周紅標(biāo) 柏小穎

[摘 要]為了加快推進(jìn)智能優(yōu)化控制系統(tǒng)在流程工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)程，迫切需要建立一支自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新型人才隊(duì)伍。課題組以自動(dòng)化專業(yè)MATLAB課程為主線，闡述了在新工科背景下如何構(gòu)建高質(zhì)量的“MATLAB+”課程群體系以推進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革。首先，課題組分析了當(dāng)前自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)模式存在的問題，然后從“MATLAB+”課程群體系、“四堂互融”混合教學(xué)模式和多元協(xié)同人才培養(yǎng)方式等方面給出了具體措施，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能與科研興趣，全方位提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞]新工科;MATLAB+;四堂互融;多元協(xié)同;創(chuàng)新人才

[中圖分類號(hào)] G40-057 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）11-0043-04

聯(lián)合國(guó)教科文組織發(fā)布的《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》報(bào)告指出，人工智能技術(shù)能夠促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)并提升學(xué)習(xí)效果[1-2]。黨的十九大報(bào)告指出，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力[3]。習(xí)近平總書記在紀(jì)念五四運(yùn)動(dòng)100周年大會(huì)上指出，當(dāng)今時(shí)代新技術(shù)層出不窮，對(duì)青年能力素質(zhì)提出了新的更高要求[4]。與傳統(tǒng)工科相比，面向未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的新工科對(duì)高素質(zhì)復(fù)合型人才的需求更加迫切[5]。

為了搶占制造業(yè)先機(jī)，贏取未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)，我國(guó)實(shí)施了“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。流程工業(yè)制造智能化和綠色化是智能制造的核心，自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)是智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，建模、控制與優(yōu)化是自動(dòng)化學(xué)科的三個(gè)基本科學(xué)問題[6]。毋庸置疑的是，自動(dòng)化專業(yè)均按照這三個(gè)方向鋪設(shè)專業(yè)課程。然而，目前各課程之間的聯(lián)系并不緊密，存在結(jié)構(gòu)性割裂現(xiàn)象，阻礙了具有全球視野、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的復(fù)合型人才的培養(yǎng)。因此，需要我們厘清專業(yè)各課程之間的關(guān)系，找出貫穿于專業(yè)學(xué)習(xí)全流程的主線。

作為專業(yè)學(xué)習(xí)的必備軟件、科創(chuàng)競(jìng)賽的主流平臺(tái)和科研攻關(guān)的助力工具，MATLAB貫穿于自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)的全生命周期，其重要性不言而喻[7]。然而，目前自動(dòng)化專業(yè)MATLAB課程設(shè)置為實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的學(xué)科必修課，授課內(nèi)容也僅限于MATLAB本身的編程基礎(chǔ)，與專業(yè)核心課程嚴(yán)重脫節(jié)。鑒于此，本課題將圍繞新工科建設(shè)內(nèi)涵要求、慕課課程群打造、“四堂互融”培養(yǎng)體系構(gòu)建、科創(chuàng)競(jìng)賽開展和科研項(xiàng)目攻關(guān)等五個(gè)方面具體研究在新工科背景和“金課”視域下自動(dòng)化專業(yè)如何通過打造“MATLAB+”課程群推進(jìn)課程建設(shè)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革。

一、“MATLAB+”課程群建設(shè)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)存在的問題

本節(jié)將從課程體系、教研團(tuán)隊(duì)、慕課資源、科創(chuàng)競(jìng)賽和科研攻關(guān)等五個(gè)方面闡述自動(dòng)化專業(yè)“MATLAB+”課程群建設(shè)及人才培養(yǎng)模式存在的問題。

（一）“MATLAB+”課程體系不完備

MATLAB是美國(guó)Math Works公司推出的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，它不僅提供了交互式編程環(huán)境，而且具備強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、圖形繪制和數(shù)據(jù)處理等功能。MATLAB是自動(dòng)控制原理、智能控制和過程控制等自動(dòng)化專業(yè)核心課程教學(xué)環(huán)節(jié)的必備軟件，是挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”和數(shù)學(xué)建模等科創(chuàng)競(jìng)賽的主流平臺(tái)，是復(fù)雜過程分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)和控制算法設(shè)計(jì)等科研攻關(guān)的助力工具。MATLAB課程對(duì)培養(yǎng)具備更高創(chuàng)新能力和跨界整合能力的新型工程技術(shù)人才有著重要的影響。

