基于创新实践共享平台的“递进四层级”人才培养新模式

苏晓杰，马铁东，杨欣，黄江帅，井冈山，黄秀财

（重庆大学 自动化学院，重庆 401331）

随着国家创新驱动发展战略的大力推进，“工业4.0”和《中国制造2025》对高校自动化专业人才培养提出了新的要求[1-2]，对课程体系、教学内容以及实验实训资源也有了更高的要求。实践教学环节在大学生创新意识和创新思维培养中具有不可替代的作用[3-4]，不仅可以帮助学生理解理论教学环节中的知识点，同时还有助于学生在实践过程中巩固理论知识、验证实验方法、增强工程意识，从而全面培育学生的科学文化素养、独立思考能力、工程应变能力和综合实践能力。由此可见，教学培养效果与实践平台的建设水平密不可分[5-6]。

当前在各工科高校自动化专业正在实施的培养方案中，学生实践环节占比较以往已有大幅度提升，但还存在着课程实践内容单一、实验平台陈旧、实验平台通用性差、缺少跨课程的综合性实践平台、与学科特色方向关联不紧密等一系列实际问题[7]。在“双一流”与新工科建设背景下，大力推进自动化核心课程实践教学体系改革，需要进一步整合与优化现有教学平台资源，充分发挥学校的学科优势、人才优势、科研优势，构建合理高效的创新实践共享平台教学模式，全过程、全方位、全范围、全时段地提升学生的创新实践能力[8]。

1 国内外自动化核心课程的教学现状

自动化专业核心课程（例如自动控制原理、计算机控制、运动控制、过程控制、智能控制等）信息量大且覆盖面广，课程偏重理论，内容抽象，但知识点丰富，对数学知识，力学、热学等物理知识，以及电路原理、模电数电等课程均有覆盖。学生的培养目标是完成学习后能够具备一定的系统建模与分析能力，并能综合运用相关知识解决复杂的现代工程问题[9-10]。当前，自动化专业相关课程的教学手段比较单一，课程实验主要在数值仿真和实验模拟箱上进行，数值仿真实验的特点是能快速得到结果，简单便捷，但由于仿真物理对象不明晰，无法和实际系统建立联系；而基于实验模拟箱的课程实验，其设计机制是基于芯片和上位机通信，学生完成的仿真部分和实际的硬件并非处于同一个平台，无法保证算法开发灵活性。例如，自动控制原理课程中频繁出现的传递函数类型与实际物理模型相关联的问题，在模拟箱中就难以得到灵活的应用与体现。另外，课程整体情况是缺乏可以融入现代工程元素的实践环节，实验内容还停留在对理论方法验证的层面，学生的创新实践能力无法得到有效提高，课程内容和社会对人才需求严重脱节，无法满足国家对应用技术人才的需求[11-12]。

发达国家自动化专业相关课程对实践环节非常重视，理论课程和实践课程教师需同步完成课程，协同帮助学生循序渐进地对课程理论内容进行理解、观察和实践。此外，发达国家的自动化专业相关课程重视现代工程元素的引入，如将传感器、通信的内容引入课程，通过实验分级帮助学生有序理解现代工程的复杂问题。广泛采用基于PBL（Problem-Based Learning，简称PBL，也称“问题式学习”）的协同学习方式，培养学生分析和解决实际问题的能力，帮助学生在问题探索过程中灵活运用自然科学和工程科学的基本原理，实现对复杂工程问题的有效理解[13-15]。

2 “递进四层级”人才培养新模式建设

基于现有课程实践环节建设存在的问题，以自动化专业本科人才培养为中心，以自动控制原理相关课程群为基础，梳理出基于课程平台的实践能力培养途径（现存问题及改进建议见表1），提出“兴趣激发—基础夯实—综合实训—项目升华”的“递进四层级”人才培养新模式（建设思路见图1），利用学科特色方向优势项目资源，充分发挥科教融合、赛教融合、产教融合的创新示范作用，培养具有较强创新实践能力的本硕博贯通的高层次人才。

表1 自动化专业实验教学现存问题及改进建议

图1 “递进四层级”人才培养模式

2.1 课程兴趣激发与工程素养提升

重庆大学专业设置以工科为主，侧重于激发学生（尤其是低年级本科生）的课程学习兴趣和工程素养，从而为工科学生后期的专业学习奠定良好的基础，依托创新实践共享平台可从3 个方面开展相应工作。

一是通过新生研讨课与创新实践共享平台的融合增强学生对本专业课程的了解。可将便于移动的实验平台带入课堂，实现现场的实物演示，让学生对自动化、计算机、通信等专业的知识点有直观的感受。结合新生研讨课，可安排2～4 个学时组织学生参观创新实践共享平台代表性设备及装置，通过实验室人员的现场操作与演示，让学生了解实验室各项设备操作运行规程，并在安全环境下鼓励学生实际操作，进而激发学生学习兴趣。

