新工科智能制造研究生全培养周期方法探索

许明 王万强 陈昌

关键词：智能制造;新工科;全培养周期;研究生创新能力

1现状与背景分析

当代科学的发展和重大科学技术成就的取得，都和人才密不可分，对人才培养提出了更高的要求，也对我国的高等工程教育提出了新的要求和挑战。“新工科”是相对于传统工科而言，以新经济、新产业为背景的一个动态概念，是在21世纪与新挑战下培养创新实践人才的重要举措。智能制造是典型的新工科专业，是信息技术与传统工业的深度融合，是机械、电子信息、计算机、人工智能等学科领域的协同交叉和共促发展。从技术的层面上来说，智能制造关键技术可体现在智能设计技术、智能制造技术、智能管理技术、信息化支撑平台技术、智能制造装备及系统等五个方面。从发展的层面上来说，经济快速发展和现代化设备的广泛应用，工业生产的自动化和数字化程度越来越高，特别是智能控制技术向着智能化方向发展，导致社会各个领域急需智能控制技术专业的技术人才。

新工科强调面向数字经济、智能经济等新兴产业的多学科交叉融合，其对智能制造等人才的培养需求，以及当前现状如下：

（1）具有跨学科的专业基础。对于智能制造等新工科专业而言，更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通信、电子控制、软件等新技术与传统工业技术的紧密结合。尽管交叉学科研究与教育已经在我国部分高校陆续展开，相关研究也在不断丰富，但在实践层面，尤其是对于交叉学科研究生培养工作的具体组织管理，仍然需要更多的探索。

（2）具有较强的自主学习和分析解决问题的能力。强调以自主学习为主体，通过主动参与、乐于探索、勤于实践、创新创造等方法，并具有搜集和处理信息的能力，获取新知识，分析和解决问题的能力。对于智能制造、机械类等工程专业而言，会不断遇到各种复杂工程问题，自主学习是分析解决复杂工程问题的基本能力保障。

（3）创新创造能力与素质。当前，工程开发和创新应用的周期越来越短，技术更新转化更加快捷，要求智能制造等新工科人才必须具备创新创造的能力和素质，适应未来科技的迅猛发展。虽然创新教育在人才培养模式、专业实验教学等已有一些研究，但创新创造人才的实践教育，尤其是智能制造等新工科研究生的创新创造能力与素质，如何在研究生培养环节渗透和实施创新创造素质培养，还需要不断研究和探索。

相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济更需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。项目研究组建了一支由多名相关交叉领域研究生导师团队，构建了跨学科的研究生创新能力培养支撑平台，最大限度地提高研究生的培养实效。

2全培养周期方法实践

2.1新工科研究生全培养周期体系的构建

面向产品全生命周期的过程与数据管理的有机结合，是智能制造中的重要方法，使得企业各组成部分能够协调一致工作，降低产品开发成本，缩短产品上市时间，增强企业的竞争力。本项目将产品全生命周期的概念应用于研究生的培养，从研究生进校开始学习（部分研究生本科阶段即开始进入），到研究生毕业离校，再到研究生进人工作岗位的一系列环节进行统一体系构建与数据管理。研究生培养贯穿研究生在校的整个阶段，从学位课程学习、实践学习、科研文献阅读、科研项目的开展、硕士论文等几个方面来开展。新工科研究生全培养周期体系，以研究生培养为中心，需要从三个方面来构建，具体如下：

（1）以导师团队为带动，组建具有深厚学科背景和跨学科领域导师团队，以“机器人”为主攻方向，提升团队的交叉科研能力和水平，创造良好全景培养平台。

（2）以创新实践平台为基础。依托校外研究院实体，并依靠校内校外的机电控制、六自由度機器人和移动机器人、机器视觉等创新实践平台，并将导师团队的科研平台和实验系统，作为研究生创新实践培养的基础。

