淺談控制類研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

電子信息工程學院　秦　剛　高　嵩

摘　要　培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高層次創(chuàng)造性人才是一個國家和民族創(chuàng)新能力的基礎。研究生教育是高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)的主要途，是高水平大學參與科技創(chuàng)新的寶貴資源，同時也是中國高等教育質量體系中相對薄弱的部分，是建設一流大學的瓶頸。中國大學人才培養(yǎng)方面的種種局限與問題，在研究生教育中有著更為突出的表現。研究生既不同于本科生主要依靠傳授方式獲取知識，又不同于一般科研人員主要依靠工作實踐，研究生主要通過系統(tǒng)專業(yè)知識學習和課題論文工作實踐，著重培養(yǎng)獨立獲取知識和分析問題的能力，以及獨立進行科學研究的能力。目前高校研究生普遍存在著知識面窄、創(chuàng)新意識薄弱和缺乏實踐能力等問題，在面對越來越激烈的就業(yè)競爭時，缺乏特色和競爭力。如何突出專業(yè)特色，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力，從而提升學生的就業(yè)能力，就成為當前要探索的重要課題。文中通過總結我院控制類專業(yè)研究生參加智能車及電腦鼠等全國性的科技競賽的經驗及體會來分析如何培養(yǎng)控制類研究生的實踐創(chuàng)新能力。

關鍵詞　控制；研究生；創(chuàng)新實踐；智能車；電腦鼠

一、研究生各類科技競賽的獨特魅力

研究生各類科技競賽是培養(yǎng)以創(chuàng)新思維為主要內容的綜合素質的有效方法，自舉辦之日起就得到了全國大部分高校的積極響應，成為研究生創(chuàng)新計劃項目的內容之一。實踐證明，各種學科競賽是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和提升就業(yè)能力的一個有效的手段和途徑。

智能車、電腦鼠等競賽是控制專業(yè)中實踐性較強的科技競賽，課題的提出很有時代意義，對老師和學生來說是既陌生又熟悉。在整個競賽的過程中，既有酸甜苦辣，又充滿樂趣；既有成功，也有失敗。但所有參與這項活動的老師和學生都無怨無悔，這也許就是智能車、電腦鼠等競賽獨特的魅力。

1.關于“飛思卡爾”智能車

受教育部高等教育司委托，高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會負責主辦全國大學生智能車競賽。該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一。比賽規(guī)定參賽選手使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾16位控制器MC9S12XS128作為核心控制單元，自主構思傳感器信號采集處理、動力電機驅動以及轉向舵機控制等，完成智能車工程制作及調試，于指定日期與地點參加場地比賽。參賽隊伍之名次（成績）由賽車現場成功完成賽道比賽時間為主，技術方案及制作工程質量評分為輔來決定，“采用統(tǒng)一提供的車模及規(guī)定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12XS128芯片作為唯一控制處理器，車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm寬和400mm長，高度無限制，跑道寬度不小于500mm，跑道表面為白色，中心有電磁線（100mA 20kHZ的交變電流）作為引導線。“飛思卡爾杯”智能車大賽^［1］起源于韓國，是韓國漢陽大學汽車控制實驗室在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCSl2單片機為核心的大學生課外科技競賽。組委會提供一個標準的汽車模型、直流電機和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路徑的智能車，在專門設計的跑道上自動識別道路行駛，最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術報告評分較高，就是獲勝者。其設計內容涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、汽車電子、電氣、計算機、機械、能源等多個學科的知識，對學生知識融合和實踐動手能力的培養(yǎng)，具有良好的推動作用。

該競賽以飛思卡爾半導體公司為協辦方，自2006年以來，已成功舉辦了五屆，得到了教育部及理工處領導、飛思卡爾公司領導與各高校師生的高度評價，已發(fā)展成全國30個省市自治區(qū)200余所高校廣泛參與的全國大學生電子科技實踐能力競賽。2008年第三屆全國大學生智能汽車競賽被教育部批準列入國家教學質量與教學改革工程資助項目中9個科技人文競賽之一，2009年被邀申請列入國家教學質量與教學改革工程資助項目^［1］。

2.關于電腦鼠

“電腦鼠^［2］”，英文名稱Micro mouse，是使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構成的一種智能行走裝置，電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，采用相應的算法，快速地達到所設定的目的地。

