依托智能制造挑战赛 探索创新人才培养模式

阎 群，李 擎，李希胜，崔家瑞，栗 辉

（1. 北京科技大学 自动化学院，北京 100083；2. 北京科技大学，北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 100083）

培养创新人才是我国实现从制造业大国向制造业强国转型以及“中国制造2025”国家发展战略目标的重要支撑和保障[1-2]。教育部高等教育司原司长张大良在《全国普通高校大学生竞赛白皮书〈序〉》中提出学科竞赛是以大学生自主性、群体性科技活动方式为主的教学活动，是高等院校科研育人的重要组成部分，是促进大学生增强创新精神、创造能力和团队合作意识的有效途径和重要载体，是展示大学生创新创意创造成果的重要舞台[2]。创新是新时代大学生的基本素养，心系创新是新时代大学生的一种特征。学科竞赛符合学生的认知规律，有利于学生创新特征的强化。

“西门子杯”智能制造挑战赛（以下简称“智能制造挑战赛”）是教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会、西门子（中国）有限公司和中国仿真学会联合主办，是目前国内自动化领域规模最大的一项国家A类赛事，是全国高校学科竞赛排行榜评估竞赛项目，同时也是“金砖”国际技能发展与技术创新大赛的核心赛事，旨在搭建工业界与教育界交流平台，促进人才培养供需结合，为工程教育改革提供开放式试验田，培养自动化、信息化、数字化和智能化卓越创新人才[3-4]。我校自 2013年以来连续多年组织学生参加该项赛事，学生的参赛热情逐年增加，其实践创新能力得到了有效提升。本文在总结我校多年组织参加智能制造挑战赛经验的基础上，提出了一系列具体措施，探索依托智能制造挑战赛促进创新人才培养的有效方法和途径。

1 智能制造挑战赛简介

1.1 智能制造挑战赛宗旨

智能制造挑战赛立足智能制造技术，以企业真实的工程项目和科研项目为竞赛赛题，赛场参照真实的工业设备和工业环境，考核评分指标依据企业的工程标准，全面锻炼学生解决复杂工程问题的综合能力和系统思维，培养具有商业意识、创新意识、扎实技术的创新研发型人才和具备智能系统综合设计、开发和优化能力的工程应用型人才[3-4]。

1.2 智能制造挑战赛赛项设置

智能制造挑战赛的赛项设置紧密围绕智能制造关键技术，尊重科学性和多元化原则，2019年第十三届“西门子杯”中国智能制造挑战赛设置了智能制造工程设计与应用和智能制造创新研发两类赛项[3-4]。

（1）智能制造工程设计与应用类赛项。智能制造工程设计与应用类赛项包括流程行业自动化、离散行业自动化、离散行业运动控制和信息化网络化4个方向，以流程行业、智能工厂、智能生产线、工业通信网络为应用背景，主要考查参赛选手对不同行业复杂系统在多目标优化环境下的综合分析、设计及控制系统的开发、实施与调试能力，强调控制方案的创新性，鼓励参赛选手采用智能控制算法解决复杂系统的优化问题。

（2）智能制造创新研发类赛项。创新研发类赛项包括自由探索、企业命题、产品全生命周期管理、协作机器人4个方向，以产品与服务创新、设计和开发为主，考查参赛选手的商业意识、创新意识以及产品规划、设计能力，锻炼其综合运用跨学科知识与技术的能力，培养其创新能力和研发能力。

2 智能制造挑战赛在创新人才培养中的优势

智能制造挑战赛自2006年创建以来，目前已成为国内自动化领域规模最大、历史最久的大学生学科竞赛项目之一[5-6]，受到学生的普遍欢迎。2019年第十三届“西门子杯”中国智能制造挑战赛共吸引了全国近600所高校、4 000支参赛队伍，共1万余名参赛师生进行了激烈的比赛[3]。清晰明确的竞赛宗旨、科学多元的赛项设置，体现了智能制造挑战赛在创新人才培养方面的优势[2]。事实证明，经历过智能制造挑战赛的学生往往是研究生导师招生、用人单位招聘争抢的对象。

