賽教融合和CDIO下測控專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索

劉理 胡宏偉 易可夫

［摘 要］ 隨著智能制造和機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國大部分高校測控專業(yè)將面臨測控專業(yè)招生能力不足以及測控專業(yè)教學(xué)內(nèi)容已無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才需求的入口出口雙重擠壓。通過對長沙理工大學(xué)測控專業(yè)的研究，給出了測控專業(yè)在新工科背景下，從賽教融合和CDIO實踐兩個維度進行改革探索的經(jīng)驗。研究結(jié)果對基于新工科的測控專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革，具有一定的經(jīng)驗借鑒作用和現(xiàn)實意義。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；測控專業(yè)；賽教融合；實踐平臺；CDIO

［基金項目］ 2021年度長沙理工大學(xué)教學(xué)改革研究金課項目“線上線下混合傳感器原理與應(yīng)用課程”（2021046-43）；2021年度長沙理工大學(xué)教改課題“‘網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)課程研究性教學(xué)方法探索與實踐”（XJG21-102）；2019年度湖南省教育廳科學(xué)研究項目“互擾博弈環(huán)境下人在回路的人車混合控制策略研究”（19C0036）

［作者簡介］ 劉 理（1982—），男，湖南長沙人，工學(xué)博士，長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能測控系統(tǒng)研究；胡宏偉（1980—），男，湖南長沙人，工學(xué)博士，長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事測試系統(tǒng)研究；易可夫（1987—），男，湖南長沙人，工學(xué)博士，長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能感知系統(tǒng)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）10-0105-04［收稿日期］ 2022-06-06

引言

隨著“工業(yè)4.0”、新工科各種概念和藍圖的推出，國家對工科教育提出了新的目標和要求，其中核心的需求就是在人才培養(yǎng)中激發(fā)創(chuàng)新能力和實踐能力［1］。在傳統(tǒng)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的本科培養(yǎng)計劃的實踐過程中存在各種問題和矛盾，例如，測控專業(yè)的學(xué)科交叉性強和知識覆蓋面廣與本科培養(yǎng)計劃體量有限、培養(yǎng)資源不充分之間的矛盾，教學(xué)內(nèi)容重理論重基礎(chǔ)輕實踐的問題，課程體系廣但深度和協(xié)調(diào)性不足的問題，師資力量不足且不平衡的問題［2-4］。再加上優(yōu)勢學(xué)科多層次多范圍對測控專業(yè)在各類資源上的擠壓（如控制、電子、車輛、機械學(xué)科），測控專業(yè)的教學(xué)和實踐的發(fā)展長時間處于低速甚至停滯狀態(tài)。測控專業(yè)建設(shè)和改革研究從多個方面（例如理論和實踐課程體系、實踐平臺、創(chuàng)新實驗班、CDIO實驗班、學(xué)科競賽、本科生科研項目以及各個課程上的教學(xué)內(nèi)容和改革、畢業(yè)設(shè)計）都進行了大量的探索和實驗［5-8］。這些都證明了學(xué)科競賽在促進學(xué)生實踐能力方面的巨大作用，而CDIO工程教育的探索和實踐進一步加強學(xué)校層面在工程教育和實踐能力方面的領(lǐng)導(dǎo)和資源整合作用［9-10］。

本文介紹在新工科背景下，基于各類學(xué)科競賽和CDIO理念，建立全流程融入學(xué)科競賽的課堂案例教學(xué)、課程設(shè)計、實訓(xùn)課程、學(xué)科競賽培訓(xùn)課程的四級教學(xué)和實踐體系，以及基于專業(yè)課程實驗室、學(xué)院CIDO實驗室、學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培訓(xùn)中心的三級實踐平臺，在有限資源情況下高效高質(zhì)量的培養(yǎng)測控專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程實踐能力、團隊合作能力。

一、四級教學(xué)和實踐訓(xùn)練體系

充分利用現(xiàn)有的課程體系和教師資源，依托專業(yè)教師、學(xué)生團隊和競賽輔導(dǎo)團隊三個隊伍，建立階梯式的課堂案例教學(xué)、課程設(shè)計、實訓(xùn)課程、學(xué)科競賽培訓(xùn)課程的四級教學(xué)和實踐訓(xùn)練體系。如圖1，體系包括四個階段。

第一階段，依托現(xiàn)有課程體系和專業(yè)教師，教師將現(xiàn)有的各類學(xué)科競賽的作品融入課堂教學(xué)。教師在課堂中以案例方式充分講解學(xué)科競賽作品的系統(tǒng)原理、功能以及基本參數(shù)。學(xué)生在課堂學(xué)習的同時，加強理論到實踐的過程認知和初步了解系統(tǒng)的功能和制作流程。進一步，在課程的課內(nèi)實驗?zāi)K加入對學(xué)科競賽作品的相關(guān)模塊，并進行基本數(shù)據(jù)采集和參數(shù)調(diào)試或者進行仿真分析。這一階段主要鍛煉學(xué)生的初步創(chuàng)新認知和實踐能力。

