培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的新工科實(shí)踐教學(xué)研究

李?！〔軜s敏　于鏑

摘要：文章基于本校前期工科建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出面向工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的教學(xué)模式;建立以“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”模式為核心的自動(dòng)化類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究如何在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以含需求分析和設(shè)計(jì)階段的工程項(xiàng)目的時(shí)間跨度為根本，使得學(xué)生以積極主動(dòng)的理論聯(lián)系實(shí)際，最終達(dá)到學(xué)以致用。提出基于解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的“多層次”實(shí)踐教育體系。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問(wèn)題;能力培養(yǎng);綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái);多層次實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）13-0084-02

一、引言

解決復(fù)雜工程問(wèn)題是工科教學(xué)的重中之重，在高速信息時(shí)代顯得尤為突出和緊迫。因?yàn)槲覀冊(cè)趯?shí)際的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生盡管學(xué)習(xí)了很多門(mén)課程，但是仍然無(wú)法將多種知識(shí)在實(shí)際的工程應(yīng)用中有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而有效地去解析和設(shè)計(jì)一個(gè)方案應(yīng)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題。除了平時(shí)的教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)、企業(yè)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)都突出了這一嚴(yán)重的問(wèn)題。所以本文也基于這點(diǎn)，積極探索和發(fā)掘如何將解決復(fù)雜性工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)融入教學(xué)內(nèi)容中[1]。

二、新工科教育中普遍存在的問(wèn)題

我們新工科建設(shè)的重中之重是實(shí)施卓越工程師培養(yǎng)，急需培養(yǎng)出大量具有匠人精神的創(chuàng)新型人才。在此過(guò)程中，積極探索培養(yǎng)學(xué)生獲得面向工程問(wèn)題解決的能力十分重要，這也是與世界一流高校相對(duì)比之下，我們的教育體系存在的問(wèn)題之一[2]。存在的問(wèn)題具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面。

第一，在工程實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生獨(dú)立探索解決工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)，及相關(guān)的課程體系不夠合理;本質(zhì)上，職業(yè)教育和工程教育對(duì)社會(huì)的建設(shè)支持力度更加直接，也是我們當(dāng)今中國(guó)社會(huì)最需要關(guān)注的領(lǐng)域。對(duì)于實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作量化補(bǔ)貼有待提高。對(duì)自動(dòng)化專業(yè)而言，工程實(shí)踐教學(xué)涉及知識(shí)面較廣，如工程任務(wù)的分解、計(jì)算機(jī)編程、硬件電路開(kāi)發(fā)、自動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型建立、模式識(shí)別以及被控對(duì)象物理性質(zhì)，等等。

第二，新工科教學(xué)中對(duì)工程創(chuàng)新思維培養(yǎng)有所不足。

在我國(guó)政府大力提倡創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展的背景下，雖然創(chuàng)新本身隨機(jī)性很大，不便于規(guī)劃，但是，面對(duì)一個(gè)具體的工程，策略能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)揮發(fā)散思維。例如，美國(guó)的哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)等名校為創(chuàng)業(yè)搖籃硅谷培養(yǎng)人才，其模式值得借鑒。目前，我國(guó)新自動(dòng)化學(xué)科建設(shè)，迫切需要探索設(shè)計(jì)一套完整的學(xué)生創(chuàng)新思維實(shí)踐方案[3]。

三、實(shí)踐與多層次教學(xué)框架設(shè)計(jì)

依托我校的信息專業(yè)特色，以及依據(jù)自動(dòng)化專業(yè)的卓越工程師計(jì)劃2.0體系，通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，基本形成一套新工科面向工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的自動(dòng)工程實(shí)踐教學(xué)體系?？筛爬椤耙粋€(gè)理念、兩任務(wù)，三階段、四措施和五環(huán)節(jié)”。

一個(gè)理念是指理論聯(lián)系實(shí)際，即以實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)貫徹到整個(gè)實(shí)踐教學(xué)的始終。兩任務(wù)：一方面是針對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新理念轉(zhuǎn)變，如何轉(zhuǎn)變思想意識(shí)去面對(duì)一個(gè)復(fù)雜工程問(wèn)題;另一方面是實(shí)踐中怎樣去反饋理論問(wèn)題，即另一個(gè)任務(wù)是學(xué)以致用，運(yùn)用書(shū)本的知識(shí)以及豐富的網(wǎng)絡(luò)資源去解析工程問(wèn)題。三階段，即學(xué)生對(duì)一個(gè)復(fù)雜工程的認(rèn)知理解階段、消化學(xué)習(xí)階段以及動(dòng)手應(yīng)用階段，每個(gè)階段都以工程化理念為指導(dǎo)。四措施，即學(xué)校的制度體系、老師的教學(xué)方案、學(xué)生的學(xué)習(xí)平臺(tái)軟硬件建設(shè)，以及教育教學(xué)評(píng)估體系，全面圍繞工科實(shí)際解決工程問(wèn)題能力而進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整。五環(huán)節(jié)就是平時(shí)課程的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、綜合實(shí)驗(yàn)、企業(yè)的頂崗實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及課外開(kāi)放式創(chuàng)新課題，五個(gè)環(huán)節(jié)全方位、全時(shí)段地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

