电气工程专业学生创新实践能力培养研究——以西门子杯中国智能制造挑战赛为例

文/高哲

学科竞赛为大学生提供了工程训练和创新实践的机会，以赛促学、以赛促练、以赛促用的模式渐渐成为高校引导工科学生提升创新实践能力的重要途径。以电气信息类的学科为例，当下竞赛形式多样，内容广泛，例如电子设计大赛、机器人设计大赛、智能车竞赛、PLC设计大赛等。各类竞赛涉及知识领域较为广泛，着重锻炼学生解决复杂工程问题的能力[1]。诸多专业竞赛的举办拓宽了学生的专业视野，对学生就业、出国和研究生面试等方面产生了重要影响，各专业在重要学科竞赛中取得的成绩也成为教学评估中评价专业办学能力的重要指标[2]。鉴于许多高校已经将学科竞赛作为培养大学生实践创新能力的重要载体和有效措施，因此，高校亟需建立起完备的竞赛培养模式，进一步发挥学科竞赛在创新型人才培养中的作用[3]。

西门子杯大赛在工业4.0背景下提出新工程师概念，致力于培养中国智能制造业的高级人才，通过组织学生参加西门子杯竞赛，锻炼电气专业学生的对实际工程的分析能力，培养学生创新实践能力[4]。下文通过总结历年学生的参赛经验，以西门子杯中国智能制造挑战赛为例，探讨培养学生参与学科的管理方法和创新实践能力的方法。

一、专业学科竞赛过程中存在的问题

西门子杯中国智能制造挑战赛中涉及的学科知识较多，针对实际工程提出的问题较为复杂，对于参赛大学生具有很强的挑战性[5]。

首先，学生的学习能力以及专业素养较低。由于在竞赛的过程中学生需要学习的知识较多、竞赛准备的周期长，因此参与竞赛的学生一般以各类专业大二学生为主。但是，低年级学生的专业知识储备少，理论知识和实际能力相比于高年级的学生较弱。

其次，学生的组织沟通能力较差。以西门子杯中国智能制造挑战赛为例，竞赛往往需要多名学生组队参加。在整个赛程中，参赛选手需要长期共处、共同协作完成竞赛项目，这对选手的组织沟通能力以及协作分工能力提出了较高的要求。

再次，竞赛选用的设备更新不及时。西门子杯的智能制造工程设计与应用类的竞赛评价是竞赛设备给出的评分系统。由于每年大赛的主题会进行更新，对应的实验设备中的硬件以及软件系统也需要随时进行更新，高校的前期投入在很大程度上影响了竞赛的质量。

最后，参赛人数增多导致选拔困难。西门子竞赛以某个工程项目为背景，锻炼学生解决实际工程中遇到的问题的能力，培养学生的创新思维。随着竞赛影响力不断扩大，参赛学生的数量逐年增加。

二、专业学科竞赛的管理方法

针对上述问题，根据近年来组织学生参加这一竞赛的经验，在学生参加学科竞赛管理方面，应该采用上下届传帮带形式，有计划有政策地提高学生创新实践能力，调动学生参与竞赛的积极性。

充分发挥学生社团组织的力量，将科技竞赛与学校社团活动相结合，借助学校、学院团委，建立相关学生活动社团，积极宣传学科竞赛的宗旨。通过社团活动不断提高学科竞赛在学生心目中的影响力。辽宁大学轻型产业学院由学院团委牵头，通过成立“辽宁大学智能制造社团”，从多渠道开展社团学习活动，通过开办竞赛专题讲座、经验交流等活动，积极引导学生参加竞赛，实现了参加西门子杯中国智能制造挑战赛从指导教师找学生参加竞赛，到学生主动参加报名的转变，报名参加的学生不断地增加。辽宁大学于2018年设立了西门子Campus-Hub学习中心，积极组织优秀的学生学习先进的控制系统分析与设计方法，选择曾经参加过竞赛并且取得优异成绩的高年级学生作为社团的负责人和学习中心的学生负责人，将竞赛经验和相关的知识体系传授给低年级的参赛学生。