第二階段，仍然依托現(xiàn)有課程體系和專業(yè)教師，教師將現(xiàn)有的各類學(xué)科競賽的作品，融入實踐教學(xué)過程中。教師將學(xué)科競賽作品進行分解，并結(jié)合單獨的綜合課程設(shè)計課程、綜合實驗課程或者理論課程的大課程設(shè)計實現(xiàn)學(xué)生對學(xué)科競賽作品整體原理的理解和掌握，以及系統(tǒng)方案設(shè)計，并實現(xiàn)分模塊或者整體復(fù)現(xiàn)性制作。這一階段主要鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力、獨立工作能力和團隊協(xié)作意識。

第三階段，依托現(xiàn)有競賽輔導(dǎo)教師和專業(yè)教師，根據(jù)各類學(xué)科競賽、企業(yè)和科研創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目設(shè)立各種綜合性項目，并融入獨立實踐課程、實訓(xùn)實習項目。教師根據(jù)賽題和項目的需求，給出從設(shè)計、制作、加工、儀器測試整個流程。結(jié)合具體學(xué)科競賽規(guī)則、項目技術(shù)規(guī)范和資源分配和限制，學(xué)生將在實訓(xùn)課程中內(nèi)了解系統(tǒng)的需求、完成系統(tǒng)設(shè)計仿真以及基礎(chǔ)模塊和系統(tǒng)的測試和驗證工作，并分析各個系統(tǒng)的性能和進一步的優(yōu)化工作。這一階段主要鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力，訓(xùn)練學(xué)生的基本職業(yè)規(guī)劃和職業(yè)技能。

第四階段，依托現(xiàn)有競賽輔導(dǎo)教師和學(xué)生競賽團隊，根據(jù)各類學(xué)科競賽、企業(yè)和科研創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目完成賽題和系統(tǒng)，并進行實物驗證。競賽輔導(dǎo)教師根據(jù)賽題和項目的需求，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程或者第二課堂上進行基本的項目認知培訓(xùn)。學(xué)生競賽團隊在輔導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，在雙創(chuàng)課程課堂時間和課余時間完成整個系統(tǒng)的軟硬件制作和調(diào)試，以及基本文檔材料的準備。這一階段主要鍛煉壓力環(huán)境下，學(xué)生解決系統(tǒng)問題的能力與團隊協(xié)作能力。

二、三級實踐訓(xùn)練平臺

通過階梯式的學(xué)習環(huán)境和資源升級，在大學(xué)四年實踐訓(xùn)練中需要不斷升級學(xué)生的實踐學(xué)習環(huán)境和資源，從而維持學(xué)生的學(xué)習興趣和提高實踐能力。長沙理工大學(xué)測控專業(yè)通過建立三級實踐訓(xùn)練平臺，解決資源持續(xù)投入、擴大投入與資源不足之間的難題，如圖2。

第一級實踐平臺為專業(yè)課程實驗室。根據(jù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和學(xué)科競賽題目，整合測控系相關(guān)實驗室的實驗設(shè)備和實驗項目，建立開放性實驗室，編寫針對性的基礎(chǔ)性實驗指導(dǎo)書。相關(guān)實驗室的建設(shè)資源主要來源于測控系主導(dǎo)的專業(yè)實驗室以及專業(yè)教師組成的科研團隊的科研實驗室。

第二級實驗平臺為學(xué)院主導(dǎo)的CDIO實驗班以及相應(yīng)的實驗平臺。通過建立測控專業(yè)指導(dǎo)教師團隊和學(xué)生團隊加入學(xué)院主導(dǎo)的CDIO實驗班，從而充分利用學(xué)院資源進行本科生的進一步項目指導(dǎo)和實物制作。在CDIO實驗平臺的建立階段，測控專業(yè)團隊通過主導(dǎo)對應(yīng)比賽和項目的實驗場地和實驗設(shè)備的建設(shè)，為進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力提供課程資源和設(shè)備的保障。

第三級實驗平臺為學(xué)校主導(dǎo)的各類重點學(xué)科競賽的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺。通過加入學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，整合校內(nèi)和校外的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資源，支持并指導(dǎo)學(xué)生進行專利培訓(xùn)和團隊建設(shè)等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練以及進一步和企業(yè)進行合作，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化和成果轉(zhuǎn)化。