（3）以产业对接为导向来构建全方位的研究生创新实践能力培养。面向智能制造典型和知名企业的实际需求，动态适应及调整研究生的创新实践能力培养课程。对已毕业研究生进行调研，对在校生培养方案进行反馈校正。在培养体系的构建筑中，还注重与5G、先进电子装备等新兴产业的融合，不断拓展产业对接的广度和深度。

2.2工程实践与创新基础能力的培养

一般而言，研究生同学的本科在全国各地高校就读，课程范畴及层次、侧重点等各不相同，为培养研究生工程实践与创新基础能力，需要开展一系列的综合创新综合实践。研究生进校的第1个学期，主要是课程学习，除核心学位课以外，鼓励研究生进行跨学院、跨学科课程的选修。

具体开展工程实践与创新基础能力的培养，从四个部分出发，分别为：3D造型及制图能力、电子电路设计及测试能力培训、微控制器（Micro Control Unit，MCU）应用能力培训、有限元仿真分析培训。综合实践配套的目的是让研究生同学初步具备从事交叉研究及工程项目的实践能力。每个环节的培训实践用时在1个月左右，穿插在研究生进校学习的第1阶段。即在课程学习要求的要求上，课外时间或周末穿插进行综合培训与实践。

3D造型设计及制图是智能制造、机械等工程类研究生的基础和重要能力，对于产品开发等具有重要作用。项目拟以SdidWo～s软件为主，以实际工程项目零件和系统为3D造型案例，让研究生同学进行学习和掌握。

电子电路设计及测试能力培训，相当多的机械类研究生同学，本科阶段对电子电路设计及测试掌握较少，甚至除了本科的电工电子课程以外，没有接触过电子电路相关内容。项目团队在电子电路设计及测试实验平台的基础上，进行基础电子电路设计能力的培训及实践，并结合Multisim仿真软件和Ahium Designer电路图设计软件，虚实结合，理实合一，提升研究生同学的电子电路设计及测试能力，为今后的科研项目开展和工作奠定基础。

MCU是嵌入式控制器的简称，是嵌入式开发的核心部件，在智能制造的感知设备，如工业物联网传感器、工业装备的各种控制器等，都有广泛的应用。项目团队以抽取两种典型的MCU控制器，Arduino和STM32，以这两种MCU控制核心为基础，对研究生的嵌入式硬件搭建、嵌入式软件设计、嵌入式系统开发等方面开展实践培训。

有限元分析是工程设计和科学研究的重要方法，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法从结构强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为应用广泛并且实用高效的数值分析方法。以国内应用较多的ANSYS、COMSOLMultiphysics为例，通过实例来说明有限元仿真分析在实际工程项目及科学研究中的作用，并拓展到多物理场分析，耦合电、磁、热等特征场，掌握工程设计和科学研究的利器。

2.3科研文献阅读，发现问题、解决问题的能力培养

阅读文献是科研工作的第一步，在导师团队的努力下，指导研究生学习科研文献阅读技巧和方法。文献是科研的基础，学习从“读”开始，由“读”深入，做实验和写论文都少不了参考相关文献。“阅读文献”作为一名科研人员最基础也是最需要必备的能力。科研文献技巧，掌握Web of Science等数据库和检索方法，总结归纳研究项目领域相关的重点期刊;培养研究生对于科研阅读的方法，阅读文献的顺序及侧重点，通过读引言了解研究背景和研究原因，精读研究原理及实验方法，着重实验结果及结论分析。引导研究生记录文献阅读报告，在不断尝试提出及解决问题中得到能力的提高。

3实施成效

以研究生培养为中心，构建智能制造等新工科专业研究生的全培养周期体系，以导师团队为带动，以创新实践平台为基础，以产业对接为导向，来探索创新实践能力培养体系及方法。经过六年的探索和实践，项目组研究生的创新实践成果丰富，毕业研究生全部进入知名企业并迅速成长为所在单位骨干力量。形成了一套研究生全在校周期的创新能力培养方法，可为相关新工科专业研究生的培养提供借鉴和参考。