依托智能制造挑战赛培养大学生工程实践创新能力

李秋明, 宋 昕, 刘志刚, 赵 强, 钱晓龙

(1.东北大学秦皇岛分校 控制工程学院,河北 秦皇岛 066004;2.东北大学 信息科学与工程学院,沈阳 110004)

0 引 言

智能制造是制造业发展到当前阶段融合了信息技术、先进制造技术、自动化技术、人工智能技术的最新形态。智能制造是先进制造业发展的必然趋势，国内外对先进制造业的发展都非常重视[1-4]。在新的历史时期，智能制造已经成为国家制造业进一步发展的战略目标。因此，社会对该方面的人才需要十分迫切。为制造业全面升级、智能制造全面推广而培养、选拔急需的优秀工程实践创新人才成为了“西门子杯”中国智能制造挑战赛(原全国大学生工业自动化挑战赛)最为重要的任务。“西门子杯”中国智能制造挑战赛是由教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会、西门子(中国)有限公司以及中国仿真协会联合主办，大赛以“立足培养，重在参与，面向工程，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校的工程实践能力教育，提高学生的工程兴趣、工程素养、工程设计能力、实践动手能力、工程创新和工程研发能力，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，培养学生的综合知识运用能力，为培养高质量的理工科优秀人才提供实践平台。

1 三点结合模式与大学生工程实践创新能力培养之间的关系

2013年至今，东北大学秦皇岛分校每年都组织学生参加该项大赛，通过参加智能制造挑战赛，学生的工程实践创新能力得到了极大的提高。正因如此学生参加竞赛的热情也逐年增加，2017年参加各类赛项的学生已经达到51人，占自动化专业总人数的1/4之多。竞赛成绩的取得离不开必要的支撑条件：实验室开放是学生准备竞赛前提条件，开放实验室为学生提供硬件设备和学习环境；合理的实践教学体系也是学生在竞赛中取得优异成绩的基础条件，针对智能制造挑战赛的实践教学，为学生参加竞赛提供竞赛基础；科学合理的选拔机制是学生准备竞赛的激励条件，选拔的目的不是为了淘汰学生而是激发学生的积极性，基于项目理念的选拔机制能让更多的学生在准备竞赛的过程中得到锻炼和提高。因此，以智能制造挑战赛为依托的三点结合模式与大学生工程实践创新能力的培养之间的关系如图1所示。

2 基于智能制造挑战赛的实验室开放

实验室开放是目前我国高校实验室发展和改革的一个重要趋势[5-9]，学校以开放实验室来促进智能制造挑战赛，反过来以智能制造挑战赛又推动了学校的实验室开放。

图1 竞赛与大学生工程实践创新能力培养关系图

2.1 以智能制造挑战赛硬件为主的实践平台建设

学校从2013年开始组织控制学院的学生参加“西门子杯”智能制造挑战赛，由于没有比赛设备，学校只能统一派参赛学生在临近比赛的时候到比赛主办学校进行设备调试和练习，参赛学生的积极性难以调动，比赛成绩也不是太理想。针对这种情况，学校2015年开始投入近百万购买了西门子自动化产品，搭建了以S120伺服控制器为中心的运动控制平台、以S7-1200控制器为中心逻辑控制平台。以及即将建设的以S7-1500为控制中心的工业实训平台和以S7-400为中心的过程控制平台，这些平台的建设不仅满足大学生的实践教学，同时也为学生参加中国智能制造挑战赛提供了良好的硬件条件。

2.2 实验室的开放管理

开放实验室的管理主要采用“师生共管”的方式。教师和实验教师主要负责培训和指导学生竞赛，实验教师同时也兼顾实验室的设备维护。学生除了准备竞赛以外，还要负责实验室的卫生以及日常管理。