2.1 有利于培养学生创新意识和创新思维

智能制造挑战赛的所有赛项均具有明确的应用背景和实际意义，为学生创新能力培养提供了良好的平台。如流程行业自动化赛项，以流程行业中某个生产过程的升级改造为背景，参赛学生首先要熟悉比赛设备，完成工艺分析；其次要进行工艺设计、算法研发、控制系统设计、安全联锁系统设计、现场接线（总决赛）、控制方案实施（自动开车）、异常处理（总决赛抗扰动测试）、方案答辩（总决赛）等[4]。参赛学生会遇到许多科学和非科学问题，不仅需要综合利用已学理论知识和实践知识，还需要将这些知识进行拓展和延伸，有效提高了学生学习新知识和综合应用知识的能力。此外，参赛过程是学生对比赛任务进行分析、推理、判断的过程，不仅需要构思，还需要设计、实施和运行，它将创新构思和实践能力紧密结合起来，有助于培养其正确分析问题、处理问题、解决问题的思维方法，从而形成创新思维、创新意识和创新能力[7-8]。

2.2 有利于提升学生自我学习与探索能力

智能制造挑战赛的每个赛项都有明确的任务要求，参赛学生参照比赛任务要求，能够快速察觉自我在知识、技能、素质和经验上的不足，激发强烈的求知欲和学习动力。如产品全生命周期管理（PLM）赛项，要求参赛学生使用全生命周期管理软件完成产品规划、方案设计、仿真验证等。参赛学生需要合理地安排自己的学习时间，不但要熟悉产品生命周期管理概念，还要熟练掌握产品生命周期管理相关软件使用等，提升了学生自我教育、自我管理能力。此外，参赛学生充分利用大赛组委会发起的 QQ群、Campus-Hub校园学习中心、哔哩哔哩直播等培训支撑网络和图书馆等资源主动进行学习和研究，有效锻炼学生挖掘资源、获取信息和自主学习的能力。在整个参赛过程中每一个问题的解决，都会使学生产生很强的成就感，从而激发其学习热情，提升其学习的主动性和探索能力。

2.3 有利于提高学生的综合素质

在智能制造挑战赛参赛过程中，参赛学生以乙方角色承接项目任务或以创新创业团队的角色参与竞赛。参赛学生扮演模拟工程师的角色，有助于学生了解当代新工程师的工作职责、任职要求、工作环境等；如企业命题赛项从企业真实需求出发，由企业给出生产中亟待解决的问题，为参赛学生创造积累工程素养、提升创新能力、培养创新人格的机会，提高参赛学生解决实际工程问题的能力。在创意论证、方案制定、项目实施过程中，培养参赛学生科学严谨、刻苦钻研、勇于探索的科研素质。在现场答辩环节，激发学生的潜质，锻炼学生的临场应变能力，培养学生克服困难和迎接挑战的人文素养。另外，智能制造挑战赛为参赛队员提供了一个走出校门、展示自我、展示才华的舞台，搭建了一个相互学习、相互交流的平台，开拓了参赛学生的视野。

2.4 有利于锻炼学生的团队合作精神

智能制造挑战赛各赛项题目难度较大，涉及的知识面较广，比赛内容涉及设计、实施及报告撰写等，因此一个人是很难完成的。报名参赛一般需要自由组队，每支队伍不超过3人，确定队长及队员，队员根据自己的兴趣爱好，选择主要负责的方面。为了能够取得优异的成绩，参赛队的队员之间需要密切配合、通力合作。以离散行业自动化赛项为例，该赛项以智能工厂、智能车间、智能生产线离散过程为应用背景，强调工程方法的严谨性和控制系统应用的完整性，参赛队员需要完成控制系统设计、智能调度优化、HMI界面组态、工业云的开发等，这就需要参赛队员之间不但要了解彼此的设计意图，而且要学会如何与人沟通交流、如何与人合作、如何与人配合。在参赛的过程中锻炼参赛学生以系统的思维方式梳理工作流程、处理人际关系、搞好团队合作的能力，提升其团队管理能力、业务管理能力、组织协调能力和社会交际能力等，并拓宽学生的就业道路。

