解決復(fù)雜工程問題解決能力實(shí)踐教學(xué)
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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)雜工程問題能力的“多層次”實(shí)踐教育體系。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題；能力培養(yǎng)；綜合實(shí)踐教學(xué)平臺；多層次實(shí)踐教學(xué)
一、引言
解決復(fù)雜工程問題是工科教學(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)槲覀冊趯?shí)際的教學(xué)過程當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生盡管學(xué)習(xí)了很多門課程，但是仍然無法將多種知識在實(shí)際的工程應(yīng)用中有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)而有效地去解析和設(shè)計(jì)一個(gè)方案應(yīng)對復(fù)雜工程問題。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。在此過程中，積極探索培養(yǎng)學(xué)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(xiàn)為以下兩個(gè)方面。第一，在工程實(shí)踐教學(xué)過程中對學(xué)生獨(dú)立探索解決工程問題能力的培養(yǎng)，及相關(guān)的課程體系不夠合理；本質(zhì)上，職業(yè)教育和工程教育對社會(huì)的建設(shè)支持力度更加直接，也是我們當(dāng)今中國社會(huì)最需要關(guān)注的領(lǐng)域。對于實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作量化補(bǔ)貼有待提高。對自動(dòng)化專業(yè)而言，工程實(shí)踐教學(xué)涉及知識面較廣，如工程任務(wù)的分解、計(jì)算機(jī)編程、硬件電路開發(fā)、自動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型建立、模式識別以及被控對象物理性質(zhì)，等等。第二，新工科教學(xué)中對工程創(chuàng)新思維培養(yǎng)有所不足。在我國政府大力提倡創(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，通過研究和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，基本形成一套新工科面向工程問題解決能力培養(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)：一方面是針對學(xué)生的創(chuàng)新理念轉(zhuǎn)變，如何轉(zhuǎn)變思想意識去面對一個(gè)復(fù)雜工程問題；另一方面是實(shí)踐中怎樣去反饋理論問題，即另一個(gè)任務(wù)是學(xué)以致用，運(yùn)用書本的知識以及豐富的網(wǎng)絡(luò)資源去解析工程問題。三階段，即學(xué)生對一個(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)平臺軟硬件建設(shè)，以及教育教學(xué)評估體系，全面圍繞工科實(shí)際解決工程問題能力而進(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)雜工程問題的能力。
四、解決復(fù)雜工程問題能力的綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)平臺建設(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)是簡化版的一個(gè)微型智能工廠。該實(shí)驗(yàn)平臺不僅能加強(qiáng)專業(yè)知識的鞏固，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。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.智能倉庫單元。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庫平面圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)合理的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)原料的自動(dòng)取貨并送到指定位置準(zhǔn)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(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，并且配合長距離電機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)輸。通過使用這套實(shí)驗(yàn)平臺，可以顯著提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，如設(shè)計(jì)、軟硬件開發(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)過程。未來，相對于“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，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題。我校引進(jìn)了智慧工廠實(shí)訓(xùn)平臺，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)探索過程中，不斷迭代升級自身的復(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]李開宇.新工科背景下檢測技術(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).
作者：李睿 曹榮敏 于鏑 單位：北京信息科技大學(xué)