新工科智能制造研究生全培養(yǎng)周期方法探索

許明 王萬強 陳昌

關(guān)鍵詞：智能制造;新工科;全培養(yǎng)周期;研究生創(chuàng)新能力

1現(xiàn)狀與背景分析

當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展和重大科學(xué)技術(shù)成就的取得，都和人才密不可分，對人才培養(yǎng)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(zhàn)?！靶鹿た啤笔窍鄬τ趥鹘y(tǒng)工科而言，以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景的一個動態(tài)概念，是在21世紀(jì)與新挑戰(zhàn)下培養(yǎng)創(chuàng)新實踐人才的重要舉措。智能制造是典型的新工科專業(yè)，是信息技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的深度融合，是機械、電子信息、計算機、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同交叉和共促發(fā)展。從技術(shù)的層面上來說，智能制造關(guān)鍵技術(shù)可體現(xiàn)在智能設(shè)計技術(shù)、智能制造技術(shù)、智能管理技術(shù)、信息化支撐平臺技術(shù)、智能制造裝備及系統(tǒng)等五個方面。從發(fā)展的層面上來說，經(jīng)濟快速發(fā)展和現(xiàn)代化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)的自動化和數(shù)字化程度越來越高，特別是智能控制技術(shù)向著智能化方向發(fā)展，導(dǎo)致社會各個領(lǐng)域急需智能控制技術(shù)專業(yè)的技術(shù)人才。

新工科強調(diào)面向數(shù)字經(jīng)濟、智能經(jīng)濟等新興產(chǎn)業(yè)的多學(xué)科交叉融合，其對智能制造等人才的培養(yǎng)需求，以及當(dāng)前現(xiàn)狀如下：

（1）具有跨學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)。對于智能制造等新工科專業(yè)而言，更強調(diào)學(xué)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(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。盡管交叉學(xué)科研究與教育已經(jīng)在我國部分高校陸續(xù)展開，相關(guān)研究也在不斷豐富，但在實踐層面，尤其是對于交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)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(xué)習(xí)和分析解決問題的能力。強調(diào)以自主學(xué)習(xí)為主體，通過主動參與、樂于探索、勤于實踐、創(chuàng)新創(chuàng)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(yè)而言，會不斷遇到各種復(fù)雜工程問題，自主學(xué)習(xí)是分析解決復(fù)雜工程問題的基本能力保障。

（3）創(chuàng)新創(chuàng)造能力與素質(zhì)。當(dāng)前，工程開發(fā)和創(chuàng)新應(yīng)用的周期越來越短，技術(shù)更新轉(zhuǎn)化更加快捷，要求智能制造等新工科人才必須具備創(chuàng)新創(chuàng)造的能力和素質(zhì)，適應(yīng)未來科技的迅猛發(fā)展。雖然創(chuàng)新教育在人才培養(yǎng)模式、專業(yè)實驗教學(xué)等已有一些研究，但創(chuàng)新創(chuàng)造人才的實踐教育，尤其是智能制造等新工科研究生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力與素質(zhì)，如何在研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透和實施創(chuàng)新創(chuàng)造素質(zhì)培養(yǎng)，還需要不斷研究和探索。

相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟更需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。項目研究組建了一支由多名相關(guān)交叉領(lǐng)域研究生導(dǎo)師團(tuán)隊，構(gòu)建了跨學(xué)科的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)支撐平臺，最大限度地提高研究生的培養(yǎng)實效。

2全培養(yǎng)周期方法實踐

2.1新工科研究生全培養(yǎng)周期體系的構(gòu)建

面向產(chǎn)品全生命周期的過程與數(shù)據(jù)管理的有機結(jié)合，是智能制造中的重要方法，使得企業(yè)各組成部分能夠協(xié)調(diào)一致工作，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品上市時間，增強企業(yè)的競爭力。本項目將產(chǎn)品全生命周期的概念應(yīng)用于研究生的培養(yǎng)，從研究生進(jìn)校開始學(xué)習(xí)（部分研究生本科階段即開始進(jìn)入），到研究生畢業(yè)離校，再到研究生進(jìn)人工作崗位的一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一體系構(gòu)建與數(shù)據(jù)管理。研究生培養(yǎng)貫穿研究生在校的整個階段，從學(xué)位課程學(xué)習(xí)、實踐學(xué)習(xí)、科研文獻(xiàn)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(yǎng)周期體系，以研究生培養(yǎng)為中心，需要從三個方面來構(gòu)建，具體如下：

（1）以導(dǎo)師團(tuán)隊為帶動，組建具有深厚學(xué)科背景和跨學(xué)科領(lǐng)域?qū)焾F(tuán)隊，以“機器人”為主攻方向，提升團(tuán)隊的交叉科研能力和水平，創(chuàng)造良好全景培養(yǎng)平臺。