3 组织参加智能制造挑战赛的有效措施

我校一贯重视并鼓励学生参加各种学科竞赛，特别是像智能制造挑战赛这种有利于培养创新人才的国家级竞赛。为了能够吸引更多、更加优秀的学生参加挑战赛，并在竞赛中取得好的成绩，在组织和开展学生参赛的过程中，始终坚持以培养学生创新实践能力为主，力争在每个环节做得更好，具体措施体现在以下几个方面。

3.1 完善组织管理体系，健全激励机制

完善的组织管理体系是高校各类学科竞赛顺利开展的保障。针对以往竞赛管理责任不明确、难以统筹协调、学生参赛积极性不高等问题，我校构建了校级、院级、竞赛负责人三级组织管理体系。校级管理机构依托教务处，对全校的学科竞赛进行科学规划、宏观管理。学院是学科竞赛的落实机构，自动化学院成立了由院长、书记任组长，主管教学及学生工作的副院长任副组长，各系教学主任、骨干指导教师等组成竞赛领导小组，负责全院学科竞赛的组织、管理与实施。智能制造挑战赛是自动化学院承办的主要赛事之一，竞赛负责人具体负责该赛事的组织、宣传、报名筛选、学生培训等。

健全激励机制，为参赛提供动力支持和制度保障，调动学生和教师参赛的积极性和主动性[2,6]。学校制定了《学科竞赛奖学金实施办法》，并采取了科技创新学分、竞赛保研积分等激励措施，鼓励学生积极参与。学校还出台了一系列指导教师激励措施，将指导教师获奖纳入科研奖励体系，按获奖级别给予指导教师一定的奖金；将竞赛指导折算成教学科研工作量；在教师年度考核、职称晋升和评优等方面予以政策上的倾斜等。设立专项活动经费，用于竞赛材料支出、师生参赛交通食宿支出等，做好后勤保障。

3.2 加强实验平台建设与管理

实验设备和场地是学生开展学科竞赛活动的物质载体和保障。在2013—2015年，我校自动化学院基本没有竞赛设备，学生主要靠软件仿真及赛前去竞赛主办学校进行设备调试和练习，难以调动参赛学生的积极性，竞赛成绩也不太理想[9]，在2015年运动控制赛项中仅获得了全国初赛三等奖。针对这种情况，学院在构建基于 OBE+CDIO的自动化生产线实训平台的时候综合考虑了学科竞赛，加强CDIO实验室建设与管理[10-11]，先后购置了应用于离散行业自动化方向、离散行业运动控制方向、流程行业自动化方向以及信息化网络化方向等智能制造工程设计与应用类赛项的实验设备，不仅满足了实验教学的需要，也为学生参加智能制造挑战赛提供了良好的硬件条件。

实验平台管理采取了师生共管的模式[9]。每年 9月，实验室公开招聘部分对该领域感兴趣的研究生和往届参赛获奖学生共同参与实验平台管理。通过新老队员之间的沟通和交流，在很大限度上调动了参赛学生的积极性，弥补了竞赛期间实验平台开放力度大造成管理人员不足、设备维护工作量大等问题。此外，为了加强实验室科学管理，除执行学校、学院制定的规章制度外，还专门制定了《实验室开放管理规定》《学生入室规范要求》《实验室管理人员基本职责》等一系列规章制度，确保日常实验教学和竞赛培训顺利进行[11]。

