新工科形勢下自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)

丁德銳，梁 艷

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院；2.上海理工大學管理學院，上海200093)

1 新工科的時代背景

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、新能源等新興科技的快速發(fā)展與相互融合促使了新一輪工業(yè)革命的萌芽。我國于2015年正式提出“中國制造2025”重大戰(zhàn)略，為制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了新機遇、注入了新動力。

在這一輪新技術變革中，始終貫穿著體現(xiàn)信息技術與制造技術深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化這一主線。未來5-15年是傳統(tǒng)工業(yè)化與新型工業(yè)化相互交織、交替的轉(zhuǎn)換期，是工業(yè)化與信息化相互深度融合的過渡期[1]。

新工科既指新興工科專業(yè)，如人工智能、智能制造、機器人等原來沒有的專業(yè)，又包括傳統(tǒng)工科與其他學科交叉融合的新工科專業(yè)及其傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造[2]。教育部高教司2017年推出“新工科”計劃，并先后形成了“復旦共識”、“天大行動”、“北京指南”等指導性文件[3]。新工科研究與實踐涵蓋了工程教育理念、學科專業(yè)結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)模式、教育教學質(zhì)量、分類發(fā)展體現(xiàn)等五大方面，是對新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)模式下人才培養(yǎng)內(nèi)容、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)目標的探索[4-5]。自動化專業(yè)在這一輪的新工科建設和發(fā)展過程起到承上啟下的關鍵作用，不僅僅涉及傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，更是諸如智能制造、機器人等科技創(chuàng)新的重要支撐。

2 傳統(tǒng)自動化專業(yè)面臨的新沖擊

自動化專業(yè)是以自動控制理論為主要理論基礎，以電子技術、計算機信息技術、傳感器與檢測技術等為主要技術手段，對各種自動化裝置和系統(tǒng)實施控制的一門專業(yè)。具有“控(制)管(理)結(jié)合，強(電)弱(電)并重，軟(件)硬(件)兼施”的鮮明特點。

目前，自動化關注的是局部機器智能、系統(tǒng)論及其控制論，主要的目標對象是較為單一的機器系統(tǒng)，服務于自動化機械設備、自動化生產(chǎn)線、自動化加工等一系列工業(yè)活動。在工業(yè)4.0、中國制造2025的引領下，各學科之間的交叉與融合在未來的制造業(yè)必將更加廣泛，具有扎實的專業(yè)技術和復合型知識背景的人將是企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心競爭力之一，這必然促使傳統(tǒng)的自動化人才培養(yǎng)模式向具備“工程+信息+計算機+人工智能+自動化”的多學科交叉滲透的人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變[6-7]。因此，需要打破傳統(tǒng)條塊分割式的人才專業(yè)結(jié)構(gòu)及培養(yǎng)模式的壁壘，建立一專多精、多專多精的復合型人才培養(yǎng)理念和與之相適應的培養(yǎng)體系。換句話說，傳統(tǒng)的自動化專業(yè)不僅要積極地汲取人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前端成果，實現(xiàn)傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，更需要充分認識新工科建設理念，探索新的思維模式、新的體制機制、全面創(chuàng)新工程教育，同時賦予自動化專業(yè)新的內(nèi)涵和歷史使命，培養(yǎng)更為優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，以達到支撐和引領新經(jīng)濟發(fā)展的目的。

3 新工科理念下自動化專業(yè)人才培養(yǎng)探索

3.1 課程體系革新

自動化專業(yè)的目標在于適應新時代要求，培養(yǎng)具備計算機應用技術、網(wǎng)絡與通信技術、電氣與電子技術、控制理論與工程、自動檢測與信息處理技術、電力電子技術等領域的理論和工程技術基礎及專業(yè)知識，具有工程實際與創(chuàng)新能力的寬口徑復合型技術創(chuàng)新人才。專業(yè)課程分為四個模塊：專業(yè)核心課程、專業(yè)拓展課程(與專業(yè)方向掛鉤)、專業(yè)實踐課程(與專業(yè)方向掛鉤)、實習與畢業(yè)設計。例如，上海理工大學嵌入式系統(tǒng)方向的專業(yè)拓展課程有：控制系統(tǒng)仿真、虛擬儀器技術、DSP原理及應用、嵌入式系統(tǒng)；工業(yè)過程控制系統(tǒng)方向的專業(yè)拓展課程有：傳感器檢測技術、PLC技術、電力拖動自動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。

