赛教融合和CDIO下测控专业人才培养模式探索

刘理 胡宏伟 易可夫

［摘 要］ 随着智能制造和机器人产业发展，我国大部分高校测控专业将面临测控专业招生能力不足以及测控专业教学内容已无法满足产业发展对人才需求的入口出口双重挤压。通过对长沙理工大学测控专业的研究，给出了测控专业在新工科背景下，从赛教融合和CDIO实践两个维度进行改革探索的经验。研究结果对基于新工科的测控专业创新人才培养模式改革，具有一定的经验借鉴作用和现实意义。

［关键词］ 新工科；测控专业；赛教融合；实践平台；CDIO

［基金项目］ 2021年度长沙理工大学教学改革研究金课项目“线上线下混合传感器原理与应用课程”（2021046-43）；2021年度长沙理工大学教改课题“‘网络化测控技术课程研究性教学方法探索与实践”（XJG21-102）；2019年度湖南省教育厅科学研究项目“互扰博弈环境下人在回路的人车混合控制策略研究”（19C0036）

［作者简介］ 刘 理（1982—），男，湖南长沙人，工学博士，长沙理工大学汽车与机械工程学院讲师，硕士生导师，主要从事智能测控系统研究；胡宏伟（1980—），男，湖南长沙人，工学博士，长沙理工大学汽车与机械工程学院教授，博士生导师，主要从事测试系统研究；易可夫（1987—），男，湖南长沙人，工学博士，长沙理工大学汽车与机械工程学院讲师，硕士生导师，主要从事智能感知系统研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）10-0105-04［收稿日期］ 2022-06-06

引言

随着“工业4.0”、新工科各种概念和蓝图的推出，国家对工科教育提出了新的目标和要求，其中核心的需求就是在人才培养中激发创新能力和实践能力［1］。在传统测控技术与仪器专业的本科培养计划的实践过程中存在各种问题和矛盾，例如，测控专业的学科交叉性强和知识覆盖面广与本科培养计划体量有限、培养资源不充分之间的矛盾，教学内容重理论重基础轻实践的问题，课程体系广但深度和协调性不足的问题，师资力量不足且不平衡的问题［2-4］。再加上优势学科多层次多范围对测控专业在各类资源上的挤压（如控制、电子、车辆、机械学科），测控专业的教学和实践的发展长时间处于低速甚至停滞状态。测控专业建设和改革研究从多个方面（例如理论和实践课程体系、实践平台、创新实验班、CDIO实验班、学科竞赛、本科生科研项目以及各个课程上的教学内容和改革、毕业设计）都进行了大量的探索和实验［5-8］。这些都证明了学科竞赛在促进学生实践能力方面的巨大作用，而CDIO工程教育的探索和实践进一步加强学校层面在工程教育和实践能力方面的领导和资源整合作用［9-10］。

本文介绍在新工科背景下，基于各类学科竞赛和CDIO理念，建立全流程融入学科竞赛的课堂案例教学、课程设计、实训课程、学科竞赛培训课程的四级教学和实践体系，以及基于专业课程实验室、学院CIDO实验室、学校创新创业培训中心的三级实践平台，在有限资源情况下高效高质量的培养测控专业学生的创新精神、工程实践能力、团队合作能力。

一、四级教学和实践训练体系

充分利用现有的课程体系和教师资源，依托专业教师、学生团队和竞赛辅导团队三个队伍，建立阶梯式的课堂案例教学、课程设计、实训课程、学科竞赛培训课程的四级教学和实践训练体系。如图1，体系包括四个阶段。

第一阶段，依托现有课程体系和专业教师，教师将现有的各类学科竞赛的作品融入课堂教学。教师在课堂中以案例方式充分讲解学科竞赛作品的系統原理、功能以及基本参数。学生在课堂学习的同时，加强理论到实践的过程认知和初步了解系统的功能和制作流程。进一步，在课程的课内实验模块加入对学科竞赛作品的相关模块，并进行基本数据采集和参数调试或者进行仿真分析。这一阶段主要锻炼学生的初步创新认知和实践能力。

