自动化专业运动控制方向工程型人才培养模式的探索与实践

赵明伟, 刘丽俊, 王淑良

(1.江苏师范大学 a. 电气工程及自动化学院；b. 轨道交通信号与控制国家级虚拟仿真实验教学中心, 江苏 徐州 221116;2.上海大学 机械工程与自动化学院,上海 200072)

0 引 言

为了培养造就具有创新能力强、适应经济社会发展需要和高质量的各类型工程技术人才，为建设创新型国家、实现新型工业化和现代化的发展道路奠定丰厚的人力资源优势[1-2]，根据我国高等教育的实际出发，教育部对高等教育实施了重大改革计划—“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓培计划”)，这对促进高等教育面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导[2-3]。

高校的首要职能是人才培养。以实际工程为目标、工程技术为基础，使学生具备较高的综合专业素质，具备扎实的工程基础、专业知识和较强的工程素质实践能力及自我获取知识、社会交往和组织管理能力[4-5]。自动化专业的运动控制方向是集成自动化、电磁电气、机械动力、计算机控制等的综合交叉性学科，既包含了大量的专业性理论，又具有显著的工程性特点，既与多领域的生产实践活动紧密联系、深度融合，又对一些交叉学科的发展起到积极的促进作用。因此，只有不断的改革、实践及融会贯通，才能很好的履行“卓培计划”的精神[5-7]。

目前，运动控制专业方向培养的课程体系由公共基础课、专业基础课和专业课3部分组成，除课内教学实践外，另配有课外实践、基地实践、集成创新培养等环节，包括各类实习、课程设计、毕业设计(论文)、项目创业创新训练等内容。但在学科及专业方向建设、教学实践、学生就业、企业招聘的过程中日益感受到新技术引入滞后、学生研发创新、实践技能弱等瓶颈。另外，课程体系的层次间、平台间的衔接性、关联性和逻辑性架构不清[7-9]。课程群培养体系存在实践驱动创新理念不足的现象，与“卓培养计划”强调学生工程实践、创新能力的培养要求不相符，存在不能满足企业招聘单位的用人需要及不能适应社会发展需求的状况。这就要求从人才培养模式、课程群平台、知识点架构、实践教学体系、教学模式等方面梳理影响运动控制专业方向发展的问题，对当前的课程体系进行改革，转变办学理念、拓新人才培养思路、调整人才培养目标定位、深入改革人才培养模式，力求做到符合自动化专业运动控制方向的培养目标、反映出教育改革方向、满足专业建设及教学需要，努力使之成为具有先进性、创新性、适应性和系统性的品牌特色。

1 确立专业方向人才培养模式的目标

根据自动化专业工程型实践性人才培养的建设目标，运动控制专业方向强调“加强实践教育，培养创新人才”的教学改革思想[8-9]，以教育培养资源的整合、优化、开放、共享为改革原则，构建系统完善、结构合理、层次化、模块化的教学体系，培养具有创新精神[2，4，10-11]和高素质的自动化类工程实践型人才，提出了“围绕人才培养目标，改革教学培养体系、构建教学开放平台、培养具有创新能力”的课程群建设思路[4、6-7，11-12]和“以教师为主导，以学生为主体，以现代教育方法、技术和手段为支持，以培养工程实践型人才为目标，以提高学生的工程实践能力、工程应用能力、创新能力为主线”的教学理念[10-13]。该理念紧紧围绕工程实践型人才的培养目标，积极协调理论教学与实践教学的培养体系，坚持实践教学与理论教学并重的教学理念，使实践教学与科学研究相互结合、促进、协调、发展[3，6-8，11，14]。

2 构建层次化、模块化的课程群平台

根据社会发展对宽口径人才的需要, 需对本专业方向所开课程群进行顶层设计合理配置教学资源, 突出运动控制特色, 兼顾专业内涵的综合与全面。运动控制专业方向的基础是运动控制理论, 其重点应立足于运动控制系统。因此，其课程群平台架构充分体现出其系统组成、实现及控制方式，即理论方法和其实现的载体, 体现系统的层次化和模块化结构，如表1所示。课程群体系平台从层次上可分为公共基础课、专业基础和专业课3个层次, 从模块上可分为数理分析基础、电工电子基础、载体基础、控制理论基础和系统集成级别5个模块。从实现载体看包含:控制对象、信息获取与驱动执行、信息控制和处理和信息传递4个环节。

表1 运动控制专业方向的课程群体系平台

3 整合系统化、模块化的知识点内容

教学内容的整合和优化应以知识模块的有机融合为主线，强化课程群间的知识联系、衔接及系统的完整性，调整、优化课程结构和内容，增强突出各环节模块的特点, 使多门专业课有机的融合起来，实现系统架构下的作用。将运动控制集成系统组成的各个环节与相关知识领域相对应，课程群可整合为电机原理与模型、信号检测与处理技术、电力电子与功率变换器和常规电气、集成数字化控制和运动控制理论5个知识点模块。课程群的知识点模块结构图如图1所示。