近來，各大高校以社會需求為導向不斷調(diào)整和完善自動化專業(yè)的教學內(nèi)容，主要做法有：①強化學生控制理論基礎的學習，在傳統(tǒng)自動控制原理和現(xiàn)代控制理論基礎上，根據(jù)學科特色有針對性的增加最優(yōu)化理論、自適應控制、系統(tǒng)辨識以及智能控制等知識內(nèi)容，完善控制理論課程鏈；②提高計算機控制技術的知識比例，順應制造業(yè)信息化發(fā)展趨勢，相繼開設了現(xiàn)場總線技術、數(shù)據(jù)庫原理、DSP原理及應用、嵌入式系統(tǒng)理論等，增加計算機與信息技術體系的寬度和廣度；③深挖高校的行業(yè)特色，實現(xiàn)差異化發(fā)展和面向市場的專業(yè)定位，融入相關行業(yè)知識如樓宇自動化、機器人技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器網(wǎng)絡等，搭建了高校理論學習與社會專業(yè)人才需求的橋梁。

調(diào)整在一定程度上適應了社會對專業(yè)人才的需求。但總的來說還是知識內(nèi)容的線性式的單項補充。首先，專業(yè)課程的知識結(jié)構(gòu)設計漸趨科學化、體系化，但很多課程之間彼此獨立、內(nèi)容未能很多的滲透與交叉，仍然明顯有傳統(tǒng)條塊分割式專業(yè)模塊設計，對學生的學習和理解形成了障礙；其次，各專業(yè)方向內(nèi)，課程與課程之間內(nèi)容銜接較差、部分課程的內(nèi)容存在著重復，對學生的學習精力造成了一定的影響，無形中增加了學生的學習負擔；再者，知識內(nèi)容的設計雖然不斷調(diào)整，但更新速度落后于社會科技的發(fā)展速度，專業(yè)課程無法及時跟上物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、新能源等新興領域?qū)ψ詣踊瞬诺呐囵B(yǎng)需求，學生的綜合素質(zhì)很難適應科技創(chuàng)新的發(fā)展需求；又再者，現(xiàn)階段的自動化專業(yè)人才的知識和技能素養(yǎng)要求越來越多，學生所需要學習掌握的知識點越來越多，極大地消減了專業(yè)基礎課程學習的精力與時間。最后，課程教學更注重傳統(tǒng)基礎內(nèi)容，具有工程應用導向的知識點過少，即使是新增設的樓宇自動化、機器人技術等新興課程內(nèi)容，依然未能展現(xiàn)科技的最前沿。

自動化專業(yè)的課程體系應當進一步打破了傳統(tǒng)的教學模式和體系，設計出符合一專多精、多專多精的復合型人才培養(yǎng)的教學培養(yǎng)體系。首先，在現(xiàn)有的“課程群”體系基礎上，合并“相似的專業(yè)課程”，進一步顯化專業(yè)培養(yǎng)課程鏈；其次，以發(fā)展的眼光對傳統(tǒng)知識合理取舍，精簡知識要點，既要保證科學研究夠?qū)?，又要滿足工程實踐夠用，形成符合未來人才培養(yǎng)要求的新課程；再者，面對其他新工科專業(yè)，如“機器人工程”等人工智能專業(yè)，自動化專業(yè)需要結(jié)合中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃重新設定人才培養(yǎng)定位，彰顯自己的專業(yè)特色，并建立與之配套的課題體系。

2．2 實踐教學升級

實踐教學作為連接理論與應用的橋梁，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的切入點[5-6]。只有將智能制造、大數(shù)據(jù)技術、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求切實地引入實踐教學過程當中，才能真正打通實踐教學的“最后一公里”[8]。目前，受制于實驗經(jīng)費和實驗條件，大多數(shù)高校自動化專業(yè)的實踐教學主要以課內(nèi)實驗為主，以驗證性實驗居多，設計性的實驗偏少。此外，也有不少高校配置了少量的諸如PLC過程控制系統(tǒng)、儀表測試系統(tǒng)、機器視覺與圖像處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)等高階實驗平臺，但多數(shù)為研究生在操作，僅有少數(shù)參與開放性實驗課題的本科學生從事了相對高階的實驗設計和功能開發(fā)工作，遠未達到中國制造2025科技創(chuàng)新戰(zhàn)略對復合型人才的需求。

