李秋明, 宋 昕, 劉志剛, 趙 強(qiáng), 錢(qián)曉龍

(1.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004;2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110004)

0 引 言

智能制造是制造業(yè)發(fā)展到當(dāng)前階段融合了信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)的最新形態(tài)。智能制造是先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展都非常重視[1-4]。在新的歷史時(shí)期，智能制造已經(jīng)成為國(guó)家制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，社會(huì)對(duì)該方面的人才需要十分迫切。為制造業(yè)全面升級(jí)、智能制造全面推廣而培養(yǎng)、選拔急需的優(yōu)秀工程實(shí)踐創(chuàng)新人才成為了“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽(原全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽)最為重要的任務(wù)?！拔鏖T(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽是由教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、西門(mén)子(中國(guó))有限公司以及中國(guó)仿真協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，大賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，面向工程，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校的工程實(shí)踐能力教育，提高學(xué)生的工程興趣、工程素養(yǎng)、工程設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、工程創(chuàng)新和工程研發(fā)能力，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力，為培養(yǎng)高質(zhì)量的理工科優(yōu)秀人才提供實(shí)踐平臺(tái)。

1 三點(diǎn)結(jié)合模式與大學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)之間的關(guān)系

2013年至今，東北大學(xué)秦皇島分校每年都組織學(xué)生參加該項(xiàng)大賽，通過(guò)參加智能制造挑戰(zhàn)賽，學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力得到了極大的提高。正因如此學(xué)生參加競(jìng)賽的熱情也逐年增加，2017年參加各類賽項(xiàng)的學(xué)生已經(jīng)達(dá)到51人，占自動(dòng)化專業(yè)總?cè)藬?shù)的1/4之多。競(jìng)賽成績(jī)的取得離不開(kāi)必要的支撐條件：實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放是學(xué)生準(zhǔn)備競(jìng)賽前提條件，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供硬件設(shè)備和學(xué)習(xí)環(huán)境；合理的實(shí)踐教學(xué)體系也是學(xué)生在競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)的基礎(chǔ)條件，針對(duì)智能制造挑戰(zhàn)賽的實(shí)踐教學(xué)，為學(xué)生參加競(jìng)賽提供競(jìng)賽基礎(chǔ)；科學(xué)合理的選拔機(jī)制是學(xué)生準(zhǔn)備競(jìng)賽的激勵(lì)條件，選拔的目的不是為了淘汰學(xué)生而是激發(fā)學(xué)生的積極性，基于項(xiàng)目理念的選拔機(jī)制能讓更多的學(xué)生在準(zhǔn)備競(jìng)賽的過(guò)程中得到鍛煉和提高。因此，以智能制造挑戰(zhàn)賽為依托的三點(diǎn)結(jié)合模式與大學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)之間的關(guān)系如圖1所示。

2 基于智能制造挑戰(zhàn)賽的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放是目前我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和改革的一個(gè)重要趨勢(shì)[5-9]，學(xué)校以開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室來(lái)促進(jìn)智能制造挑戰(zhàn)賽，反過(guò)來(lái)以智能制造挑戰(zhàn)賽又推動(dòng)了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放。

圖1 競(jìng)賽與大學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)關(guān)系圖

2.1 以智能制造挑戰(zhàn)賽硬件為主的實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

學(xué)校從2013年開(kāi)始組織控制學(xué)院的學(xué)生參加“西門(mén)子杯”智能制造挑戰(zhàn)賽，由于沒(méi)有比賽設(shè)備，學(xué)校只能統(tǒng)一派參賽學(xué)生在臨近比賽的時(shí)候到比賽主辦學(xué)校進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和練習(xí)，參賽學(xué)生的積極性難以調(diào)動(dòng)，比賽成績(jī)也不是太理想。針對(duì)這種情況，學(xué)校2015年開(kāi)始投入近百萬(wàn)購(gòu)買(mǎi)了西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品，搭建了以S120伺服控制器為中心的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)、以S7-1200控制器為中心邏輯控制平臺(tái)。以及即將建設(shè)的以S7-1500為控制中心的工業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和以S7-400為中心的過(guò)程控制平臺(tái)，這些平臺(tái)的建設(shè)不僅滿足大學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)也為學(xué)生參加中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽提供了良好的硬件條件。