第二阶段，仍然依托现有课程体系和专业教师，教师将现有的各类学科竞赛的作品，融入实践教学过程中。教师将学科竞赛作品进行分解，并结合单独的综合课程设计课程、综合实验课程或者理论课程的大课程设计实现学生对学科竞赛作品整体原理的理解和掌握，以及系统方案设计，并实现分模块或者整体复现性制作。这一阶段主要锻炼学生的创新能力和实践能力、独立工作能力和团队协作意识。

第三阶段，依托现有竞赛辅导教师和专业教师，根据各类学科竞赛、企业和科研创新创业项目设立各种综合性项目，并融入独立实践课程、实训实习项目。教师根据赛题和项目的需求，给出从设计、制作、加工、仪器测试整个流程。结合具体学科竞赛规则、项目技术规范和资源分配和限制，学生将在实训课程中内了解系统的需求、完成系统设计仿真以及基础模块和系统的测试和验证工作，并分析各个系统的性能和进一步的优化工作。这一阶段主要锻炼学生解决实际问题的能力，训练学生的基本职业规划和职业技能。

第四阶段，依托现有竞赛辅导教师和学生竞赛团队，根据各类学科竞赛、企业和科研创新创业项目完成赛题和系统，并进行实物验证。竞赛辅导教师根据赛题和项目的需求，在创新创业课程或者第二课堂上进行基本的项目认知培训。学生竞赛团队在辅导教师的指导下，在双创课程课堂时间和课余时间完成整个系统的软硬件制作和调试，以及基本文档材料的准备。这一阶段主要锻炼压力环境下，学生解决系统问题的能力与团队协作能力。

二、三级实践训练平台

通过阶梯式的学习环境和资源升级，在大学四年实践训练中需要不断升级学生的实践学习环境和资源，从而维持学生的学习兴趣和提高实践能力。长沙理工大学测控专业通过建立三级实践训练平台，解决资源持续投入、扩大投入与资源不足之间的难题，如图2。

第一级实践平台为专业课程实验室。根据创新创业项目和学科竞赛题目，整合测控系相关实验室的实验设备和实验项目，建立开放性实验室，编写针对性的基础性实验指导书。相关实验室的建设资源主要来源于测控系主导的专业实验室以及专业教师组成的科研团队的科研实验室。

第二级实验平台为学院主导的CDIO实验班以及相应的实验平台。通过建立测控专业指导教师团队和学生团队加入学院主导的CDIO实验班，从而充分利用学院资源进行本科生的进一步项目指导和实物制作。在CDIO实验平台的建立阶段，测控专业团队通过主导对应比赛和项目的实验场地和实验设备的建设，为进一步提高学生的创新实践能力提供课程资源和设备的保障。

第三级实验平台为学校主导的各类重点学科竞赛的创新创业平台。通过加入学校的创新创业平台，整合校内和校外的创新创业资源，支持并指导学生进行专利培训和团队建设等创新创业训练以及进一步和企业进行合作，实现系统的优化和成果转化。

以大学生智能汽车竞赛为例，具体涉及的训练项目和实践平台如下。

第一阶段涉及的课程有电路、数字电路、模拟电路、测控电路、电路CAD、传感器原理、MATLAB、信号处理、无损检测、自动控制原理、虚拟仪器、机器视觉、过程控制系统，涉及的实践平台为专业课程实验室，而实训项目为基础电源电路、放大电路、信号调理电路、单片机的硬件电路、信号采集处理系统、自动控制算法、系统仿真和优化方法。

第二阶段涉及的课程有单片机原理、运动控制、微机原理、智能仪器仪表、嵌入式系统、网络化测控系统，涉及的实践平台专业课程实验室，而实训项目为各类智能小车的软硬件集成。

第三阶段涉及的课程为CDIO和学科竞赛培训课程，涉及的实践平台为学院主导的CDIO实验班以及相应的实验平台，而实训项目为各类智能小车的项目开发、软硬件制作和集成。

第四阶段涉及的课程为学校培训中心的创新创业课程，涉及的实践平台为学校主导的学科竞赛培训中心和创新创业中心，而实训项目为各类智能车和四轮机器人的项目创新创业培训，系统测试和评估。