然而，目前MATLAB課程以實(shí)驗(yàn)課形式單獨(dú)設(shè)課，與自動(dòng)化專業(yè)核心課程鋪設(shè)、新工科創(chuàng)新人才需求和流程科研項(xiàng)目攻關(guān)存在著嚴(yán)重的脫節(jié)，具體表現(xiàn)為：（1） 理論水平高的專業(yè)教師較少，甚至不會(huì)使用MATLAB軟件，理論停留在書本上;（2） MATLAB編程能力強(qiáng)的青年教師參與專業(yè)核心課程建設(shè)的深度和力度不夠，實(shí)踐操作浮于表面;（3） 沒有厘清MATLAB與專業(yè)核心課程之間的微妙關(guān)系，亟待穿針引線繡出課程群脈絡(luò)圖。

（二）“MATLAB+”教研團(tuán)隊(duì)有名無實(shí)

自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)離不開一支集教學(xué)和科研于一身的教研隊(duì)伍，只有通過凝聚創(chuàng)新隊(duì)伍，構(gòu)筑教研基地，才有可能創(chuàng)造標(biāo)志性教學(xué)成果[8-9]。優(yōu)秀的教研團(tuán)隊(duì)是自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵力量。

然而，目前自動(dòng)化專業(yè)“MATLAB+”教研團(tuán)隊(duì)建設(shè)存在一些困難，具體表現(xiàn)為：（1） 缺乏領(lǐng)軍人物，團(tuán)隊(duì)成員之間黏合度不夠;（2） 存在職稱晉升和項(xiàng)目評(píng)比之間的競(jìng)爭(zhēng)，團(tuán)隊(duì)成員之間凝聚力不強(qiáng);（3） 教學(xué)團(tuán)隊(duì)、科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)和管理團(tuán)隊(duì)相互獨(dú)立，團(tuán)隊(duì)成員之間“孤島效應(yīng)”明顯。

（三）“MATLAB+”慕課資源匱乏

慕課是一種具有大規(guī)模、開放和在線特征的新型教學(xué)模式，學(xué)生可以通過電腦或手機(jī)觀看教學(xué)機(jī)構(gòu)發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的課程視頻和學(xué)習(xí)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)該課程的線上學(xué)習(xí)[10]。與傳統(tǒng)班級(jí)課堂不同，慕課課堂最高可容納十幾萬人。雖然慕課的興起歷史不長(zhǎng)，但是借助于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”深度融合的發(fā)展機(jī)遇，其擴(kuò)張勢(shì)頭迅猛，給傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來了巨大的沖擊。

然而，目前國(guó)內(nèi)著名高校一窩蜂地、不惜成本地打造慕課平臺(tái)，成立慕課聯(lián)盟，嚴(yán)重?cái)D壓了地方本科院校的操作空間，導(dǎo)致地方高校慕課建設(shè)水平相對(duì)低下。同時(shí)，視頻知識(shí)的碎片化、教學(xué)模式的“退場(chǎng)性”和平臺(tái)交互的不積極導(dǎo)致慕課平臺(tái)上的“水課”越來越多，迫切需要對(duì)照教育部“金課”的要求和標(biāo)準(zhǔn)，打造一批課程難度大、學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度強(qiáng)和知識(shí)創(chuàng)新性高的自動(dòng)化專業(yè)“金課”型“MATLAB+”慕課群，從而提升教育教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更多國(guó)家和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)所需人才[11]。

（四）“MATLAB+”科創(chuàng)競(jìng)賽重視程度不夠

科創(chuàng)競(jìng)賽是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)。自動(dòng)化專業(yè)涉及的競(jìng)賽主要有“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”、數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)器人和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新熱情、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新潛質(zhì)提出了更高要求。仔細(xì)梳理自動(dòng)化專業(yè)的主流競(jìng)賽項(xiàng)目，不難發(fā)現(xiàn)，MATLAB貫穿于其中，如：“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽有自然科學(xué)學(xué)術(shù)論文類，“互聯(lián)網(wǎng)+”競(jìng)賽有人工智能和信息技術(shù)類，數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的仿真平臺(tái)更是以MATLAB為主，各級(jí)各類創(chuàng)新項(xiàng)目的研究也要借助于MATLAB軟件。