4 建立开放共享、立体化的实践教学体系

为了培养学生具有创新意识和工程实践能力，在实践教学过程中严格贯彻以能力培养为切入点，在学生培养过程中应用符合时代发展、社会需求的实践教学课程体系[10-11，15-16]。运动控制专业方向课程群的实践教学以注重理论知识和专业素质及能力的协调发展和共同提高为指导原则，将专业建设、运动控制方向建设、课程群的建设脉络同步进行，并且将实践教学环节贯穿于课程学习的全过程。

运动控制专业方向实践教学体系以工程能力素质培养为主线，可划分为3个层次和6个工程能力，如图2所示。3个层次分别为基础规范类(课程认知实践、基础理论验证性实验)、综合设计类(课程综合性实验、课程设计和实训、毕业实习和设计、获得职业技能资格证书)和研究创新型(参与教师教/科研课题、各类创业创新培养计划项目)，6个工程能力模块指电子系统综合设计、软件编程和硬件系统开发、系统分析设计、系统数字仿真、系统设计集成和系统搭建调试。形成从接受知识到培养能力逐级提高的实践教学体系。

该培养体系结合专业建设及培养计划，以综合设计型取代原理验证型，以自主设计型逐步取代单一、限定设计型，增加基础创新研究型实验项目群[11，15-16]。另外，将引用相对成熟的在研科研项目和工程型应用技术成果设计到实践教学和创业创新培养计划中，使设计型、综合型实验项目与工程应用和最新技术紧密结合，并自行设计、开发、搭建综合性实验教学装置[11，14，16]。有计划、有目的地增加设计性、综合性和创新性实验比例[11，16-17]，结合学科发展动向和企业需求，及时设计、修改和调整实践教学体系和实验项目群。在此基础上，及时进行跟踪国内外专业教材建设保持更新率，保证了专业内容上的先进性，更好的服务于专业方向建设。

5 采取立体化、多元化的教学模式

5.1 充分运用现代教学手段

充分利用现代教育技术、网络技术、信息技术建设数字化、电子化、网络化等多元形态、开放性的现代教学手段服务教学实践，适应现代大学生的培养需求。通过计算机多媒体辅助教学(含微课、创客), 一方面增加课堂知识量,扩大专业教学内容,拓宽专业知识面；另一方面计算机多媒体教学使专业课教学生动形象, 集中学生注意力, 增加学生学习兴趣, 提高教学效果和质量。通过交互方式运用计算机网络辅助教学能够有效拉近教师和学生的距离感, 尤其适用于学生的课前自学、讨论和课后辅导，并能将历届和不同层次的专业问题展示给学生，给予专业问题上的正确解答和专业学习方向上的引导。其次，通过利用Multisim、Proteus、Matlab、Saber和PSpice等专业软件构建的虚拟、仿真型实验项目来配合理论、实践课教学及项目创业创新培养，在某些难以描述和讲解的基本概念、原理与基本现象的教学中[15，18]，或应用到因学时限制无法讲授的工程实践需要的课题中，往往能起到事半功倍的效果，既能有效地拓展专业知识面，又能更好运用仿真软件服务于专业学习和项目创业创新培养，这对培养学生工程实践的观察、分析、理论应用能力非常重要。在实践中证明, 在专业课程群教学中采用计算机多媒体辅助教学和计算机网络教学更适应专业技术发展的需要，从技术手段上赋予了专业内容上的新内涵，并有效地拓展了服务教学的深度。

5.2 引入新型教学模式

在教学方法上应本着学以致用的理念，加强教授知识的系统性，注重培养学生的理解力、执行力和创新理念。多采用启发式、研讨式和互动式等开放式教学模式来充分发挥学生课堂主动性，加强师生间的双向互动沟通，有效提高实践教学过程的效率和效果。例如，在习题课和讨论课上让学生自己讲解自行设计或研发案例，培养其尊重科学知识的理念，激发学生的工程创意和动手实践能力，更容易提高学生课上和课下的学习兴趣和效率；并且，自己研究远比老师讲授的更容易牢固记忆，还容易带来专业学习上的自信。另外，教师在讲授实践教学内容时可以根据设计需求和实际情况，鼓励学生查阅本专业方向的前沿科技成果，来激发学生的探索精神和创新理念，也有助于学生解脱应试教育而适应新型实践型培养模式，激发学生对运动控制专业方向的兴趣和探索潜能[12，18]。在“运动控制系统”课程中，为了融合和弥补课堂教学理论性强的特点，利用专业课程群实验用挂件的各个环节具体的实际电路将课堂介绍系统的每个环节都具体化，让学生对系统有着更为直观的认识和理解[17-18]，同时做好实验教学的课前预习环节，用一些工程实例将所学理论与实际应用相结合，提高学生的学习理论分析和实践动手能力，持续培养学生的专业兴趣，形成运动控制方向的专业素养和特质。