2.2 實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理主要采用“師生共管”的方式。教師和實(shí)驗(yàn)教師主要負(fù)責(zé)培訓(xùn)和指導(dǎo)學(xué)生競(jìng)賽，實(shí)驗(yàn)教師同時(shí)也兼顧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備維護(hù)。學(xué)生除了準(zhǔn)備競(jìng)賽以外，還要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)生以及日常管理。

在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的過(guò)程中也存在一些問(wèn)題：比如實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)力量不足、指導(dǎo)教師數(shù)量不足等。隨著參加競(jìng)賽的學(xué)生人數(shù)的增加，指導(dǎo)教師不足的情況就凸顯出來(lái)了。同時(shí)隨著實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的使用率越來(lái)越高，加上學(xué)生動(dòng)手能力良莠不齊，難免造成設(shè)備的損壞。為了解決這些問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室引入了往屆參加競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的同學(xué)參與實(shí)驗(yàn)室的管理工作。以老隊(duì)員帶新隊(duì)員的模式，“新老隊(duì)員”之間善于溝通和交流，很大程度上調(diào)動(dòng)“新隊(duì)員”積極性，同時(shí)也緩解了實(shí)驗(yàn)教師設(shè)備維護(hù)的工作量。

2.3 實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放培訓(xùn)

針對(duì)中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽，學(xué)校主要向參加比賽的學(xué)生開(kāi)放了邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制以及過(guò)程控制3個(gè)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室從大三開(kāi)始納新對(duì)這個(gè)領(lǐng)域比較感興趣的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室成員，循序漸進(jìn)的進(jìn)行培訓(xùn)，尤其是在準(zhǔn)備比賽的3個(gè)階段：

(1) 校內(nèi)選拔階段。這一階段，由于新的賽題還沒(méi)有給定，所以往屆的參賽題目是學(xué)生練習(xí)的重點(diǎn)，同時(shí)也是選拔最終參賽同學(xué)的考題。定期組織“新老隊(duì)員”座談會(huì)，往屆參賽的學(xué)生通過(guò)分享比賽心得，能極大激發(fā)應(yīng)屆學(xué)生的參賽積極性。另外，通過(guò)校內(nèi)選拔賽，不僅能促進(jìn)參賽同學(xué)的比賽投入，更重要的是能讓更多的學(xué)生在準(zhǔn)備競(jìng)賽的過(guò)程中得到鍛煉和提高。

(2) 省賽準(zhǔn)備階段。經(jīng)過(guò)校內(nèi)選拔以后，參賽學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上報(bào)名，同時(shí)新的比賽題目已經(jīng)確定。在這一階段采用賽前指導(dǎo)教師加入培訓(xùn)模式，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，制定控制方案。定期組織學(xué)生進(jìn)行分組討論完善各組的控制方案和控制程序。

(3) 國(guó)賽準(zhǔn)備階段。經(jīng)過(guò)省賽的選拔，各個(gè)賽項(xiàng)只剩下一組或者兩組去參加國(guó)賽，國(guó)賽題目也會(huì)延續(xù)省賽的題目，只不過(guò)在省賽基礎(chǔ)上提高了難度。這一階段，指導(dǎo)教師每周會(huì)組織參賽學(xué)生進(jìn)行周報(bào)，進(jìn)行答疑。

3 基于智能制造挑戰(zhàn)賽的實(shí)踐教學(xué)體系[10-11]

中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽的方向涉及智能制造領(lǐng)域中的科技創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)、工程設(shè)計(jì)和智能應(yīng)用等，主要面向全國(guó)控制科學(xué)與工程、電氣工程、機(jī)械工程、儀表科學(xué)與工程、信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科技與技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的研究生、本科生。立足于本校自動(dòng)化類專業(yè)的課程體系，在完成學(xué)校專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)基礎(chǔ)上，學(xué)校開(kāi)設(shè)了針對(duì)智能挑戰(zhàn)賽中的邏輯控制賽項(xiàng)、運(yùn)動(dòng)控制賽項(xiàng)以及連續(xù)過(guò)程賽項(xiàng)的科創(chuàng)類課程?？苿?chuàng)課程的開(kāi)設(shè)為學(xué)生參加競(jìng)賽提供了競(jìng)賽基礎(chǔ)。