然而，目前高校對(duì)MATLAB在科創(chuàng)競(jìng)賽中的重要性的認(rèn)識(shí)明顯不足，具體表現(xiàn)為：（1） 耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力在電子設(shè)計(jì)、機(jī)器人、智能車和飛行器等競(jìng)賽項(xiàng)目上，盡管屢有斬獲，但是理論高度和獎(jiǎng)項(xiàng)顯示度還有待提高;（2） 科創(chuàng)競(jìng)賽仍然是以教師為主體，“拼的是指導(dǎo)教師的水平”并不是一句玩笑話;（3） 科創(chuàng)訓(xùn)練平臺(tái)過于單一，學(xué)生接觸次數(shù)、訓(xùn)練時(shí)間和指導(dǎo)力度均有待提高。

（五）“MATLAB+”科研攻關(guān)水平低下

自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)是為國(guó)家流程工業(yè)未來重大戰(zhàn)略需求培養(yǎng)一批能夠從事運(yùn)行、設(shè)計(jì)和研發(fā)未來智慧型自動(dòng)化系統(tǒng)的創(chuàng)新人才，這需要審視現(xiàn)行的專業(yè)人才培養(yǎng)模式[6]。

然而，目前科研院所和企事業(yè)單位利用MATLAB突破核心關(guān)鍵技術(shù)的力度明顯較弱，具體表現(xiàn)為：（1） 流程工業(yè)還停留在利用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造和升級(jí)的初級(jí)階段，遠(yuǎn)未走上智能自主控制和智能優(yōu)化決策控制一體化的綠色發(fā)展道路;（2） 科研院所重視關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)理論研究，忽視借助于MATLAB平臺(tái)的算法思想實(shí)現(xiàn)，還未完全打通流程工業(yè)建模、控制與優(yōu)化三個(gè)基本科學(xué)問題的研究鏈;（3） 創(chuàng)新型自動(dòng)化專業(yè)人才稀缺，阻礙了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新的持續(xù)有效推進(jìn)。

二、“MATLAB+”課程群建設(shè)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)的途徑探索

本節(jié)將從課程群建設(shè)、人才培養(yǎng)模式改革、教研團(tuán)隊(duì)組建、科研攻關(guān)和評(píng)價(jià)方式等五個(gè)方面探索自動(dòng)化專業(yè)“MATLAB+”課程群建設(shè)及人才培養(yǎng)的途徑。

（一）“MATLAB+”課程群建設(shè)

在“金課”視域下，實(shí)現(xiàn)MATALB與其他核心課程的融合，建成一批優(yōu)質(zhì)的課程資源。比如：利用MATALB+矩陣運(yùn)算對(duì)工程矩陣中的算式進(jìn)行仿真，使得抽象的運(yùn)算變得具體和形象;利用MATALB+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決非線性復(fù)雜系統(tǒng)的辨識(shí)問題，建立輸入輸出的黑箱、灰箱和白箱模型;利用“MATLAB+”進(jìn)化算法解決實(shí)際工程系統(tǒng)的優(yōu)化問題，提升解決方案的質(zhì)量和可靠性;利用“MATALB+”模糊邏輯控制解決實(shí)際工程對(duì)象的設(shè)定值跟蹤控制問題，提高控制精度、穩(wěn)定性和靈活性。總之，讓MATALB貫穿于學(xué)習(xí)的全流程，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研潛力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的復(fù)合型人才?！癕ATLAB+”課程群建設(shè)及學(xué)生創(chuàng)新能力提升過程如圖1所示。

（二）“MATLAB+”創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革

學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)是提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題和解決問題的能力。鑒于此，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)“MATLAB+”創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了改革，具體舉措為：（1） 打造慕課線上網(wǎng)絡(luò)課堂、傳統(tǒng)線下班級(jí)課堂、科創(chuàng)競(jìng)賽小班課堂和科研項(xiàng)目精英課堂相融合的“四堂互融”式混合教學(xué)模式，培養(yǎng)新工科創(chuàng)新人才;（2） 歸納和優(yōu)化現(xiàn)有的 MATALB 教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合流程工業(yè)關(guān)鍵科學(xué)問題，組建了“MATALB+”基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、“MATALB+”建模、“MATALB+”優(yōu)化、“MATALB+”控制四個(gè)教學(xué)模塊;（3） 在QQ技術(shù)交流群、MATLAB技術(shù)論壇和微博公眾號(hào)等平臺(tái)發(fā)布具有開放性和創(chuàng)新性的問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;（4） 打造早期科研訓(xùn)練平臺(tái)和學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)，采用雙平臺(tái)架構(gòu)，探索和實(shí)施科創(chuàng)競(jìng)賽的“全員化、多樣化、課程化、常態(tài)化”新模式，提升學(xué)生參與的深度和廣度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)、科創(chuàng)競(jìng)賽和科研攻關(guān)的無縫對(duì)接;（5） 開放科創(chuàng)基地，自主組建團(tuán)隊(duì)完成科研項(xiàng)目子課題，提高實(shí)踐操作水平和理論創(chuàng)新能力;（6） 研究經(jīng)費(fèi)資助和評(píng)價(jià)機(jī)制，形成良性競(jìng)爭(zhēng)和優(yōu)勝劣汰的研究環(huán)境。創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革如圖2所示。

