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摘要：文章基于本校前期工科建設經驗，提出面向工程問題解決能力培養的教學模式；建立以“解決復雜工程問題”模式為核心的自動化類專業實踐教學設計。重點研究如何在實踐教學環節中，以含需求分析和設計階段的工程項目的時間跨度為根本，使得學生以積極主動的理論聯系實際，最終達到學以致用。提出基于解決復雜工程問題能力的“多層次”實踐教育體系。

關鍵詞：復雜工程問題；能力培養；綜合實踐教學平臺；多層次實踐教學

一、引言

解決復雜工程問題是工科教學的重中之重，在高速信息時代顯得尤為突出和緊迫。因為我們在實際的教學過程當中，經常發現學生盡管學習了很多門課程，但是仍然無法將多種知識在實際的工程應用中有機地結合起來，進而有效地去解析和設計一個方案應對復雜工程問題。除了平時的教學以及課程設計外，在畢業設計、企業實習等環節都突出了這一嚴重的問題。所以本文也基于這點，積極探索和發掘如何將解決復雜性工程問題的能力培養融入教學內容中[1]。

二、新工科教育中普遍存在的問題

我們新工科建設的重中之重是實施卓越工程師培養，急需培養出大量具有匠人精神的創新型人才。在此過程中，積極探索培養學生獲得面向工程問題解決的能力十分重要，這也是與世界一流高校相對比之下，我們的教育體系存在的問題之一[2]。存在的問題具體表現為以下兩個方面。第一，在工程實踐教學過程中對學生獨立探索解決工程問題能力的培養，及相關的課程體系不夠合理；本質上，職業教育和工程教育對社會的建設支持力度更加直接，也是我們當今中國社會最需要關注的領域。對于實踐和實驗教學的工作量化補貼有待提高。對自動化專業而言，工程實踐教學涉及知識面較廣，如工程任務的分解、計算機編程、硬件電路開發、自動控制數學模型建立、模式識別以及被控對象物理性質，等等。第二，新工科教學中對工程創新思維培養有所不足。在我國政府大力提倡創新創業發展的背景下，雖然創新本身隨機性很大，不便于規劃，但是，面對一個具體的工程，策略能夠更好地引導學生去發揮發散思維。例如，美國的哈佛大學、斯坦福大學等名校為創業搖籃硅谷培養人才，其模式值得借鑒。目前，我國新自動化學科建設，迫切需要探索設計一套完整的學生創新思維實踐方案[3]。

三、實踐與多層次教學框架設計

依托我校的信息專業特色，以及依據自動化專業的卓越工程師計劃2.0體系，通過研究和實驗實踐，基本形成一套新工科面向工程問題解決能力培養的自動工程實踐教學體系。可概括為“一個理念、兩任務，三階段、四措施和五環節”。一個理念是指理論聯系實際，即以實踐是檢驗真理的唯一標準貫徹到整個實踐教學的始終。兩任務：一方面是針對學生的創新理念轉變，如何轉變思想意識去面對一個復雜工程問題；另一方面是實踐中怎樣去反饋理論問題，即另一個任務是學以致用，運用書本的知識以及豐富的網絡資源去解析工程問題。三階段，即學生對一個復雜工程的認知理解階段、消化學習階段以及動手應用階段，每個階段都以工程化理念為指導。四措施，即學校的制度體系、老師的教學方案、學生的學習平臺軟硬件建設，以及教育教學評估體系，全面圍繞工科實際解決工程問題能力而進行設計和調整。五環節就是平時課程的教學、實訓、綜合實驗、企業的頂崗實習、畢業設計以及課外開放式創新課題，五個環節全方位、全時段地培養學生解決復雜工程問題的能力。

四、解決復雜工程問題能力的綜合實踐能力培養平臺建設

為實現面向工業4.0的綜合自動化工程問題解決導向教育，北京信息科技大學的綜合自動化專業實驗室最新引入了智慧生產實訓系統，依據我國工業制造2025的標準而制作的智慧訂單和生產系統是簡化版的一個微型智能工廠。該實驗平臺不僅能加強專業知識的鞏固，還更加注重實踐技能的培養，讓自動化專業的學生在動手操作中活學活用專業知識。這套自動化設備從理論上涉及了物聯網、大數據和人工智能的多學科交叉融合。實踐課程中首先布置給學生基本工程設計目標，將各個控制單元的基本功能和基本要求約定如下：1.智能倉庫單元。初始化之后，機械手在二維平面或三維立體坐標系內設計電機驅動（其中可能包含不同類型的電機，如直流電機、交流步進電機和交流伺服電機等）。能夠根據上位機下達的指令和攝像頭拍攝的倉庫平面圖像數據，驅動合理的運動軌跡，實現對應原料的自動取貨并送到指定位置準備出庫。2.模擬灌裝單元。首先通過光電傳感器或超聲波傳感器，判定物料已經送達到位，然后發出電機和流量閥的驅動指令，完成仿人工的罐裝動作。沒有實際流體罐裝的情況下，我們不妨在下壓部件上有一個噴氣口，模擬動作即可。將容器填滿并緊接著平穩送回到指定點，等待進入下一流程。3.壓蓋單元的基本功能。按照生產單的要求，分別進行黑白兩種瓶蓋的壓蓋操作，兩種工件的選擇依賴于生產單。4.質檢單元的基本功能。按照本批次的灌裝要求，對灌裝裝配的產品進行質檢。5.傳輸單元核心任務。這個單元和其他四個單元的協調是設計重點，簡單的功能是有序的雙向精準傳送帶，需要在合適的時間位置將物料運送到指定的接續點。這就需要綜合運用傳感器實現位置感知，并且配合長距離電機實現平穩運輸。通過使用這套實驗平臺，可以顯著提高學生解決復雜工程問題的能力，如設計、軟硬件開發及團隊協作能力，以生動的趣味性極大調動學生的學習積極性。在此動手解決復雜工程問題的實踐中，學生可以深刻理解從“物理”到“信息”的自動控制系統實現過程。未來，相對于“物理”意義上的零部件，我們智能工業界將更重視帶有“信息”功能的附加價值。即未來智慧工廠環境中，從“群體”到“個體”。“大規模私人定制”概念的實踐，如此，我們更容易地實現學以致用，寓教于樂，努力培養高實踐技能的自動化專業人才。

五、結論

基于本校前期工科建設經驗，提出面向工程問題解決能力培養的教學模式；建立以“解決復雜工程問題”模式為核心的自動化類專業實踐教學設計。本研究是為了培養學生動手解決智能工廠的控制類科技問題。我校引進了智慧工廠實訓平臺，其基本情況如下：堅持理論聯系實際，以專題課程形式給學生講授工業4.0的概念，工程項目旨在理論聯系實際，讓學生在實踐到理論、理論再到實踐的閉環探索過程中，不斷迭代升級自身的復雜工程解困能力。

參考文獻：

[1]蔡培君.實踐教學培養學生解決復雜工程問題能力探索[J].陰山學刊(自然科學版),2017,31(2).

[2]陳雯柏,吳細寶,許曉飛.基于機器人足球平臺的工程訓練研究[J].實驗室研究與探索,2017,36(5):228-231.

[3]李開宇.新工科背景下檢測技術綜合課程設計教學模式探索[J].科教文匯(中旬刊),2018,(7).

作者：李睿 曹榮敏 于鏑 單位：北京信息科技大學