以大學(xué)生智能汽車競賽為例，具體涉及的訓(xùn)練項目和實踐平臺如下。

第一階段涉及的課程有電路、數(shù)字電路、模擬電路、測控電路、電路CAD、傳感器原理、MATLAB、信號處理、無損檢測、自動控制原理、虛擬儀器、機器視覺、過程控制系統(tǒng)，涉及的實踐平臺為專業(yè)課程實驗室，而實訓(xùn)項目為基礎(chǔ)電源電路、放大電路、信號調(diào)理電路、單片機的硬件電路、信號采集處理系統(tǒng)、自動控制算法、系統(tǒng)仿真和優(yōu)化方法。

第二階段涉及的課程有單片機原理、運動控制、微機原理、智能儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，涉及的實踐平臺專業(yè)課程實驗室，而實訓(xùn)項目為各類智能小車的軟硬件集成。

第三階段涉及的課程為CDIO和學(xué)科競賽培訓(xùn)課程，涉及的實踐平臺為學(xué)院主導(dǎo)的CDIO實驗班以及相應(yīng)的實驗平臺，而實訓(xùn)項目為各類智能小車的項目開發(fā)、軟硬件制作和集成。

第四階段涉及的課程為學(xué)校培訓(xùn)中心的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，涉及的實踐平臺為學(xué)校主導(dǎo)的學(xué)科競賽培訓(xùn)中心和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，而實訓(xùn)項目為各類智能車和四輪機器人的項目創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培訓(xùn)，系統(tǒng)測試和評估。

三、效果評估

近4年，通過將學(xué)科競賽和CDIO工程教育融合教學(xué)體系和建立各種實踐平臺，測控系學(xué)生95%參加了各類學(xué)科競賽。大量學(xué)生在各類學(xué)科競賽中獲得省部級以上獎勵，在大學(xué)生智能汽車競賽、大學(xué)生方程式汽車大賽、大學(xué)生電子設(shè)計科技競賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽等重要學(xué)科競賽中，榮獲國家級、省部級獎。如表1，隨著賽教融合和CDIO教學(xué)和實踐的開展，學(xué)生的成績逐步提高，對于成績處于中等和偏下的學(xué)生通過賽教融合和CDIO實踐平臺，成績有較大的提升。而成績處于上游的學(xué)生實踐能力獲得了較大的提升，從2019年到2022年參與學(xué)科競賽的學(xué)生在就業(yè)和考研上比例都有大幅的提升，而且獲得比較高的認可度。

結(jié)語

在新工科理念指導(dǎo)下，本文基于賽教融合和CDIO對測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才能力的培養(yǎng)模式和資源整合模型進行了探索和研究。其中四級教學(xué)訓(xùn)練體系主要為了解決賽教融合和CDIO工程教育在測控專業(yè)的組織問題和實施問題。大量的項目通過案例和實踐題目的方式融入本科課程體系中，專業(yè)教師加入培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力中，極大地豐富了課堂教學(xué)的案例和實踐人力資源。同時，學(xué)生在課程教學(xué)中從低到高、從簡單到復(fù)雜逐漸提高創(chuàng)新實踐能力，既保證創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的高覆蓋率，也提高了學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的質(zhì)量。

三級實踐訓(xùn)練平臺主要用于在資源有限的情況下，整合資源建立實驗室和實踐平臺。三級實踐訓(xùn)練平臺的建設(shè)充分發(fā)揮教師和學(xué)生的主動性，教師和學(xué)生共同爭取實踐資源和整合資源，既有效地克服教師為主建立實踐平臺的影響力不夠、設(shè)備到位不及時、技術(shù)陳舊的難題，又提高了學(xué)生對實踐平臺的參與度和利用率，保證了技術(shù)和設(shè)備更新?lián)Q代速率和先進性。從近幾年的培養(yǎng)效果上來看，未來還需要進一步加強融合力度和實踐平臺的自主建設(shè)，從而提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的適應(yīng)性和持續(xù)性。

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Exploration on Talent Training Model of Measurement and Control Major from Perspectives of Competition-teaching Integration and CDIO

LIU Li， HU Hong-wei， YI Ke-fu

（Technology College of Automotive and Mechanical Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hunan 430100，China）

Abstract： With the development of intelligent manufacturing and robot industry， the measurement and control major in most colleges and universities of China will face the pressures from the lack of enrollment ability and the fact that the course content can not meet the demand of industrial development. Taking the measurement and control major of Changsha University of Science and Technology as the research subject， this paper gives the experience of reform and exploration from the aspects of competition-teaching integration and CDIO practice under the background of emerging engineering. The research results have certain experience and practical significance for the reform of innovative talent training model of the measurement and control major under the background of emerging engineering.

Key words： emerging engineering; measurement and control major; competition-teaching integration; practice platform; CDIO