（2）以創(chuàng)新實踐平臺為基礎(chǔ)。依托校外研究院實體，并依靠校內(nèi)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(chuàng)新實踐平臺，并將導(dǎo)師團(tuán)隊的科研平臺和實驗系統(tǒng)，作為研究生創(chuàng)新實踐培養(yǎng)的基礎(chǔ)。

（3）以產(chǎn)業(yè)對接為導(dǎo)向來構(gòu)建全方位的研究生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。面向智能制造典型和知名企業(yè)的實際需求，動態(tài)適應(yīng)及調(diào)整研究生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)課程。對已畢業(yè)研究生進(jìn)行調(diào)研，對在校生培養(yǎng)方案進(jìn)行反饋校正。在培養(yǎng)體系的構(gòu)建筑中，還注重與5G、先進(jìn)電子裝備等新興產(chǎn)業(yè)的融合，不斷拓展產(chǎn)業(yè)對接的廣度和深度。

2.2工程實踐與創(chuàng)新基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)

一般而言，研究生同學(xué)的本科在全國各地高校就讀，課程范疇及層次、側(cè)重點等各不相同，為培養(yǎng)研究生工程實踐與創(chuàng)新基礎(chǔ)能力，需要開展一系列的綜合創(chuàng)新綜合實踐。研究生進(jìn)校的第1個學(xué)期，主要是課程學(xué)習(xí)，除核心學(xué)位課以外，鼓勵研究生進(jìn)行跨學(xué)院、跨學(xué)科課程的選修。

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

3D造型設(shè)計及制圖是智能制造、機械等工程類研究生的基礎(chǔ)和重要能力，對于產(chǎn)品開發(fā)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(tǒng)為3D造型案例，讓研究生同學(xué)進(jìn)行學(xué)習(xí)和掌握。

電子電路設(shè)計及測試能力培訓(xùn)，相當(dāng)多的機械類研究生同學(xué)，本科階段對電子電路設(shè)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(guān)內(nèi)容。項目團(tuán)隊在電子電路設(shè)計及測試實驗平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基礎(chǔ)電子電路設(shè)計能力的培訓(xùn)及實踐，并結(jié)合Multisim仿真軟件和Ahium Designer電路圖設(shè)計軟件，虛實結(jié)合，理實合一，提升研究生同學(xué)的電子電路設(shè)計及測試能力，為今后的科研項目開展和工作奠定基礎(chǔ)。

MCU是嵌入式控制器的簡稱，是嵌入式開發(fā)的核心部件，在智能制造的感知設(shè)備，如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器、工業(yè)裝備的各種控制器等，都有廣泛的應(yīng)用。項目團(tuán)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(chǔ)，對研究生的嵌入式硬件搭建、嵌入式軟件設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面開展實踐培訓(xùn)。

有限元分析是工程設(shè)計和科學(xué)研究的重要方法，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法從結(jié)構(gòu)強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。以國內(nèi)應(yīng)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(xué)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(shè)計和科學(xué)研究的利器。

2.3科研文獻(xiàn)閱讀，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力培養(yǎng)

閱讀文獻(xiàn)是科研工作的第一步，在導(dǎo)師團(tuán)隊的努力下，指導(dǎo)研究生學(xué)習(xí)科研文獻(xiàn)閱讀技巧和方法。文獻(xiàn)是科研的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)從“讀”開始，由“讀”深入，做實驗和寫論文都少不了參考相關(guān)文獻(xiàn)。“閱讀文獻(xiàn)”作為一名科研人員最基礎(chǔ)也是最需要必備的能力?？蒲形墨I(xiàn)技巧，掌握Web of Science等數(shù)據(jù)庫和檢索方法，總結(jié)歸納研究項目領(lǐng)域相關(guān)的重點期刊;培養(yǎng)研究生對于科研閱讀的方法，閱讀文獻(xiàn)的順序及側(cè)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(jié)果及結(jié)論分析。引導(dǎo)研究生記錄文獻(xiàn)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(yǎng)為中心，構(gòu)建智能制造等新工科專業(yè)研究生的全培養(yǎng)周期體系，以導(dǎo)師團(tuán)隊為帶動，以創(chuàng)新實踐平臺為基礎(chǔ)，以產(chǎn)業(yè)對接為導(dǎo)向，來探索創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)體系及方法。經(jīng)過六年的探索和實踐，項目組研究生的創(chuàng)新實踐成果豐富，畢業(yè)研究生全部進(jìn)入知名企業(yè)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(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，可為相關(guān)新工科專業(yè)研究生的培養(yǎng)提供借鑒和參考。