二是通过自动化类通识课程与创新实践共享平台的融合培养学生对专业的探索热情。该课程属于专业通识实验课程，通过实验课程了解控制系统与控制器的概念、控制器的适用性以及与其他信息学科的交叉性，并通过一个小型的PBL 实验，让学生逐渐掌握用工程科学的语言描述问题，运用工程科学的原理对复杂工程问题进行识别和判断，使用专业软件和专业设备进行复杂工程问题模拟并分析实验结果。课程的开展有利于学生思维的转变，带动学生对生动的实践环节背后蕴含的理论知识进行初步探索。另外，可为低年级学生增设多门兴趣激发类课程，如机器人、无人车、无人机、机械臂等，并帮助学生建立专业课程间的联系，激发学生对专业的热爱和探索。

三是通过科普宣传系列活动与创新实践共享平台的融合激发学生的学习热情。在面向中学生或本科生的夏令营以及高考后的校园开放日等活动中，都可以现场展示共享平台的实验装置，并邀请学生体验，从而让更多学生了解自动化专业，激发其对专业的学习兴趣。面对重庆大学本科生采取大类招生及分流的现状，通过创新实践共享平台制作的宣传材料（如海报、宣传册等），可以在校级、学部级及院级招生工作中起到良好的宣传效应，并从侧面激发学生对自动化相关专业的兴趣。

2.2 自动化核心课程实验

自动化核心课程实验的教学目标要求学生能够将理论知识和实践环节融会贯通，因此，在对各类实验进行设计的时候，需要考虑是否能够覆盖自动化类课程重要知识点，实验课程是否可与理论教学互补。基于此，可借助自动化创新实践共享平台，通过多种扩展套件，设计覆盖自动化类不同课程的实验项目，并通过Matlab/Simulink 以及平台软件工具包，与自动化类教材所有重要知识点匹配。新的课程实践平台不仅可实现已有经典实验的复现，弥补先前设备缺乏和平台落后的不足，还可使学生清楚地掌握实际系统的运行规律，将知识和算法解析到复杂控制系统中，通过具体操作和调试积累经验，激发学习自驱力，完成从理论探索到实际应用的转变。平台的控制软件拓展兼容LabVIEW、C++、Python、ROS 等通用软件，底层开放且可接入各类型传感器，可充分实现实验项目在实物背景下的有效完成。学生可在实践过程中完成设计、验证、分析等学习内容，并能够结合专业知识进行解释，全面培养学生利用科学原理和科学方法对复杂工程问题开展研究的能力。

2.3 自动化创新项目实训

自动化创新实践共享平台以大学生创新创业计划等实践环节为依托，以平台核心套件为基础，针对专业共性创新课题展开综合实训。该平台以自动化典型任务为例，兼具前沿性和实用性，任务层层递进，由浅入深，严格遵循学生基本情况有序开展。平台资源丰富，可用于所有与电子设计、机器人、人工智能相关的创新创业课题，具有丰富的接口兼容性和较强的扩展功能，并与自动化特色研究方向紧密相关，完全满足自动化专业创新实训的基本需要。平台具体可实现的研究方向包括机器视觉、语言理解和沟通、机器学习、认知和推理、群体智能、多传感信息融合、运动控制、路径规划、定位与导航等。

2.4 交叉共享平台建设

以毕业设计、科创竞赛、科研团队项目等实践环节为依托，面向自动化专业理论与应用前沿方向，借助课程平台的丰富模块功能，推进面向复杂物理系统的创新实践训练与工程素养提升。借助平台资源的通用性和扩展性，自动化相关专业的学生可利用所学理论知识与实践经验，开展复杂物理系统建模、分析、设计、控制等交叉性研究，真正做到理论联系实际，学生创新实践能力可得到全面提升。平台资源的共享使用模式，也可促进交叉学科和相关团队间的教研合作，助力高水平交叉研究成果产出、高端共享平台基地建设、高层次复合型人才培养。代表性创新项目经提炼和改进后，可纳入学生共性实践环节案例库，从而保证学生实践环节的前沿性和实效性。