辽宁大学与西门子公司于2012年共同建立了辽宁大学——西门子先进自动化技术联合示范实验室，占地300平方米。该实验室主要设备包括西门子1200、300、400系列PLC及其控制系统，融合了西门子全集成自动化的理念，为学生开展西门子杯竞赛提供了实验场地和实验设备。该实验室的SMPT1000实验开发平台是一套高级多功能的过程控制综合实训系统，包括以锅炉为控制对象的半实物仿真、400系列PLC控制器和上位机监控系统，控制通讯方式采样的Profibus以及工业以太网的通讯方式[6]。该设备可以进行工程赛项的赛前练习，实验设备每年对参加流程工业赛项的学生提供开放式学习平台，给参赛学生提供一套完整的赛题设计实验系统，锻炼学生的实际编程、控制器设计及其通讯系统开发等工程实践能力。

为了选拔出更加优秀的学生参加竞赛，学校近年来举办了多期校内选拔赛。校内选拔赛分为笔试和上机两部分。笔试部分包括控制算法、流程工业自动化的基本工艺、PLC基本编程方法以及赛题设计初步方案。上机部分完全仿照大赛的竞赛流程进行，分为赛前练习部分和机器自动评分两部分，竞赛环节包括检录、宣读竞赛规则、赛前调试、自动跑分和竞赛成绩确认环节，让学生通过校内选拔赛的形式熟悉西门子杯竞赛的基本流程，增强学生在正式竞赛过程中处理突发问题的能力。

辽宁大学西门子校园学习中心每年都组织参赛学生定期学习西门子竞赛涉及的相关学科知识。赛前准备阶段，学习中心通过播放视频、建立讨论组、以及上机指导等形式组织参赛学生学习和讨论。赛前阶段，各赛事参赛学生不分组别一起学习相关的理论知识和设备的使用方法，同时也为参赛学生提供互相了解和学习的机会。参赛学生通过前期阶段的互相磨合，可以自由分组调试竞赛赛题的编程，培养学生协同合作和组织能力，充分调动学生的参赛热情。

三、竞赛实践教学成果

辽宁大学电气工程及其自动化专业的学生从2014至今共参加了5次西门子杯竞赛，累计参加学生70余名。在师生积极准备和共同努力下，获得辽宁省省赛特等奖1项、一等奖5项、二等奖15项，三等奖2项，并且获得全国总决赛特等奖1项和三等奖2项。连续三年，学校指导教师获得5项辽宁省优秀指导教师称号。

学生通过参加西门子杯智能制造挑战赛，增加了自己的工程创新能力，学习了智能制造行业的控制系统设计方法。通过分析实际的工程项目，解决智能制造工程中出现的问题，学科竞赛真正实现了学校学生和企业生产制造的零距离的学习与实践。另外，学生总结了在竞赛中遇到的问题和不足，把一些实际问题作为毕业设计和大学生创新创业培训项目的延续，在竞赛中不断拓展和完善学习成果，其中两组对竞赛结果进行了详细分析和总结，发表了2篇核心期刊论文。

为了激励学生广泛参与各类学科竞赛和科研活动，2018年辽宁大学发布《推荐优秀应届本科毕业生免试攻读研究生工作实施办法》，对于获得国家级一等奖竞赛的优秀学生予以保研资格。目前，已有一名获得西门子杯中国智能制造挑战赛辽宁赛区一等奖的优秀本科生获得保研资格。此外，学生参加这一竞赛增强了动手实践能力和解决复杂工程问题的能力，也克服了学生在深造攻读硕士研究生学位和就业方面的难题，为学生提供了具有工程创新能力的有效证明。参加过西门子竞赛的多名学生分别被保送到了哈尔滨工业大学、天津大学、重庆大学、湖南大学、东北大学等双一流高校，一名学生直接就职于西门子(中国)有限公司西安分公司。通过积极引导学生参加学科竞赛，不但可以提高工科学生工程创新能力，为中国的智能制造提供高端人才，而且在学生的工作和保研中发挥了积极作用。

四、结语

结合辽宁大学历年来组织学生参加西门子杯中国智能制造挑战赛的经历，分析了大学生参加电气信息类专业学科竞赛中遇到的问题以及解决方法，总结了该校近些年来在西门子杯中国智能制造挑战赛取得的成绩和竞赛经验及其在学生保研就业等方面所起的作用。通过参加西门子杯这类电气信息类学科竞赛锻炼了学生的动手实践能力，提升了学生的创新应用能力，培养了学生的团队合作意识，符合创新型应用电气信息类高级人才的培养创新条件。