在实验室开放的过程中也存在一些问题：比如实验室设备维护力量不足、指导教师数量不足等。随着参加竞赛的学生人数的增加，指导教师不足的情况就凸显出来了。同时随着实验室设备的使用率越来越高，加上学生动手能力良莠不齐，难免造成设备的损坏。为了解决这些问题，实验室引入了往届参加竞赛获奖的同学参与实验室的管理工作。以老队员带新队员的模式，“新老队员”之间善于沟通和交流，很大程度上调动“新队员”积极性，同时也缓解了实验教师设备维护的工作量。

2.3 实验室的开放培训

针对中国智能制造挑战赛，学校主要向参加比赛的学生开放了逻辑控制、运动控制以及过程控制3个实验室。实验室从大三开始纳新对这个领域比较感兴趣的开放实验室成员，循序渐进的进行培训，尤其是在准备比赛的3个阶段：

(1) 校内选拔阶段。这一阶段，由于新的赛题还没有给定，所以往届的参赛题目是学生练习的重点，同时也是选拔最终参赛同学的考题。定期组织“新老队员”座谈会，往届参赛的学生通过分享比赛心得，能极大激发应届学生的参赛积极性。另外，通过校内选拔赛，不仅能促进参赛同学的比赛投入，更重要的是能让更多的学生在准备竞赛的过程中得到锻炼和提高。

(2) 省赛准备阶段。经过校内选拔以后，参赛学生进行网上报名，同时新的比赛题目已经确定。在这一阶段采用赛前指导教师加入培训模式，指导学生进行程序设计，制定控制方案。定期组织学生进行分组讨论完善各组的控制方案和控制程序。

(3) 国赛准备阶段。经过省赛的选拔，各个赛项只剩下一组或者两组去参加国赛，国赛题目也会延续省赛的题目，只不过在省赛基础上提高了难度。这一阶段，指导教师每周会组织参赛学生进行周报，进行答疑。

3 基于智能制造挑战赛的实践教学体系[10-11]

中国智能制造挑战赛的方向涉及智能制造领域中的科技创新、产品研发、工程设计和智能应用等，主要面向全国控制科学与工程、电气工程、机械工程、仪表科学与工程、信息与通信工程、计算机科技与技术等相关学科的研究生、本科生。立足于本校自动化类专业的课程体系，在完成学校专业基础课的教学基础上，学校开设了针对智能挑战赛中的逻辑控制赛项、运动控制赛项以及连续过程赛项的科创类课程。科创课程的开设为学生参加竞赛提供了竞赛基础。

工业逻辑控制系统设计与综合训练课程的教学主要针对“西门子杯”中国智能制造挑战赛中的逻辑控制赛项。教学过程中主要应用西门子工业控制产品S7-1200控制器以及上位机WinCC组态软件的控制平台。课程的主要任务是：培养学生掌握设计开发PLC控制系统，尤其是逻辑控制系统的设计和开发。工业运动控制系统设计与综合训练课程的教学主要是针对“西门子杯”中国智能制造挑战赛中的运动控制赛项。教学过程中主要使用西门子工业产品S7-300PLC以及S120伺服控制系统平台。课程主要任务是：培养学生掌握单闭环控制、双闭环控制以及三闭环控制调速、位置传动系统的组成结构、工作原理、控制方法、控制系统分析与工程设计方法及实现。工业过程控制系统设计与综合训练课程的教学主要是针对“西门子杯”中国智能制造挑战赛中的过程控制赛项。教学过程中主要使用西门子工业产品S7-400PLC以及过程控制系统平台。课程主要任务：培养学生掌握工业过程系统的组成以及设计方法、典型控制算法的应用、先进控制算法的设计等。

科创课程为选修课程，主要针对感兴趣的学生。授课形式主要采用实践教学方式，因此课程安排有2/3的课时为实验教学。学生通过动手实验不仅能了解西门子产品的的使用，更重要的是通过结合历年大赛题目案例来培养学生的实践能力、工程创新能力、资料收集以及整理能力、学习能力以及团队协作能力。

4 基于项目理念的选拔机制[12-16]