2.5 共享平台运行模式

为进一步落实创新实践教学成效，成立以学院院长为组长，分管院长为副组长，系主任、课程负责人、教学实验室负责人、教学秘书为成员的创新实践平台建设工作领导小组，全面负责共享平台的建设、检查与改进工作。利用平台专项经费购置课程平台设备，并从基础性实践平台、校内专业实践平台、校企合作实践平台三个层面重点建设。基础性实践平台建设要整合与优化本专业现有实验体系、实验内容、实验设备等资源，突出平台资源的普适性和实用性；校内专业实践平台主要承担基本设计类实验，该实验环节以验证型实验为主；校企合作实践平台主要承担综合设计类实验，对标科技竞赛、科研项目、创新创业实践等研究内容。根据自动化专业实践教学的特点，不断完善自动化专业人才实践能力培养方案，充分发挥校内外优势资源，依托创新实践共享平台开展课程实验、实习实训、科研项目锻炼、创新素养提升、社会实践锻炼等活动。充分发挥创新实践平台建设工作领导小组、平台指导教师与指导团队、平台管理团队等职能，合理规划各实践教学活动（如基础课程实验、专业课程实验、教学/生产实习、科研项目训练、毕业设计、创新创业实践）。不断完善创新实践共享平台管理与运行机制，平台负责人、管理人员、指导人员等职责明晰，平台场地、平台设备、平台资源实现共享。加强平台指导队伍建设，定期选派骨干教师参加校内外活动，进一步促进技术交流、扩展业务视野、开拓教学思路，以期更好地服务创新实践教学工作。

3 取得的成效

在平台与基地层面，重庆大学自动化学院设有国际一流水平的“重庆大学罗克韦尔自动化实验室”、“无人系统智能控制与自主协同学科创新引智基地”，以及国内一流水平的“重庆大学控制基础实验教学中心”、“机器人创新实验室”、“自动化学院全日制专业学位研究生校内实践实训基地”。学院秉承“和谐向上、与时俱进、勤劳务实、勇往直前”的办学理念，按照“重基础、强应用、聚前沿、拓思维、深共享”的发展思路大力推进教学体系改革，以计算机硬件基础和自动控制原理两门省部级精品课程，结合学院主编的国家规划级教材《单片机原理及应用——嵌入式技术基础》、“十三五”国家重点出版物《动态系统运行安全性分析与技术》等，建设了线下精品课程群和线上核心课程在线资源，建立了线上线下全覆盖和优势互补的混合课程教学模式，满足学生的多元化学习需求。

在师资建设层面，控制科学与工程学科已建成以国家级专家领衔、骨干教师与青年教师为中坚力量的老中青结合的教学科研梯队，形成了一支年龄结构合理、创新实践能力突出、多学科交融、博士较多的师资队伍。另外，自动化学院依托高等学校学科创新引智计划和国家重大人才计划，已有30 余位国际知名学者以兼职教授形式加盟，有效提升了本学科在自动化领域的国际影响力。

在教学成果层面，自动化学院有国家级一流专业1 个，省部级一流专业1 个，教育部“卓越工程师教育培养计划”1 个，“重庆市三特行动计划特色专业”1 个，省部级特色专业1 个，省部级教学团队1个，校级实验教学示范中心1 个，市级精品课程2门，重庆大学线上线下混合课程2 门，重庆大学在线开放课程2 门，12 门全校性非限制性选修课程，2 门创新性实践课程，获重庆大学教学成果一等奖1 项、二等奖2 项。

在人才培养成效层面，近年来，自动化人才培养效果显著，在第四届菲尼克斯智能技术创新与应用大赛中获得全国二等奖、三等奖，在“西门子杯”中国智能制造挑战赛全国初赛中获得特等奖、一等奖、二等奖，在全国总决赛中获得二等奖等奖项。在中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛中，斩获金奖3 项、银奖10 项、铜奖7 项，实现了西南地区高校在国际赛道上金奖零的历史性突破。连续两年在“创青春”中国青年创新创业大赛（互联网组）中斩获金奖。学生多次获得国家级科技竞赛特等奖、全国一等奖，“山城机甲队”荣获首届智创杯前沿技术挑战赛锦标赛第三名。年均申报国家级大学生创新项目（“国创”）6 项、重庆市创新项目（“市创”）13 项，重庆大学大学生科研训练计划（“校创”）27 项，其中“国创”优秀结题率达到33%。

4 结束语

为了应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，主动服务国家创新驱动发展和“工业4.0”、《中国制造2025》、“互联网+”等重大战略实施，需要全面推进“双一流”与新工科背景下自动化专业人才工程创新能力培养体系改革，大力推动学科交叉融合，为国家实施工业强国发展战略培养新工科自动化领域工程科技创新人才。本文提出“兴趣激发—基础夯实—综合实训—项目升华”的“递进四层级”课程平台培养新模式，利用学科特色方向优势项目资源，充分发挥科教融合、赛教融合、产教融合的创新示范作用，培养具有较强创新实践能力的本硕博贯通的高层次人才。