)案例庫，從而保證學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的前沿性和實效性。

2.5 共享平臺運行模式

為進一步落實創(chuàng)新實踐教學(xué)成效，成立以學(xué)院院長為組長，分管院長為副組長，系主任、課程負責(zé)人、教學(xué)實驗室負責(zé)人、教學(xué)秘書為成員的創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，全面負責(zé)共享平臺的建設(shè)、檢查與改進工作。利用平臺專項經(jīng)費購置課程平臺設(shè)備，并從基礎(chǔ)性實踐平臺、校內(nèi)專業(yè)實踐平臺、校企合作實踐平臺三個層面重點建設(shè)?；A(chǔ)性實踐平臺建設(shè)要整合與優(yōu)化本專業(yè)現(xiàn)有實驗體系、實驗內(nèi)容、實驗設(shè)備等資源，突出平臺資源的普適性和實用性；校內(nèi)專業(yè)實踐平臺主要承擔(dān)基本設(shè)計類實驗，該實驗環(huán)節(jié)以驗證型實驗為主；校企合作實踐平臺主要承擔(dān)綜合設(shè)計類實驗，對標(biāo)科技競賽、科研項目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐等研究內(nèi)容。根據(jù)自動化專業(yè)實踐教學(xué)的特點，不斷完善自動化專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)方案，充分發(fā)揮校內(nèi)外優(yōu)勢資源，依托創(chuàng)新實踐共享平臺開展課程實驗、實習(xí)實訓(xùn)、科研項目鍛煉、創(chuàng)新素養(yǎng)提升、社會實踐鍛煉等活動。充分發(fā)揮創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組、平臺指導(dǎo)教師與指導(dǎo)團隊、平臺管理團隊等職能，合理規(guī)劃各實踐教學(xué)活動（如基礎(chǔ)課程實驗、專業(yè)課程實驗、教學(xué)/生產(chǎn)實習(xí)、科研項目訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐）。不斷完善創(chuàng)新實踐共享平臺管理與運行機制，平臺負責(zé)人、管理人員、指導(dǎo)人員等職責(zé)明晰，平臺場地、平臺設(shè)備、平臺資源實現(xiàn)共享。加強平臺指導(dǎo)隊伍建設(shè)，定期選派骨干教師參加校內(nèi)外活動，進一步促進技術(shù)交流、擴展業(yè)務(wù)視野、開拓教學(xué)思路，以期更好地服務(wù)創(chuàng)新實踐教學(xué)工作。

3 取得的成效

在平臺與基地層面，重慶大學(xué)自動化學(xué)院設(shè)有國際一流水平的“重慶大學(xué)羅克韋爾自動化實驗室”、“無人系統(tǒng)智能控制與自主協(xié)同學(xué)科創(chuàng)新引智基地”，以及國內(nèi)一流水平的“重慶大學(xué)控制基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心”、“機器人創(chuàng)新實驗室”、“自動化學(xué)院全日制專業(yè)學(xué)位研究生校內(nèi)實踐實訓(xùn)基地”。學(xué)院秉承“和諧向上、與時俱進、勤勞務(wù)實、勇往直前”的辦學(xué)理念，按照“重基礎(chǔ)、強應(yīng)用、聚前沿、拓思維、深共享”的發(fā)展思路大力推進教學(xué)體系改革，以計算機硬件基礎(chǔ)和自動控制原理兩門省部級精品課程，結(jié)合學(xué)院主編的國家規(guī)劃級教材《單片機原理及應(yīng)用——嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)》、“十三五”國家重點出版物《動態(tài)系統(tǒng)運行安全性分析與技術(shù)》等，建設(shè)了線下精品課程群和線上核心課程在線資源，建立了線上線下全覆蓋和優(yōu)勢互補的混合課程教學(xué)模式，滿足學(xué)生的多元化學(xué)習(xí)需求。

在師資建設(shè)層面，控制科學(xué)與工程學(xué)科已建成以國家級專家領(lǐng)銜、骨干教師與青年教師為中堅力量的老中青結(jié)合的教學(xué)科研梯隊，形成了一支年齡結(jié)構(gòu)合理、創(chuàng)新實踐能力突出、多學(xué)科交融、博士較多的師資隊伍。另外，自動化學(xué)院依托高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃和國家重大人才計劃，已有30 余位國際知名學(xué)者以兼職教授形式加盟，有效提升了本學(xué)科在自動化領(lǐng)域的國際影響力。

在教學(xué)成果層面，自動化學(xué)院有國家級一流專業(yè)1 個，省部級一流專業(yè)1 個，教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”1 個，“重慶市三特行動計劃特色專業(yè)”1 個，省部級特色專業(yè)1 個，省部級教學(xué)團隊1個，校級實驗教學(xué)示范中心1 個，市級精品課程2門，重慶大學(xué)線上線下混合課程2 門，重慶大學(xué)在線開放課程2 門，12 門全校性非限制性選修課程，2 門創(chuàng)新性實踐課程，獲重慶大學(xué)教學(xué)成果一等獎1 項、二等獎2 項。

在人才培養(yǎng)成效層面，近年來，自動化人才培養(yǎng)效果顯著，在第四屆菲尼克斯智能技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用大賽中獲得全國二等獎、三等獎，在“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽全國初賽中獲得特等獎、一等獎、二等獎，在全國總決賽中獲得二等獎等獎項。在中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，斬獲金獎3 項、銀獎10 項、銅獎7 項，實現(xiàn)了西南地區(qū)高校在國際賽道上金獎零的歷史性突破。連續(xù)兩年在“創(chuàng)青春”中國青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（互聯(lián)網(wǎng)組）中斬獲金獎。學(xué)生多次獲得國家級科技競賽特等獎、全國一等獎，“山城機甲隊”榮獲首屆智創(chuàng)杯前沿技術(shù)挑戰(zhàn)賽錦標(biāo)賽第三名。年均申報國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目（“國創(chuàng)”）6 項、重慶市創(chuàng)新項目（“市創(chuàng)”）13 項，重慶大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃（“校創(chuàng)”）27 項，其中“國創(chuàng)”優(yōu)秀結(jié)題率達到33%。

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，主動服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和“工業(yè)4.0”、《中國制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略實施，需要全面推進“雙一流”與新工科背景下自動化專業(yè)人才工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系改革，大力推動學(xué)科交叉融合，為國家實施工業(yè)強國發(fā)展戰(zhàn)略培養(yǎng)新工科自動化領(lǐng)域工程科技創(chuàng)新人才。本文提出“興趣激發(fā)—基礎(chǔ)夯實—綜合實訓(xùn)—項目升華”的“遞進四層級”課程平臺培養(yǎng)新模式，利用學(xué)科特色方向優(yōu)勢項目資源，充分發(fā)揮科教融合、賽教融合、產(chǎn)教融合的創(chuàng)新示范作用，培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新實踐能力的本碩博貫通的高層次人才。