工業(yè)邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)主要針對(duì)“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽中的邏輯控制賽項(xiàng)。教學(xué)過(guò)程中主要應(yīng)用西門(mén)子工業(yè)控制產(chǎn)品S7-1200控制器以及上位機(jī)WinCC組態(tài)軟件的控制平臺(tái)。課程的主要任務(wù)是：培養(yǎng)學(xué)生掌握設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)PLC控制系統(tǒng)，尤其是邏輯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)主要是針對(duì)“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽中的運(yùn)動(dòng)控制賽項(xiàng)。教學(xué)過(guò)程中主要使用西門(mén)子工業(yè)產(chǎn)品S7-300PLC以及S120伺服控制系統(tǒng)平臺(tái)。課程主要任務(wù)是：培養(yǎng)學(xué)生掌握單閉環(huán)控制、雙閉環(huán)控制以及三閉環(huán)控制調(diào)速、位置傳動(dòng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、控制系統(tǒng)分析與工程設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)。工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練課程的教學(xué)主要是針對(duì)“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽中的過(guò)程控制賽項(xiàng)。教學(xué)過(guò)程中主要使用西門(mén)子工業(yè)產(chǎn)品S7-400PLC以及過(guò)程控制系統(tǒng)平臺(tái)。課程主要任務(wù)：培養(yǎng)學(xué)生掌握工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)的組成以及設(shè)計(jì)方法、典型控制算法的應(yīng)用、先進(jìn)控制算法的設(shè)計(jì)等。

科創(chuàng)課程為選修課程，主要針對(duì)感興趣的學(xué)生。授課形式主要采用實(shí)踐教學(xué)方式，因此課程安排有2/3的課時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)不僅能了解西門(mén)子產(chǎn)品的的使用，更重要的是通過(guò)結(jié)合歷年大賽題目案例來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、工程創(chuàng)新能力、資料收集以及整理能力、學(xué)習(xí)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4 基于項(xiàng)目理念的選拔機(jī)制[12-16]

中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽開(kāi)創(chuàng)了一種全新的競(jìng)賽模式。針對(duì)工程應(yīng)用以及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)類賽項(xiàng)，大賽從工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求抽象成一個(gè)工程項(xiàng)目作為競(jìng)賽對(duì)象，大賽的組委會(huì)充當(dāng)甲方角色，而參賽隊(duì)伍以團(tuán)隊(duì)的形式充當(dāng)乙方角色，通過(guò)分析、設(shè)計(jì)、競(jìng)標(biāo)、實(shí)施、排錯(cuò)、優(yōu)化、移交，等多個(gè)實(shí)際環(huán)節(jié)完成競(jìng)賽。為了模擬大賽的過(guò)程，在校內(nèi)選拔階段采用了基于項(xiàng)目理念的選拔機(jī)制。在此過(guò)程中，學(xué)生能得到更好的鍛煉機(jī)會(huì)，工程創(chuàng)新能力也能得到提高。

4.1 項(xiàng)目管理

在校內(nèi)選拔開(kāi)始階段，以項(xiàng)目管理的形式給出往年大賽題目(主要是邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制以及過(guò)程控制3個(gè)方向)的設(shè)計(jì)要求。其中包括項(xiàng)目截止日期、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制要求、性能指標(biāo)、文檔管理和驗(yàn)收要求等。學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣選擇項(xiàng)目，并查閱相關(guān)資料給出方案。然后，指導(dǎo)教師以招標(biāo)的形式確定各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目完成后，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行驗(yàn)收，主要包括系統(tǒng)和文檔兩部分。

4.2 團(tuán)隊(duì)合作

在學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練過(guò)程中，要求學(xué)生根據(jù)自己的特點(diǎn)自由組合，3人1組。分組時(shí)主要考慮個(gè)性和興趣，并將不同個(gè)性的同學(xué)分在一組。在團(tuán)隊(duì)中，選出一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理，每個(gè)同學(xué)不僅需要分擔(dān)工作，更重要的是與組內(nèi)的其他同學(xué)合作。當(dāng)某個(gè)同學(xué)遇到問(wèn)題時(shí)，必須首先與同組成員討論解決方案，然后再提交給教師。每周固定時(shí)間要進(jìn)行周報(bào)，教師可以借此掌握每個(gè)組的工作進(jìn)度。

