自動化專業(yè)運動控制方向工程型人才培養(yǎng)模式的探索與實踐

趙明偉, 劉麗俊, 王淑良

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

0 引 言

為了培養(yǎng)造就具有創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要和高質(zhì)量的各類型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)新型工業(yè)化和現(xiàn)代化的發(fā)展道路奠定豐厚的人力資源優(yōu)勢[1-2]，根據(jù)我國高等教育的實際出發(fā)，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(yǎng)計劃”(簡稱“卓培計劃”)，這對促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導(dǎo)[2-3]。

高校的首要職能是人才培養(yǎng)。以實際工程為目標(biāo)、工程技術(shù)為基礎(chǔ)，使學(xué)生具備較高的綜合專業(yè)素質(zhì)，具備扎實的工程基礎(chǔ)、專業(yè)知識和較強的工程素質(zhì)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(yè)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(xué)科，既包含了大量的專業(yè)性理論，又具有顯著的工程性特點，既與多領(lǐng)域的生產(chǎn)實踐活動緊密聯(lián)系、深度融合，又對一些交叉學(xué)科的發(fā)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(yè)方向培養(yǎng)的課程體系由公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課3部分組成，除課內(nèi)教學(xué)實踐外，另配有課外實踐、基地實踐、集成創(chuàng)新培養(yǎng)等環(huán)節(jié)，包括各類實習(xí)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計(論文)、項目創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓(xùn)練等內(nèi)容。但在學(xué)科及專業(yè)方向建設(shè)、教學(xué)實踐、學(xué)生就業(yè)、企業(yè)招聘的過程中日益感受到新技術(shù)引入滯后、學(xué)生研發(fā)創(chuàng)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(guān)聯(lián)性和邏輯性架構(gòu)不清[7-9]。課程群培養(yǎng)體系存在實踐驅(qū)動創(chuàng)新理念不足的現(xiàn)象，與“卓培養(yǎng)計劃”強調(diào)學(xué)生工程實踐、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求不相符，存在不能滿足企業(yè)招聘單位的用人需要及不能適應(yīng)社會發(fā)展需求的狀況。這就要求從人才培養(yǎng)模式、課程群平臺、知識點架構(gòu)、實踐教學(xué)體系、教學(xué)模式等方面梳理影響運動控制專業(yè)方向發(fā)展的問題，對當(dāng)前的課程體系進行改革，轉(zhuǎn)變辦學(xué)理念、拓新人才培養(yǎng)思路、調(diào)整人才培養(yǎng)目標(biāo)定位、深入改革人才培養(yǎng)模式，力求做到符合自動化專業(yè)運動控制方向的培養(yǎng)目標(biāo)、反映出教育改革方向、滿足專業(yè)建設(shè)及教學(xué)需要，努力使之成為具有先進性、創(chuàng)新性、適應(yīng)性和系統(tǒng)性的品牌特色。

1 確立專業(yè)方向人才培養(yǎng)模式的目標(biāo)

根據(jù)自動化專業(yè)工程型實踐性人才培養(yǎng)的建設(shè)目標(biāo)，運動控制專業(yè)方向強調(diào)“加強實踐教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才”的教學(xué)改革思想[8-9]，以教育培養(yǎng)資源的整合、優(yōu)化、開放、共享為改革原則，構(gòu)建系統(tǒng)完善、結(jié)構(gòu)合理、層次化、模塊化的教學(xué)體系，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神[2，4，10-11]和高素質(zhì)的自動化類工程實踐型人才，提出了“圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)，改革教學(xué)培養(yǎng)體系、構(gòu)建教學(xué)開放平臺、培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力”的課程群建設(shè)思路[4、6-7，11-12]和“以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，以現(xiàn)代教育方法、技術(shù)和手段為支持，以培養(yǎng)工程實踐型人才為目標(biāo)，以提高學(xué)生的工程實踐能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力為主線”的教學(xué)理念[10-13]。該理念緊緊圍繞工程實踐型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，積極協(xié)調(diào)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的培養(yǎng)體系，堅持實踐教學(xué)與理論教學(xué)并重的教學(xué)理念，使實踐教學(xué)與科學(xué)研究相互結(jié)合、促進、協(xié)調(diào)、發(fā)展[3，6-8，11，14]。

