自动化专业“MATLAB+”课程群建设及创新人才培养

周红标 柏小颖

[摘 要]为了加快推进智能优化控制系统在流程工业中的应用进程，迫切需要建立一支自动化专业创新型人才队伍。课题组以自动化专业MATLAB课程为主线，阐述了在新工科背景下如何构建高质量的“MATLAB+”课程群体系以推进创新人才培养模式改革。首先，课题组分析了当前自动化专业教学模式存在的问题，然后从“MATLAB+”课程群体系、“四堂互融”混合教学模式和多元协同人才培养方式等方面给出了具体措施，以激发学生的学习潜能与科研兴趣，全方位提升学生的创新实践能力。

[关键词]新工科;MATLAB+;四堂互融;多元协同;创新人才

[中图分类号] G40-057 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）11-0043-04

联合国教科文组织发布的《教育中的人工智能：可持续发展的挑战与机遇》报告指出，人工智能技术能够促进个性化学习并提升学习效果[1-2]。党的十九大报告指出，创新是引领发展的第一动力[3]。习近平总书记在纪念五四运动100周年大会上指出，当今时代新技术层出不穷，对青年能力素质提出了新的更高要求[4]。与传统工科相比，面向未来新兴产业和新经济的新工科对高素质复合型人才的需求更加迫切[5]。

为了抢占制造业先机，赢取未来产业竞争主动权，我国实施了“中国制造2025”强国战略。流程工业制造智能化和绿色化是智能制造的核心，自动化科学与技术是智能制造的关键技术，建模、控制与优化是自动化学科的三个基本科学问题[6]。毋庸置疑的是，自动化专业均按照这三个方向铺设专业课程。然而，目前各课程之间的联系并不紧密，存在结构性割裂现象，阻碍了具有全球视野、实践能力和创新精神的复合型人才的培养。因此，需要我们厘清专业各课程之间的关系，找出贯穿于专业学习全流程的主线。

作为专业学习的必备软件、科创竞赛的主流平台和科研攻关的助力工具，MATLAB贯穿于自动化专业人才培养的全生命周期，其重要性不言而喻[7]。然而，目前自动化专业MATLAB课程设置为实验性质的学科必修课，授课内容也仅限于MATLAB本身的编程基础，与专业核心课程严重脱节。鉴于此，本课题将围绕新工科建设内涵要求、慕课课程群打造、“四堂互融”培养体系构建、科创竞赛开展和科研项目攻关等五个方面具体研究在新工科背景和“金课”视域下自动化专业如何通过打造“MATLAB+”课程群推进课程建设及创新人才培养模式改革。

一、“MATLAB+”课程群建设及创新人才培养存在的问题

本节将从课程体系、教研团队、慕课资源、科创竞赛和科研攻关等五个方面阐述自动化专业“MATLAB+”课程群建设及人才培养模式存在的问题。

（一）“MATLAB+”课程体系不完备

MATLAB是美国Math Works公司推出的计算机辅助设计软件，它不仅提供了交互式编程环境，而且具备强大的数值运算、图形绘制和数据处理等功能。MATLAB是自动控制原理、智能控制和过程控制等自动化专业核心课程教学环节的必备软件，是挑战杯、“互联网+”和数学建模等科创竞赛的主流平台，是复杂过程分析、动态系统辨识和控制算法设计等科研攻关的助力工具。MATLAB课程对培养具备更高创新能力和跨界整合能力的新型工程技术人才有着重要的影响。

然而，目前MATLAB课程以实验课形式单独设课，与自动化专业核心课程铺设、新工科创新人才需求和流程科研项目攻关存在着严重的脱节，具体表现为：（1） 理论水平高的专业教师较少，甚至不会使用MATLAB软件，理论停留在书本上;（2） MATLAB编程能力强的青年教师参与专业核心课程建设的深度和力度不够，实践操作浮于表面;（3） 没有厘清MATLAB与专业核心课程之间的微妙关系，亟待穿针引线绣出课程群脉络图。

（二）“MATLAB+”教研团队有名无实

自动化专业创新型人才的培养离不开一支集教学和科研于一身的教研队伍，只有通过凝聚创新队伍，构筑教研基地，才有可能创造标志性教学成果[8-9]。优秀的教研团队是自动化专业培养高素质创新型人才的关键力量。

然而，目前自动化专业“MATLAB+”教研团队建设存在一些困难，具体表现为：（1） 缺乏领军人物，團队成员之间黏合度不够;（2） 存在职称晋升和项目评比之间的竞争，团队成员之间凝聚力不强;（3） 教学团队、科创团队和管理团队相互独立，团队成员之间“孤岛效应”明显。

（三）“MATLAB+”慕课资源匮乏

慕课是一种具有大规模、开放和在线特征的新型教学模式，学生可以通过电脑或手机观看教学机构发布在网络上的课程视频和学习资料，实现对该课程的线上学习[10]。与传统班级课堂不同，慕课课堂最高可容纳十几万人。虽然慕课的兴起历史不长，但是借助于“互联网+教育”深度融合的发展机遇，其扩张势头迅猛，给传统教学模式带来了巨大的冲击。