中国智能制造挑战赛开创了一种全新的竞赛模式。针对工程应用以及设计开发类赛项，大赛从工业领域的实际需求抽象成一个工程项目作为竞赛对象，大赛的组委会充当甲方角色，而参赛队伍以团队的形式充当乙方角色，通过分析、设计、竞标、实施、排错、优化、移交，等多个实际环节完成竞赛。为了模拟大赛的过程，在校内选拔阶段采用了基于项目理念的选拔机制。在此过程中，学生能得到更好的锻炼机会，工程创新能力也能得到提高。

4.1 项目管理

在校内选拔开始阶段，以项目管理的形式给出往年大赛题目(主要是逻辑控制、运动控制以及过程控制3个方向)的设计要求。其中包括项目截止日期、系统结构、控制要求、性能指标、文档管理和验收要求等。学生根据个人兴趣选择项目，并查阅相关资料给出方案。然后，指导教师以招标的形式确定各个系统设计方案，完成系统结构图并进行系统设计。项目完成后，按照设计要求进行验收，主要包括系统和文档两部分。

4.2 团队合作

在学生进行实践训练过程中，要求学生根据自己的特点自由组合，3人1组。分组时主要考虑个性和兴趣，并将不同个性的同学分在一组。在团队中，选出一个项目经理，每个同学不仅需要分担工作，更重要的是与组内的其他同学合作。当某个同学遇到问题时，必须首先与同组成员讨论解决方案，然后再提交给教师。每周固定时间要进行周报，教师可以借此掌握每个组的工作进度。

4.3 共享资源

实验室一直非常重视资料的积累和分类，借助于百度云建立了资源库以便同学上传和查阅资料，并设有专门的管理人员。资源库里的文档根据不同赛项进行分类，有运动控制赛项、逻辑控制赛项以及过程控制赛项3类，每一类下面又以参赛年份划分，在每个参赛年份里包括当年的比赛题目、获得成绩、以及当年学生们积累的技术文档。要求学生在查阅的同时，不能任意删除和修改，如需上传文档，必须经过管理员的允许。

4.4 个性展示

经过一段时间的准备以后，指导教师会聘请校内专家对各组学生进行考核。考核分为上机操作和答辩两个环节。上机操作成绩由指导教师现场给定，而答辩环节则由聘请校内的工程设计方面专家首先听取学生报告，学生必须充分发挥个人能力，在有限的时间内向专家全面、准确、系统地介绍课题的完成情况，然后专家会提出一些相关问题，学生进行回答，最终由专家给出答辩成绩。上机操作和答辩成绩的综合即为该组同学的最终选拔成绩。

5 以智能制造挑战赛为依托三点结合模式的成效

5.1 “西门子杯”中国智能制造挑战赛上取得的战绩

由于“西门子杯”中国智能制造挑战赛的比赛规则，一个赛项一个学校最多晋级一个或者两个队伍参加全国总决赛，所以这里只列举了总决赛的成绩。

2013～2014年，荣获工程应用组三等奖与特等奖各1项；2015～2016年，荣获逻辑组特等奖各1项，运动控制组一等奖、特等奖各1项，硬件开发组特等奖1项以及过程控制组三等奖1项。

5.2 学生工程实践创新能力的培养

学生在大学阶段已经积累很多理论知识，但从未将这些理论知识应用于实际。智能制造挑战赛给学生提供了理论联系实际的机会。通过参加竞赛，学生能够掌握科研和开发的基本方法，积累一定工程设计经验。同时，优异竞赛成绩的取得，也能极大提高了个人自信心，为其以后的工作打下良好的基础。

6 结 语

依托中国智能制造挑战赛，将实验室开放、实践教学以及项目理念的选拔机制三点相结合极大地促进了大学生工程创新能力的培养。学生在取得优秀竞赛成绩的同时，自身的工程创新能力也得到了提高。同时，在学生参加竞赛过程产生的技术文档不断丰富资源库，提高了教师科研水平，也促进了实验室发展。