2 構(gòu)建層次化、模塊化的課程群平臺

根據(jù)社會發(fā)展對寬口徑人才的需要, 需對本專業(yè)方向所開課程群進行頂層設(shè)計合理配置教學(xué)資源, 突出運動控制特色, 兼顧專業(yè)內(nèi)涵的綜合與全面。運動控制專業(yè)方向的基礎(chǔ)是運動控制理論, 其重點應(yīng)立足于運動控制系統(tǒng)。因此，其課程群平臺架構(gòu)充分體現(xiàn)出其系統(tǒng)組成、實現(xiàn)及控制方式，即理論方法和其實現(xiàn)的載體, 體現(xiàn)系統(tǒng)的層次化和模塊化結(jié)構(gòu)，如表1所示。課程群體系平臺從層次上可分為公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課3個層次, 從模塊上可分為數(shù)理分析基礎(chǔ)、電工電子基礎(chǔ)、載體基礎(chǔ)、控制理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)集成級別5個模塊。從實現(xiàn)載體看包含:控制對象、信息獲取與驅(qū)動執(zhí)行、信息控制和處理和信息傳遞4個環(huán)節(jié)。

表1 運動控制專業(yè)方向的課程群體系平臺

3 整合系統(tǒng)化、模塊化的知識點內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容的整合和優(yōu)化應(yīng)以知識模塊的有機融合為主線，強化課程群間的知識聯(lián)系、銜接及系統(tǒng)的完整性，調(diào)整、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，增強突出各環(huán)節(jié)模塊的特點, 使多門專業(yè)課有機的融合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)下的作用。將運動控制集成系統(tǒng)組成的各個環(huán)節(jié)與相關(guān)知識領(lǐng)域相對應(yīng)，課程群可整合為電機原理與模型、信號檢測與處理技術(shù)、電力電子與功率變換器和常規(guī)電氣、集成數(shù)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 建立開放共享、立體化的實踐教學(xué)體系

為了培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新意識和工程實踐能力，在實踐教學(xué)過程中嚴格貫徹以能力培養(yǎng)為切入點，在學(xué)生培養(yǎng)過程中應(yīng)用符合時代發(fā)展、社會需求的實踐教學(xué)課程體系[10-11，15-16]。運動控制專業(yè)方向課程群的實踐教學(xué)以注重理論知識和專業(yè)素質(zhì)及能力的協(xié)調(diào)發(fā)展和共同提高為指導(dǎo)原則，將專業(yè)建設(shè)、運動控制方向建設(shè)、課程群的建設(shè)脈絡(luò)同步進行，并且將實踐教學(xué)環(huán)節(jié)貫穿于課程學(xué)習(xí)的全過程。

運動控制專業(yè)方向?qū)嵺`教學(xué)體系以工程能力素質(zhì)培養(yǎng)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(chǔ)規(guī)范類(課程認知實踐、基礎(chǔ)理論驗證性實驗)、綜合設(shè)計類(課程綜合性實驗、課程設(shè)計和實訓(xùn)、畢業(yè)實習(xí)和設(shè)計、獲得職業(yè)技能資格證書)和研究創(chuàng)新型(參與教師教/科研課題、各類創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新培養(yǎng)計劃項目)，6個工程能力模塊指電子系統(tǒng)綜合設(shè)計、軟件編程和硬件系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)分析設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)字仿真、系統(tǒng)設(shè)計集成和系統(tǒng)搭建調(diào)試。形成從接受知識到培養(yǎng)能力逐級提高的實踐教學(xué)體系。

該培養(yǎng)體系結(jié)合專業(yè)建設(shè)及培養(yǎng)計劃，以綜合設(shè)計型取代原理驗證型，以自主設(shè)計型逐步取代單一、限定設(shè)計型，增加基礎(chǔ)創(chuàng)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(yīng)用技術(shù)成果設(shè)計到實踐教學(xué)和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新培養(yǎng)計劃中，使設(shè)計型、綜合型實驗項目與工程應(yīng)用和最新技術(shù)緊密結(jié)合，并自行設(shè)計、開發(fā)、搭建綜合性實驗教學(xué)裝置[11，14，16]。有計劃、有目的地增加設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗比例[11，16-17]，結(jié)合學(xué)科發(fā)展動向和企業(yè)需求，及時設(shè)計、修改和調(diào)整實踐教學(xué)體系和實驗項目群。在此基礎(chǔ)上，及時進行跟蹤國內(nèi)外專業(yè)教材建設(shè)保持更新率，保證了專業(yè)內(nèi)容上的先進性，更好的服務(wù)于專業(yè)方向建設(shè)。