3.3 加强学生宣传和培训指导工作

学生是参加智能制造挑战赛的主体，是大赛的直接参与者，加强学生宣传、培训指导工作，消除参赛功利思想，确保智能制造挑战赛持续、深入开展。

通过校园网、微信、宣传栏等介绍智能制造挑战赛的宗旨、参赛对象、赛项类别、竞赛进程、奖项评定以及学校的相关政策等进行全方位解读，加强学生对比赛的认识和了解[2]。在学院网站上专设智能制造挑战赛版面，展示竞赛流程、竞赛培训、竞赛要求、往届参赛获奖信息和获奖证书等。召开动员大会，邀请经验丰富的指导教师介绍竞赛的具体情况，以及学校、学院的政策和激励机制等，请参赛获奖队员介绍参赛过程中遇到的困难、参赛心得和注意事项等。以上措施大大激发了学生报名参赛的热情。

学生从报名参赛到比赛结束需要将近一年的时间，为此对学生进行分阶段、针对性的培训指导。每年9月到第二年3月是校内选拔阶段，该阶段新赛题还没有确定，培训主要围绕往届的赛题，定期邀请指导专家进行专题讲座、竞赛动员，引导学生熟悉竞赛环节和竞赛设备，激发学生参赛的积极性，让更多的学生在准备竞赛的过程中得到锻炼和提高。自 2018年起，我校加强了校级比赛的选拔工作，通过答辩、实操等方式，确保有基础、有潜力、有精力、有热情的学生晋级全国初赛。每年的3—7月是全国初赛准备阶段，根据校级比赛晋级名单组织学生自由组队并有目标、有选择地联系指导教师，实行理论、实践双指导。组队时建议每组至少有一名低年级学生，为来年的竞赛培训与参赛积累经验、培养骨干[2]。这一阶段培训以学生为主，指导教师定期给每个队员布置学习任务，定期组织检查、讨论，理论指导教师以理论方法指导为主，实践指导教师以工程实践为主。每年 7月，省级比赛选拔后即进入全国决赛准备阶段，大概一个月的时间，全国决赛的题目一般在全国初赛题目的基础上增加难度，这一阶段指导教师每周组织参赛学生进行周报、答疑，加强应赛技巧、心理素质、礼仪风貌等方面的综合培训。

3.4 加强指导教师队伍建设

素质优良、专业基础扎实的指导教师队伍对参赛学生水平的提高具有明显的作用。为了形成长效指导机制，自动化学院首先从思想上提高教师对智能制造挑战赛的认识，整合全院师资，优选具有扎实理论知识及丰富实践经验的教师组建学院指导教师库[3,7]。指导教师库实行实时动态管理，鼓励新入职的青年教师、有技术的优秀实验教师积极参与，不断扩充、更新导师库。同时，加强指导教师培训，选派实践能力强、责任心强的青年指导教师参加竞赛培训，提高指导水平，进一步保障学生的参赛效果。

3.5 构建赛后总结机制

赛后总结包括学生的参赛总结和学院的组织管理工作总结。通过参赛总结有助于参赛学生进一步认识到自身的不足，在今后的学习中进行更有针对性的训练，进一步提高自身的竞争力。此外，收集历届竞赛试 题、技术文档，建立竞赛资源库，为指导教师开展培训提供支持；总结组织和管理工作中存在的问题，明确下次竞赛组织和管理的方向，提高竞赛组织和管理水平。

4 结语

自2013年参赛以来，我校智能制造挑战赛的参赛规模逐年扩大，并取得了可喜的成绩。据不完全统计，近三年共获得全国总决赛特等奖2项、一等奖9项、二等奖3项，全国初赛特等奖6项、一等奖18项、二等奖21项。智能制造挑战赛已成为我校创新人才培养的亮点。在参赛过程中参赛学生的创新热情得到了鼓励、行动得到了支持、潜质得到了发挥、成果得到了肯定，切实培养了学生的创新能力和工程实践能力，为学生走出校园打下了良好的基础。我们将继续发挥现有优势，充分利用现有资源，进一步总结智能制造挑战赛的特点，探索科学的创新人才培养模式，营造良好的学术环境和学习氛围，鼓励更多的学生参与竞赛培训，投入学科竞赛，进而不断提高人才培养质量。