三、效果评估

近4年，通过将学科竞赛和CDIO工程教育融合教学体系和建立各种实践平台，测控系学生95%参加了各类学科竞賽。大量学生在各类学科竞赛中获得省部级以上奖励，在大学生智能汽车竞赛、大学生方程式汽车大赛、大学生电子设计科技竞赛、大学生工程训练综合能力竞赛等重要学科竞赛中，荣获国家级、省部级奖。如表1，随着赛教融合和CDIO教学和实践的开展，学生的成绩逐步提高，对于成绩处于中等和偏下的学生通过赛教融合和CDIO实践平台，成绩有较大的提升。而成绩处于上游的学生实践能力获得了较大的提升，从2019年到2022年参与学科竞赛的学生在就业和考研上比例都有大幅的提升，而且获得比较高的认可度。

结语

在新工科理念指导下，本文基于赛教融合和CDIO对测控技术与仪器专业人才能力的培养模式和资源整合模型进行了探索和研究。其中四级教学训练体系主要为了解决赛教融合和CDIO工程教育在测控专业的组织问题和实施问题。大量的项目通过案例和实践题目的方式融入本科课程体系中，专业教师加入培养学生创新实践能力中，极大地丰富了课堂教学的案例和实践人力资源。同时，学生在课程教学中从低到高、从简单到复杂逐渐提高创新实践能力，既保证创新实践能力培养的高覆盖率，也提高了学生创新实践能力的质量。

三级实践训练平台主要用于在资源有限的情况下，整合资源建立实验室和实践平台。三级实践训练平台的建设充分发挥教师和学生的主动性，教师和学生共同争取实践资源和整合资源，既有效地克服教师为主建立实践平台的影响力不够、设备到位不及时、技术陈旧的难题，又提高了学生对实践平台的参与度和利用率，保证了技术和设备更新换代速率和先进性。从近几年的培养效果上来看，未来还需要进一步加强融合力度和实践平台的自主建设，从而提高学生创新实践能力培养的适应性和持续性。

参考文献

［1］余建星，纪颖，余杨，等.新工科人才培养的关键变革与创新实践：基于天津大学的分析［J］.国家教育行政学院学报，2020（3）：7.

［2］许斌，王晨妍.“新工科”建设与国际工程教育认证下的测控技术与仪器专业人才培养的改革［J］.教育现代化，2020，（61）：33-36.

［3］罗小燕，杜红霞，谈晓辉.基于新工科的测控专业创新人才培养模式初探［J］.高教学刊，2019（20）：4.

［4］桑海峰，邢燕好，张志佳，等.能力需求导向的测控专业迭代升级人才培养体系建设［J］.教育教学论坛，2020（46）：3.

［5］朱宏殷，于鑫，尤元，等.新工科下测控专业实践创新能力培养研究［J］.教育信息化论坛，2022，6（3）：3.

［6］张青春，付丽辉，李洪海，等.新工科背景下测控专业课程体系优化与改革［J］.亚太教育，2020（4）：2.

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［8］金涛，郑继红，王宁，等.面向新工科建设的“测控电路”课程教学改革分析［J］.上海理工大学学报（社会科学版），2022，44（1）：5.

［9］张建新，郭亮，刘燕娜，等.新工科背景下测控专业特色实验室构建［J］.实验技术与管理，2020，37（12）：5.

［10］李小锋，江浩，孙伟，等.基于CDIO的测控工程专业课程设计教学模式探索［J］.高教学刊，2020（7）：4.

Exploration on Talent Training Model of Measurement and Control Major from Perspectives of Competition-teaching Integration and CDIO

LIU Li， HU Hong-wei， YI Ke-fu

（Technology College of Automotive and Mechanical Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hunan 430100，China）

Abstract： With the development of intelligent manufacturing and robot industry， the measurement and control major in most colleges and universities of China will face the pressures from the lack of enrollment ability and the fact that the course content can not meet the demand of industrial development. Taking the measurement and control major of Changsha University of Science and Technology as the research subject， this paper gives the experience of reform and exploration from the aspects of competition-teaching integration and CDIO practice under the background of emerging engineering. The research results have certain experience and practical significance for the reform of innovative talent training model of the measurement and control major under the background of emerging engineering.

Key words： emerging engineering; measurement and control major; competition-teaching integration; practice platform; CDIO