5 采取立體化、多元化的教學(xué)模式

5.1 充分運用現(xiàn)代教學(xué)手段

充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)建設(shè)數(shù)字化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化等多元形態(tài)、開放性的現(xiàn)代教學(xué)手段服務(wù)教學(xué)實踐，適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)生的培養(yǎng)需求。通過計算機多媒體輔助教學(xué)(含微課、創(chuàng)客), 一方面增加課堂知識量,擴大專業(yè)教學(xué)內(nèi)容,拓寬專業(yè)知識面；另一方面計算機多媒體教學(xué)使專業(yè)課教學(xué)生動形象, 集中學(xué)生注意力, 增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣, 提高教學(xué)效果和質(zhì)量。通過交互方式運用計算機網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)能夠有效拉近教師和學(xué)生的距離感, 尤其適用于學(xué)生的課前自學(xué)、討論和課后輔導(dǎo)，并能將歷屆和不同層次的專業(yè)問題展示給學(xué)生，給予專業(yè)問題上的正確解答和專業(yè)學(xué)習(xí)方向上的引導(dǎo)。其次，通過利用Multisim、Proteus、Matlab、Saber和PSpice等專業(yè)軟件構(gòu)建的虛擬、仿真型實驗項目來配合理論、實踐課教學(xué)及項目創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新培養(yǎng)，在某些難以描述和講解的基本概念、原理與基本現(xiàn)象的教學(xué)中[15，18]，或應(yīng)用到因?qū)W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(yè)知識面，又能更好運用仿真軟件服務(wù)于專業(yè)學(xué)習(xí)和項目創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新培養(yǎng)，這對培養(yǎng)學(xué)生工程實踐的觀察、分析、理論應(yīng)用能力非常重要。在實踐中證明, 在專業(yè)課程群教學(xué)中采用計算機多媒體輔助教學(xué)和計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)更適應(yīng)專業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，從技術(shù)手段上賦予了專業(yè)內(nèi)容上的新內(nèi)涵，并有效地拓展了服務(wù)教學(xué)的深度。

5.2 引入新型教學(xué)模式

在教學(xué)方法上應(yīng)本著學(xué)以致用的理念，加強教授知識的系統(tǒng)性，注重培養(yǎng)學(xué)生的理解力、執(zhí)行力和創(chuàng)新理念。多采用啟發(fā)式、研討式和互動式等開放式教學(xué)模式來充分發(fā)揮學(xué)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(xué)過程的效率和效果。例如，在習(xí)題課和討論課上讓學(xué)生自己講解自行設(shè)計或研發(fā)案例，培養(yǎng)其尊重科學(xué)知識的理念，激發(fā)學(xué)生的工程創(chuàng)意和動手實踐能力，更容易提高學(xué)生課上和課下的學(xué)習(xí)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(yè)學(xué)習(xí)上的自信。另外，教師在講授實踐教學(xué)內(nèi)容時可以根據(jù)設(shè)計需求和實際情況，鼓勵學(xué)生查閱本專業(yè)方向的前沿科技成果，來激發(fā)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新理念，也有助于學(xué)生解脫應(yīng)試教育而適應(yīng)新型實踐型培養(yǎng)模式，激發(fā)學(xué)生對運動控制專業(yè)方向的興趣和探索潛能[12，18]。在“運動控制系統(tǒng)”課程中，為了融合和彌補課堂教學(xué)理論性強的特點，利用專業(yè)課程群實驗用掛件的各個環(huán)節(jié)具體的實際電路將課堂介紹系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都具體化，讓學(xué)生對系統(tǒng)有著更為直觀的認識和理解[17-18]，同時做好實驗教學(xué)的課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，用一些工程實例將所學(xué)理論與實際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)理論分析和實踐動手能力，持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，形成運動控制方向的專業(yè)素養(yǎng)和特質(zhì)。

5.3 實踐教學(xué)與教研、科研和社會應(yīng)用相結(jié)合

為了與社會應(yīng)用實踐相結(jié)合，鼓勵學(xué)生參加學(xué)院組織、行業(yè)認定的電工、PLC、單片機等相關(guān)課程的實踐實訓(xùn)技能鑒定，并獲得相應(yīng)的職業(yè)技能證書，也可以在畢業(yè)前參加“自動化系統(tǒng)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(xué)團隊的教師們將自己申請的在研課題內(nèi)容列入學(xué)生科研訓(xùn)練計劃，采用以課題團隊的方式承擔(dān)科研課題子課題的研究形式來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力、工程實踐能力和創(chuàng)新意識[12-14]。并在此基礎(chǔ)上學(xué)生可以申報校級、省級和國家級大學(xué)生實踐創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目。學(xué)生根據(jù)課題研究的主要內(nèi)容和要求，查閱相關(guān)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(shè)備，構(gòu)建實驗平臺完成規(guī)定的實驗項目及內(nèi)容，撰寫出研究課題的總結(jié)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(fā)表等訓(xùn)練，讓其感受科學(xué)研究的全過程，培養(yǎng)其獨立科研和團隊協(xié)作能力，學(xué)到更多書本以外的知識[18-19]。近3年有數(shù)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(guān)于校級教研項目“運動控制系統(tǒng)實驗虛擬技術(shù)新方法的實現(xiàn)”開發(fā)了基于PLC、計算機控制技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)；關(guān)于?；痦椖俊爱惒诫姍C矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)”建立了矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，基于實驗設(shè)備的設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路，系統(tǒng)的調(diào)試與試驗等[18]。另外學(xué)生在參與教師基金項目“弧焊電源的改造”基礎(chǔ)上，完成一項國家級大學(xué)生實踐創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目。在此過程，學(xué)生“應(yīng)用學(xué)習(xí)”，并完成具有一定實用價值的成果，并且專業(yè)綜合素質(zhì)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(xué)效果和考核可信度，實現(xiàn)真正意義上的教考分離，在收集大量習(xí)題、考研試題以及多年教學(xué)積累基礎(chǔ)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(wǎng)站，教師可對試題庫及時更新，學(xué)生可檢驗自己的學(xué)習(xí)效果。在實驗教學(xué)中，根據(jù)不同的實驗層次，對學(xué)生采取不同的評價方法[10、15-18]?；A(chǔ)教學(xué)實驗實行學(xué)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(shè)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(yè)技能鑒定、自動化系統(tǒng)工程師培訓(xùn)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(chuàng)新實驗實行“科學(xué)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(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和專業(yè)綜合素質(zhì)的提高。