（三）“MATLAB+”跨學(xué)科教研團(tuán)隊(duì)組建

自動(dòng)化專業(yè)“MATLAB+”課程群按照基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、智能建模、智慧控制和決策優(yōu)化四個(gè)方向構(gòu)建課程體系，涉及工程矩陣、計(jì)算方法、系統(tǒng)辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、過程控制、智能控制和進(jìn)化算法等七門核心課程。這些課程充分體現(xiàn)了數(shù)學(xué)學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科和控制學(xué)科之間的相互滲透和交叉融合，因此需要建立一支具有多學(xué)科背景和跨學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型教研隊(duì)伍，且團(tuán)隊(duì)成員有心、有意、有為、有舍、有得[12]。具體舉措為：（1） 引進(jìn)國(guó)內(nèi)有影響的學(xué)術(shù)帶頭人，推進(jìn)教研隊(duì)伍的博士化、國(guó)際化和工程化建設(shè);（2） 鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)青年教師參加高層次教育教學(xué)競(jìng)賽、國(guó)際交流和工程實(shí)踐，提升團(tuán)隊(duì)的整體實(shí)力;（3） 建立健全團(tuán)隊(duì)的運(yùn)行制度，充分調(diào)動(dòng)成員的工作積極性，營(yíng)造和諧的團(tuán)隊(duì)文化，對(duì)內(nèi)產(chǎn)生凝聚力，對(duì)外產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)力;（4） 每周開展團(tuán)隊(duì)教研活動(dòng)，分析和解決人才培養(yǎng)過程遇到的問題，不定期邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外著名學(xué)者講學(xué)，拓寬視野、豐富知識(shí)。

（四）“MATLAB+”流程工業(yè)科研項(xiàng)目攻關(guān)

培養(yǎng)自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新人才的目的是為了滿足國(guó)家流程工業(yè)未來的重大戰(zhàn)略需求，那么在人才培養(yǎng)過程就首先需要明確流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的核心技術(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，為了實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的高效化和綠色化，需要研究的技術(shù)主要有：（1） 數(shù)據(jù)和知識(shí)相結(jié)合的智能建模技術(shù);（2） 面向節(jié)能降耗的回路設(shè)定值優(yōu)化控制技術(shù);（3） 數(shù)據(jù)和知識(shí)相結(jié)合的過程故障診斷技術(shù)。

基于此，在人才培養(yǎng)過程中，通過參與流程工業(yè)科研攻關(guān)項(xiàng)目，探索項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和學(xué)科交叉融合的多元協(xié)同培養(yǎng)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能與科研興趣，全方位提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)教研互促，教師科研“反哺”科創(chuàng)競(jìng)賽。流程工業(yè)科研項(xiàng)目攻關(guān)有助于：（1） 培養(yǎng)和發(fā)掘人才，鍛煉教師隊(duì)伍;（2） 以自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生為載體促進(jìn)學(xué)科交叉融合;（3） 推動(dòng)流程工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步，攻堅(jiān)突破“掐脖子”核心技術(shù)之“命門”。

（五）“MATLAB+”雙軌并考評(píng)價(jià)方式

創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，為了能夠及時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行梳理分析、綜合判斷和追根溯源，我校分別從線上和線下兩個(gè)渠道建立了“雙軌并考”和“雙軌反饋”機(jī)制，能夠從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面衡量學(xué)生的創(chuàng)新能力和社會(huì)滿意度，從而保障“MATLAB+”課程群體系及創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的有效性。“雙軌并考”和“雙軌反饋”評(píng)價(jià)方式如圖3所示。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]