5.3 实践教学与教研、科研和社会应用相结合

为了与社会应用实践相结合，鼓励学生参加学院组织、行业认定的电工、PLC、单片机等相关课程的实践实训技能鉴定，并获得相应的职业技能证书，也可以在毕业前参加“自动化系统工程师资格认证”，获得助理工程师的资格。本实践课程群鼓励教学团队的教师们将自己申请的在研课题内容列入学生科研训练计划，采用以课题团队的方式承担科研课题子课题的研究形式来培养学生的科学研究能力、工程实践能力和创新意识[12-14]。并在此基础上学生可以申报校级、省级和国家级大学生实践创业创新项目。学生根据课题研究的主要内容和要求，查阅相关文献资料进行可行性分析，拟定项目研究计划、方案及进程，选择课题用实验仪器和设备，构建实验平台完成规定的实验项目及内容，撰写出研究课题的总结或科研论文、答辩报告，并将取得的成果进行展示或论文答辩、科研论文发表等训练，让其感受科学研究的全过程，培养其独立科研和团队协作能力，学到更多书本以外的知识[18-19]。近3年有数十人参加教师的教研、科研课题，为教师的科、教研课题做了大量的实际工作，比如：关于校级教研项目“运动控制系统实验虚拟技术新方法的实现”开发了基于PLC、计算机控制技术的交流变频调速系统；关于校基金项目“异步电机矢量控制系统的数字化实现”建立了矢量控制系统的仿真模型，基于实验设备的设计了系统的硬件电路，系统的调试与试验等[18]。另外学生在参与教师基金项目“弧焊电源的改造”基础上，完成一项国家级大学生实践创业创新项目。在此过程，学生“应用学习”，并完成具有一定实用价值的成果，并且专业综合素质得到全面提高。

5.4 完善课程群考核评价体系

为了提高教学效果和考核可信度，实现真正意义上的教考分离，在收集大量习题、考研试题以及多年教学积累基础上，课程群中的各门课程间组成了考试试题库，并将试题库链接到课程网站，教师可对试题库及时更新，学生可检验自己的学习效果。在实验教学中，根据不同的实验层次，对学生采取不同的评价方法[10、15-18]。基础教学实验实行学生个人独立操作+“平时成绩+操作考试+答辩成绩”的评价模式[18]；综合设计实验实行“平时成绩+答辩成绩”的评价模式[18]；PLC和单片机原理等课程的职业技能鉴定、自动化系统工程师培训等实行“平时成绩+理论考试+实际操作考试”的评价模式，按照工程师认证的方式进行考核；研究创新实验实行“科学报告+成果展示+答辩成绩”的评价模式。这种考核方法强化了学生的自主学习意识和专业综合素质的提高。

6 教学改革成果丰硕

6.1 形成立体化运动控制人才培养平台

建立起电气工程、自动化和机械工程及自动化不同专业方向、交叉学科的研究生人才培养平台。国家级及省级实践教学平台包括：轨道交通信息与控制虚拟仿真国家级实验教学中心、江苏省电工电子实验教学示范中心、江苏省自动化特色专业、卓越工程师教育培养计划等。还包括市级平台职业技能鉴定中心和校级的徐州华润电力、上市公司大族激光、上海铁路徐州电务、机务段、苏州德斯特等一批自动化专业运动专业方向的校外实习基地。

6.2 提高教学团队的教学水平和科研能力

教学团队中有江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“333高层次人才培养工程”首批青年学科带头人培养人选、省“青蓝工程”中青年学术带头人不同梯次的教师。获得省部级教学成果奖7项和校级教学成果奖励18项；完成重点课程建设8门和课程教学网站建设2个；编写出版教材6部；承担省部级以上教研项目4项和校级教研项目5项；发表教研论文11篇和科研论文20篇；承担国家级、省部级和校级科研项目10项；自制设备仪器6种共133套并获2项省部级自制仪器设备“优秀奖”；申请国家专利7项。

6.3 增强学生的工程实践和创新能力

学生获国家级及省级竞赛奖励12项，国家、省部级以上大学生实践创新训练项目20项，申请专利3项，发表科研论文12篇。培育学生创业团队3项，申请国内外专利5项，完成融资并已投入生产。学生职业技能鉴定全覆盖，职业技能鉴定考核通过率达95%。考研及就业率为97%，连续几年荣获就业先进单位。

7 结 语

本文研究是以“卓越工程师教育培养计划”作为自动化专业运动控制方向工程型人才培养模式实施、建设的指导依据，将综合交叉性学科所包含的专业理论与多领域的生产实践的现实联系、课程培养体系与工程型实践的深度融合关系做了梳理，针对培养体系中存在的新技术引入滞后、实践驱动创新理念不足、架构不清、研发创新能力不足等问题，确立自动化运动控制方向工程师实践性人才培养的建设目标，加强实践教育培养创新人才的教学改革思想，整合、优化教育培养资源，构建出层次化、模块化的课程群平台，整合系统化、模块化的知识点内容，建立开放、共享实践教学体系，采用现代教学手段、新型教学模式和课程群考核评价体系，建立起实践教学与教研、科研和社会应用实践相结合的立体化、多元化的模式。努力使之反映当下教育改革方向、适合专业建设和学科发展需求，具有先进性、创新型、适应性和系统性的品牌特色。同时，也为后续构建出具备创新理念、架构合理有序、资源深度耦合的人才培养体系奠定着前期基础。