6 教學(xué)改革成果豐碩

6.1 形成立體化運動控制人才培養(yǎng)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(yè)方向、交叉學(xué)科的研究生人才培養(yǎng)平臺。國家級及省級實踐教學(xué)平臺包括：軌道交通信息與控制虛擬仿真國家級實驗教學(xué)中心、江蘇省電工電子實驗教學(xué)示范中心、江蘇省自動化特色專業(yè)、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃等。還包括市級平臺職業(yè)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(wù)、機務(wù)段、蘇州德斯特等一批自動化專業(yè)運動專業(yè)方向的校外實習(xí)基地。

6.2 提高教學(xué)團隊的教學(xué)水平和科研能力

教學(xué)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(yǎng)工程”首批青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)人選、省“青藍工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人不同梯次的教師。獲得省部級教學(xué)成果獎7項和校級教學(xué)成果獎勵18項；完成重點課程建設(shè)8門和課程教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)2個；編寫出版教材6部；承擔(dān)省部級以上教研項目4項和校級教研項目5項；發(fā)表教研論文11篇和科研論文20篇；承擔(dān)國家級、省部級和校級科研項目10項；自制設(shè)備儀器6種共133套并獲2項省部級自制儀器設(shè)備“優(yōu)秀獎”；申請國家專利7項。

6.3 增強學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力

學(xué)生獲國家級及省級競賽獎勵12項，國家、省部級以上大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目20項，申請專利3項，發(fā)表科研論文12篇。培育學(xué)生創(chuàng)業(yè)團隊3項，申請國內(nèi)外專利5項，完成融資并已投入生產(chǎn)。學(xué)生職業(yè)技能鑒定全覆蓋，職業(yè)技能鑒定考核通過率達95%?？佳屑熬蜆I(yè)率為97%，連續(xù)幾年榮獲就業(yè)先進單位。

7 結(jié) 語

本文研究是以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”作為自動化專業(yè)運動控制方向工程型人才培養(yǎng)模式實施、建設(shè)的指導(dǎo)依據(jù)，將綜合交叉性學(xué)科所包含的專業(yè)理論與多領(lǐng)域的生產(chǎn)實踐的現(xiàn)實聯(lián)系、課程培養(yǎng)體系與工程型實踐的深度融合關(guān)系做了梳理，針對培養(yǎng)體系中存在的新技術(shù)引入滯后、實踐驅(qū)動創(chuàng)新理念不足、架構(gòu)不清、研發(fā)創(chuàng)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(yǎng)的建設(shè)目標(biāo)，加強實踐教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才的教學(xué)改革思想，整合、優(yōu)化教育培養(yǎng)資源，構(gòu)建出層次化、模塊化的課程群平臺，整合系統(tǒng)化、模塊化的知識點內(nèi)容，建立開放、共享實踐教學(xué)體系，采用現(xiàn)代教學(xué)手段、新型教學(xué)模式和課程群考核評價體系，建立起實踐教學(xué)與教研、科研和社會應(yīng)用實踐相結(jié)合的立體化、多元化的模式。努力使之反映當(dāng)下教育改革方向、適合專業(yè)建設(shè)和學(xué)科發(fā)展需求，具有先進性、創(chuàng)新型、適應(yīng)性和系統(tǒng)性的品牌特色。同時，也為后續(xù)構(gòu)建出具備創(chuàng)新理念、架構(gòu)合理有序、資源深度耦合的人才培養(yǎng)體系奠定著前期基礎(chǔ)。