然而，目前国内著名高校一窝蜂地、不惜成本地打造慕课平台，成立慕课联盟，严重挤压了地方本科院校的操作空间，导致地方高校慕课建设水平相对低下。同时，视频知识的碎片化、教学模式的“退场性”和平台交互的不积极导致慕课平台上的“水课”越来越多，迫切需要对照教育部“金课”的要求和标准，打造一批课程难度大、学业挑战度强和知识创新性高的自动化专业“金课”型“MATLAB+”慕课群，从而提升教育教学质量，培养更多国家和地方经济建设所需人才[11]。

（四）“MATLAB+”科创竞赛重视程度不够

科创竞赛是培养大学生创新能力的重要平台。自动化专业涉及的竞赛主要有“挑战杯”“互联网+”、数学建模、电子设计、机器人和创新创业等，对学生的创新热情、创新思维和创新潜质提出了更高要求。仔细梳理自动化专业的主流竞赛项目，不难发现，MATLAB贯穿于其中，如：“挑战杯”竞赛有自然科学学术论文类，“互联网+”竞赛有人工智能和信息技术类，数学建模竞赛的仿真平台更是以MATLAB为主，各级各类创新项目的研究也要借助于MATLAB软件。

然而，目前高校对MATLAB在科创竞赛中的重要性的认识明显不足，具体表现为：（1） 耗费大量的人力、物力和财力在电子设计、机器人、智能车和飞行器等竞赛项目上，尽管屡有斩获，但是理论高度和奖项显示度还有待提高;（2） 科创竞赛仍然是以教师为主体，“拼的是指导教师的水平”并不是一句玩笑话;（3） 科创训练平台过于单一，学生接触次数、训练时间和指导力度均有待提高。

（五）“MATLAB+”科研攻关水平低下

自动化专业创新人才培养的出发点和落脚点是为国家流程工业未来重大战略需求培养一批能够从事运行、设计和研发未来智慧型自动化系统的创新人才，这需要审视现行的专业人才培养模式[6]。

然而，目前科研院所和企事业单位利用MATLAB突破核心关键技术的力度明显较弱，具体表现为：（1） 流程工业还停留在利用自动化技术对传统设备进行改造和升级的初级阶段，远未走上智能自主控制和智能优化决策控制一体化的绿色发展道路;（2） 科研院所重视关键问题的基础理论研究，忽视借助于MATLAB平台的算法思想实现，还未完全打通流程工业建模、控制与优化三个基本科学问题的研究链;（3） 创新型自动化专业人才稀缺，阻碍了产学研协同创新的持续有效推进。

二、“MATLAB+”课程群建设及创新人才培养的途径探索

本节将从课程群建设、人才培养模式改革、教研团队组建、科研攻关和评价方式等五个方面探索自动化专业“MATLAB+”课程群建设及人才培养的途径。

（一）“MATLAB+”课程群建设

在“金课”视域下，实现MATALB与其他核心课程的融合，建成一批优质的课程资源。比如：利用MATALB+矩阵运算对工程矩阵中的算式进行仿真，使得抽象的运算变得具体和形象;利用MATALB+神经网络解决非线性复杂系统的辨识问题，建立输入输出的黑箱、灰箱和白箱模型;利用“MATLAB+”进化算法解决实际工程系统的优化问题，提升解决方案的质量和可靠性;利用“MATALB+”模糊逻辑控制解决实际工程对象的设定值跟踪控制问题，提高控制精度、稳定性和灵活性。总之，让MATALB贯穿于学习的全流程，从而提高学生的学习兴趣和科研潜力，培养具有创新精神的复合型人才。“MATLAB+”课程群建设及学生创新能力提升过程如图1所示。

（二）“MATLAB+”创新人才培养模式改革

学生创新能力培养的目标是提高学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力。鉴于此，对自动化专业“MATLAB+”创新人才培养模式进行了改革，具体举措为：（1） 打造慕课线上网络课堂、传统线下班级课堂、科创竞赛小班课堂和科研项目精英课堂相融合的“四堂互融”式混合教学模式，培养新工科创新人才;（2） 归纳和优化现有的 MATALB 教学内容，结合流程工业关键科学问题，组建了“MATALB+”基础数学、“MATALB+”建模、“MATALB+”优化、“MATALB+”控制四个教学模块;（3） 在QQ技术交流群、MATLAB技术论坛和微博公众号等平台发布具有開放性和创新性的问题，激发学生的学习热情;（4） 打造早期科研训练平台和学科竞赛平台，采用双平台架构，探索和实施科创竞赛的“全员化、多样化、课程化、常态化”新模式，提升学生参与的深度和广度，实现网络学习、课堂教学、科创竞赛和科研攻关的无缝对接;（5） 开放科创基地，自主组建团队完成科研项目子课题，提高实践操作水平和理论创新能力;（6） 研究经费资助和评价机制，形成良性竞争和优胜劣汰的研究环境。创新人才培养模式改革如图2所示。