4.3 共享資源

實(shí)驗(yàn)室一直非常重視資料的積累和分類，借助于百度云建立了資源庫(kù)以便同學(xué)上傳和查閱資料，并設(shè)有專門(mén)的管理人員。資源庫(kù)里的文檔根據(jù)不同賽項(xiàng)進(jìn)行分類，有運(yùn)動(dòng)控制賽項(xiàng)、邏輯控制賽項(xiàng)以及過(guò)程控制賽項(xiàng)3類，每一類下面又以參賽年份劃分，在每個(gè)參賽年份里包括當(dāng)年的比賽題目、獲得成績(jī)、以及當(dāng)年學(xué)生們積累的技術(shù)文檔。要求學(xué)生在查閱的同時(shí)，不能任意刪除和修改，如需上傳文檔，必須經(jīng)過(guò)管理員的允許。

4.4 個(gè)性展示

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的準(zhǔn)備以后，指導(dǎo)教師會(huì)聘請(qǐng)校內(nèi)專家對(duì)各組學(xué)生進(jìn)行考核。考核分為上機(jī)操作和答辯兩個(gè)環(huán)節(jié)。上機(jī)操作成績(jī)由指導(dǎo)教師現(xiàn)場(chǎng)給定，而答辯環(huán)節(jié)則由聘請(qǐng)校內(nèi)的工程設(shè)計(jì)方面專家首先聽(tīng)取學(xué)生報(bào)告，學(xué)生必須充分發(fā)揮個(gè)人能力，在有限的時(shí)間內(nèi)向?qū)＜胰?、?zhǔn)確、系統(tǒng)地介紹課題的完成情況，然后專家會(huì)提出一些相關(guān)問(wèn)題，學(xué)生進(jìn)行回答，最終由專家給出答辯成績(jī)。上機(jī)操作和答辯成績(jī)的綜合即為該組同學(xué)的最終選拔成績(jī)。

5 以智能制造挑戰(zhàn)賽為依托三點(diǎn)結(jié)合模式的成效

5.1 “西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽上取得的戰(zhàn)績(jī)

由于“西門(mén)子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽的比賽規(guī)則，一個(gè)賽項(xiàng)一個(gè)學(xué)校最多晉級(jí)一個(gè)或者兩個(gè)隊(duì)伍參加全國(guó)總決賽，所以這里只列舉了總決賽的成績(jī)。

2013～2014年，榮獲工程應(yīng)用組三等獎(jiǎng)與特等獎(jiǎng)各1項(xiàng)；2015～2016年，榮獲邏輯組特等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，運(yùn)動(dòng)控制組一等獎(jiǎng)、特等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，硬件開(kāi)發(fā)組特等獎(jiǎng)1項(xiàng)以及過(guò)程控制組三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

5.2 學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

學(xué)生在大學(xué)階段已經(jīng)積累很多理論知識(shí)，但從未將這些理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際。智能制造挑戰(zhàn)賽給學(xué)生提供了理論聯(lián)系實(shí)際的機(jī)會(huì)。通過(guò)參加競(jìng)賽，學(xué)生能夠掌握科研和開(kāi)發(fā)的基本方法，積累一定工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，優(yōu)異競(jìng)賽成績(jī)的取得，也能極大提高了個(gè)人自信心，為其以后的工作打下良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié) 語(yǔ)

依托中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽，將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放、實(shí)踐教學(xué)以及項(xiàng)目理念的選拔機(jī)制三點(diǎn)相結(jié)合極大地促進(jìn)了大學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生在取得優(yōu)秀競(jìng)賽成績(jī)的同時(shí)，自身的工程創(chuàng)新能力也得到了提高。同時(shí)，在學(xué)生參加競(jìng)賽過(guò)程產(chǎn)生的技術(shù)文檔不斷豐富資源庫(kù)，提高了教師科研水平，也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室發(fā)展。