《普通高等學校自動化專業(yè)規(guī)范》[9]的專業(yè)實踐教學內(nèi)容明確給出了各個類型的自動化專業(yè)實踐教學內(nèi)容的要求和目標，劃出了人才培養(yǎng)的底線。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能這些掌控“中國制造2025”實施命脈的新科技、新理念并未能很好的貫徹到實踐教學過程當中。究其原因：一方面作為指導性文件，它無法全面的概括所有高校自動化專業(yè)的特色和相應的軟硬件設備；另一方面這些專業(yè)實踐教學依托的依然是傳統(tǒng)、經(jīng)典的專業(yè)課程，致使實踐環(huán)節(jié)很難打破傳統(tǒng)知識體系的束縛、及時銜接最新的智能化、信息化的自動控制新技術的進展。更為突出的是，最新的實踐教學可能會因為缺乏經(jīng)典的實驗流程、成熟的實驗指導材料以及有經(jīng)驗的實踐指導教師，當然也可能學生的綜合能力也有所不逮，很難達到理想的實驗教學目的。

為了改善這一狀況，順應新工科建設的理念，急需深化實踐教學的內(nèi)容和方式。首先，需要集中來自于工程、計算機、自動化相關領域的專業(yè)教師，以中國制造2025、新工科等為指導原則，撰寫具有傳感器網(wǎng)絡、工業(yè)機器人、人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應用背景的實驗教程，如室內(nèi)無線傳感器定位跟蹤、多機械臂運動控制、圖像識別與智能檢測、智慧小車編隊控制、智慧小車設計與開發(fā)、工業(yè)數(shù)據(jù)處理等適合自動化本科學生的實踐教學材料。其次，加大本科學生自主設計實訓的力度，搭建理論知識與實踐應用的橋梁，培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新能力以及培養(yǎng)學生利用所學知識解決實際工程問題的綜合應用能力。再者，依托自動化相關專業(yè)的研究生，加大本科生實踐創(chuàng)新的投入力度，并從政策上給予傾斜，提高學生的探索興趣以及實踐能力，并在此基礎上培育出更多的本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。再次，實施校企聯(lián)合培養(yǎng)機制，依托企業(yè)專業(yè)的研發(fā)與實踐平臺，充分利用其工程技術人員的指導能力，擴大學生實踐教學內(nèi)容的深度和廣度，高?？梢酝恍﹥?yōu)秀企業(yè)搭建實踐教學基地和場所，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、資源合理利用，促進學生實踐能力培養(yǎng)的優(yōu)化。最后，積極鼓勵成績優(yōu)秀的學生積極參加全國以及省市級各種相關競賽，通過參加比賽增長見識，拓寬視野，提高水平，鍛煉才干。

3.3 師資隊伍跨界整合

為了充分貫徹新工科的發(fā)展和建設理念，必須擁有一支與培養(yǎng)方案相適應的教師隊伍。由于我國教育體制的特色，很難快速的改變師資隊伍的年齡結(jié)構(gòu)、學源結(jié)構(gòu)、知識結(jié)構(gòu)，從而致使師資隊伍與學科專業(yè)不能完美匹配。例如，前些年我國很多高校實現(xiàn)了升格，很多師范類、綜合類院校在傳統(tǒng)學科的基礎上發(fā)展了自動化、電子信息工程等一大批順應社會發(fā)展的新學科專業(yè)。然而，新專業(yè)的師資力量未能及時有效的提升更新，使得專業(yè)課程、專業(yè)實踐課程的教學浮于表面很難達到社會對專業(yè)人才的需求。

為了突破這個困局，可以多頭并進：①鼓勵中青年骨干教師假期時間利用各種渠道，如訪問其他成熟高校的學科團隊，參加各種行業(yè)會議和研討會，讓具有國際理念的高水平教師或優(yōu)秀教師赴國外進修等策略加速了解新興信息技術知識和專業(yè)理念；②聘請相關企業(yè)的一線科研人員擔任自動化專業(yè)課程或?qū)嵺`課程的主講教師，充分發(fā)揮其專業(yè)性、實踐性和工程性；③學校學院各層面根據(jù)中國制造2025對符合型人才的需求，建立更為豐富的跨專業(yè)選修課程，鼓勵優(yōu)秀學生跨專業(yè)選課，在一定程度上打破師資院系限制的壁壘，實現(xiàn)專業(yè)師資的虛擬聯(lián)盟；④充分利用各級政府所倡導的合作育人機制與政策支持，建立符合新工科建設理念下的自動化專業(yè)的合作育人項目，充分整合企業(yè)和高校的教育資源，使專業(yè)教育與新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)緊密融合，并搭建更為優(yōu)越的師資平臺。