四、解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)平臺(tái)建設(shè)

為實(shí)現(xiàn)面向工業(yè)4.0的綜合自動(dòng)化工程問(wèn)題解決導(dǎo)向教育，北京信息科技大學(xué)的綜合自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室最新引入了智慧生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，依據(jù)我國(guó)工業(yè)制造2025的標(biāo)準(zhǔn)而制作的智慧訂單和生產(chǎn)系統(tǒng)是簡(jiǎn)化版的一個(gè)微型智能工廠。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)的鞏固，還更加注重實(shí)踐技能的培養(yǎng)，讓自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生在動(dòng)手操作中活學(xué)活用專業(yè)知識(shí)。這套自動(dòng)化設(shè)備從理論上涉及了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的多學(xué)科交叉融合。

實(shí)踐課程中首先布置給學(xué)生基本工程設(shè)計(jì)目標(biāo)，將各個(gè)控制單元的基本功能和基本要求約定如下：

1.智能倉(cāng)庫(kù)單元。初始化之后，機(jī)械手在二維平面或三維立體坐標(biāo)系內(nèi)設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（其中可能包含不同類型的電機(jī)，如直流電機(jī)、交流步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)等）。能夠根據(jù)上位機(jī)下達(dá)的指令和攝像頭拍攝的倉(cāng)庫(kù)平面圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)合理的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)原料的自動(dòng)取貨并送到指定位置準(zhǔn)備出庫(kù)。

2.模擬灌裝單元。首先通過(guò)光電傳感器或超聲波傳感器，判定物料已經(jīng)送達(dá)到位，然后發(fā)出電機(jī)和流量閥的驅(qū)動(dòng)指令，完成仿人工的罐裝動(dòng)作。沒(méi)有實(shí)際流體罐裝的情況下，我們不妨在下壓部件上有一個(gè)噴氣口，模擬動(dòng)作即可。將容器填滿并緊接著平穩(wěn)送回到指定點(diǎn)，等待進(jìn)入下一流程。

3.壓蓋單元的基本功能。按照生產(chǎn)單的要求，分別進(jìn)行黑白兩種瓶蓋的壓蓋操作，兩種工件的選擇依賴于生產(chǎn)單。

4.質(zhì)檢單元的基本功能。按照本批次的灌裝要求，對(duì)灌裝裝配的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)檢。

5.傳輸單元核心任務(wù)。這個(gè)單元和其他四個(gè)單元的協(xié)調(diào)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，簡(jiǎn)單的功能是有序的雙向精準(zhǔn)傳送帶，需要在合適的時(shí)間位置將物料運(yùn)送到指定的接續(xù)點(diǎn)。這就需要綜合運(yùn)用傳感器實(shí)現(xiàn)位置感知，并且配合長(zhǎng)距離電機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)輸。

通過(guò)使用這套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以顯著提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，如設(shè)計(jì)、軟硬件開(kāi)發(fā)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以生動(dòng)的趣味性極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在此動(dòng)手解決復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐中，學(xué)生可以深刻理解從“物理”到“信息”的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。未來(lái)，相對(duì)于“物理”意義上的零部件，我們智能工業(yè)界將更重視帶有“信息”功能的附加價(jià)值。即未來(lái)智慧工廠環(huán)境中，從“群體”到“個(gè)體”?！按笠?guī)模私人定制”概念的實(shí)踐，如此，我們更容易地實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，寓教于樂(lè)，努力培養(yǎng)高實(shí)踐技能的自動(dòng)化專業(yè)人才。

五、結(jié)論

基于本校前期工科建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出面向工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的教學(xué)模式;建立以“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”模式為核心的自動(dòng)化類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。本研究是為了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決智能工廠的控制類科技問(wèn)題。我校引進(jìn)了智慧工廠實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，其基本情況如下：堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，以專題課程形式給學(xué)生講授工業(yè)4.0的概念，工程項(xiàng)目旨在理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生在實(shí)踐到理論、理論再到實(shí)踐的閉環(huán)探索過(guò)程中，不斷迭代升級(jí)自身的復(fù)雜工程解困能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡培君.實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力探索[J].陰山學(xué)刊（自然科學(xué)版），2017，31（2）.

[2]陳雯柏，吳細(xì)寶，許曉飛.基于機(jī)器人足球平臺(tái)的工程訓(xùn)練研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（5）：228-231.

[3]李開(kāi)宇.新工科背景下檢測(cè)技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式探索[J].科教文匯（中旬刊），2018，（7）.

Research on Practical Teaching of New Subjects to Cultivate Ability to Solve Complex Engineering Problems

LI Rui，CAO Rong-min，YU Di

（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

Abstract：Based on the experience of engineering construction in the early stage of our school，this paper establishes a practical teaching design of automation specialty with the core of "solving complex engineering problems" mode，which is oriented to the cultivation of engineering problem solving ability.Focus on how to make students take the initiative，practice and organic connection between courses in the practice teaching link，taking the life cycle of the project as the carrier.Then，a "multi-level" practical teaching mode based on the ability to solve complex engineering problems is put forward.

Key words：complex engineering problems;ability training;comprehensive practical teaching platform;multi-level practical teaching