（三）“MATLAB+”跨学科教研团队组建

自动化专业“MATLAB+”课程群按照基础数学、智能建模、智慧控制和决策优化四个方向构建课程体系，涉及工程矩阵、计算方法、系统辨识、神经网络、过程控制、智能控制和进化算法等七门核心课程。这些课程充分体现了数学学科、计算机学科和控制学科之间的相互渗透和交叉融合，因此需要建立一支具有多学科背景和跨学科知识的复合型教研队伍，且团队成员有心、有意、有为、有舍、有得[12]。具体举措为：（1） 引进国内有影响的学术带头人，推进教研队伍的博士化、国际化和工程化建设;（2） 鼓励团队青年教师参加高层次教育教学竞赛、国际交流和工程实践，提升团队的整体实力;（3） 建立健全团队的运行制度，充分调动成员的工作积极性，营造和谐的团队文化，对内产生凝聚力，对外产生竞争力;（4） 每周开展团队教研活动，分析和解决人才培养过程遇到的问题，不定期邀请国内外著名学者讲学，拓宽视野、丰富知识。

（四）“MATLAB+”流程工业科研项目攻关

培养自动化专业创新人才的目的是为了满足国家流程工业未来的重大战略需求，那么在人才培养过程就首先需要明确流程工业智能优化制造的核心技术。根据文献[5]，为了实现流程工业智能优化制造的高效化和绿色化，需要研究的技术主要有：（1） 数据和知识相结合的智能建模技术;（2） 面向节能降耗的回路设定值优化控制技术;（3） 数据和知识相结合的过程故障诊断技术。

基于此，在人才培养过程中，通过参与流程工业科研攻关项目，探索项目驱动和学科交叉融合的多元协同培养方式，激发学生的学习潜能与科研兴趣，全方位提升学生的创新实践能力，实现教研互促，教师科研“反哺”科创竞赛。流程工业科研项目攻关有助于：（1） 培养和发掘人才，锻炼教师队伍;（2） 以自动化专业学生为载体促进学科交叉融合;（3） 推动流程工业关键技术进步，攻坚突破“掐脖子”核心技术之“命门”。

（五）“MATLAB+”双轨并考评价方式

创新人才培养过程不可避免地会出现各种各样的问题，为了能够及时对发现的问题进行梳理分析、综合判断和追根溯源，我校分别从线上和线下两个渠道建立了“双轨并考”和“双轨反馈”机制，能够从定性和定量两个方面衡量学生的创新能力和社会满意度，从而保障“MATLAB+”课程群体系及创新人才培养模式的有效性。“双轨并考”和“双轨反馈”评价方式如图3所示。

[ 参 考 文 献 ]

[1] Zhao S， Zhang H， Wang J. Cognition and system construction of civil engineering innovation and entrepreneurship system in emerging engineering education[J]. Cognitive Systems Research， 2018（52）： 1020-1028.

[2] 羅海风，刘坚，罗杨.人工智能时代的必备心智素养：计算思维[J].现代教育技术，2019， 29（6）：26-33.

[3] 戴木才.培养担当民族复兴大任的时代新人：党的十九大报告关于社会主义核心价值观的重要论述[J].道德与文明，2017（6）：5-7.

[4] 石国亮.五四精神与新时代中国青年的责任担当：学习习近平总书记在纪念五四运动100周年大会上的讲话[J].中国青年社会科学，2019，38（3）：1-8.

[5] 吴玉程，宋燕，陈冬华，等.新工科背景下全员协同实践育人体系的构建与实践：以太原理工大学新工科育人体系实践为例[J].山西高等学校社会科学学报，2019， 31（6）：66-70.

[6] 柴天佑.自动化科学与技术发展方向[J].自动化学报，2018，44（11）：1923-1930.

[7] 余国先，王峻.面向科研创新的MATLAB课程教学模式探索[J].西南师范大学学报（自然科学版），2018，43（1）：164-168.

[8] 杜静， 杨根. 论“新工科”背景下工科学生创新能力培养途径[J].石家庄铁道大学学报（社会科学版），2019，13（2）：106-110.

[9] Yang H S， Wu J P. Exploration on cultivation of application-oriented and innovative talents in the information field under “Internet+” environment[J]. EURASIA Journal of Mathematics Science and Technology Education， 2017， 13（8）：5607-5614.

[10] 王桂荣，田野.“互联网+教育”背景下地方本科高校优质慕课（MOOC）建设原则与机制研究[J].哈尔滨学院学报，2019，40（4）：123-126.

[11] 王璐瑶，陈劲，曲冠楠.构建面向“一带一路”的新工科人才培养生态系统[J].高校教育管理， 2019，13（3）：61-69.

[12] 严云洋，胡荣林，朱全银，等.地方应用型本科院校优秀教学团队建设思考[J].大学教育，2019（5）：43-45.

[责任编辑：钟 岚]