真正的首場電腦鼠迷宮競賽于1979年在紐約舉行。1991年以來，每年都有世界級的比賽。2009年由中國計算機學會嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會主辦了“2009全國電腦鼠走迷宮競賽”，共有全國9個賽區(qū)54所高校的140支參賽隊報名參賽，為了使該項賽事水平能達到國際水平，計算機學會計劃定期舉辦亞太地區(qū)的競賽，以吸引亞洲諸國的強手參加。

電腦鼠競賽的規(guī)則采用國際流行的“IEEE標準電腦鼠走迷宮競賽規(guī)則”，并結合國內賽事情況加以說明。全國先以省為單位進行賽區(qū)比賽，各賽區(qū)的一等獎獲得者參加在北京舉行的總決賽。據悉，中國計算機學會有意將該項賽事進一步擴大，并爭取獲得教育部的支持，在全國高校推廣。

電腦鼠是一種具有人工智能的小型機器人，依照新制的比賽規(guī)則，當電腦鼠放入起點，按下啟動鍵之后，它就必須自行決定搜尋法則并且在迷宮中前進、轉彎、記憶迷宮墻壁資料、計算最短路徑、搜尋終點等功能。電腦鼠更結合了機械、電機、電子、控制、光學、程序設計和人工智能等多方面的科技知識。

電腦鼠是具有機電知識整合的基本架構，本身是一個智能的機器人。要在指定的迷宮中比賽，就像是一個人置身于賽場中，必須要靠本身的判斷力、敏捷動作及正確探查周邊環(huán)境，來完成相應的動作從而贏得比賽。一般來說，電腦鼠需具備有下列三件基本能力：①穩(wěn)定且快速的行走能力；②正確判斷路徑的能力；③記憶路徑的能力。行走能力指的就是電機的控制驅動能力，當電機收到訊號時，系統(tǒng)必須判斷是否能同步行走，遇到轉角時，轉彎的角度是否得當，一個好的電機驅動程序，可以減少行走時所需要做的校正時間。判斷能力的關鍵就在于傳感器，它的地位如同人類的雙眼，一個好的傳感器驅動程序，可避免一些不必要的錯誤動作，如撞壁、行走路線的偏移等等。而記憶能力就像是大腦，它的功能并沒有因為看不見而遭到忽視，相反地，它的地位在整場比賽中是最重要的，他必須把所走過的路都能一一記下來，并將其資料送給系統(tǒng)，讓系統(tǒng)整理出最佳路徑以避開不必要的路段^［2］。

二、開展智能車、電腦鼠等科技競賽對參賽學生的意義

學習任何知識的最終目的都是要應用到實際中去，服務社會，控制科學也是如此，不能把控制科學的教學與外部世界完全隔離開來。本質上控制類研究生的教育就是一種素質教育，不能關起門來在它的概念、方法和理論中打圈子，處于自我封閉狀態(tài)，以致學生在學了許多據說是非常重要、十分有用的專業(yè)知識以后，卻不怎么會應用或無法應用。智能車、電腦鼠競賽要求學生必須有開放性的思維和創(chuàng)新精神，利用自己已有的知識，新穎、獨特地提出問題，做出合理的假設，巧妙、有效地解決問題，并由此產生有價值的新思想、新方法、新成果。通過這樣的競賽過程，學生的創(chuàng)新能力必然得到提高。

1.有利于培養(yǎng)學生的想象力和自學能力

課題具有很強的實用性，涉及面廣，超出學生所學的專業(yè)知識范圍。通過競賽，可以激發(fā)學生的好奇心，挖掘學習潛能，培養(yǎng)學生學習其他專業(yè)知識的興趣。由于時間有限，必須要學會在有限的時間內，提取各種有用的信息，如學術著作、科技書刊、檢索數據庫，以及互聯網上的信息資料，通過自學加以消化、理解，并要準確地表達和應用在模型中。培養(yǎng)學生的創(chuàng)造意識要在學習中倡導發(fā)現，讓學習者始終處于探索刻意求新及力求完美的精神狀態(tài)之下?？梢哉f，通過這一個競賽訓練環(huán)節(jié)，大大地提高了學生自學的能力，培養(yǎng)了他們的自學能力和自學習慣，使之掌握一種可以終身獲取知識的方法，為控制類研究生將來撰寫專業(yè)學術論文、參加、帶領科研工作項目和走出校門之后更好地服務社會奠定了基礎。

2.有利于強化學生的計算機知識和經驗

現代信息科學的迅速發(fā)展很大程度上依賴計算機技術在各個領域的應用，尤其是控制類專業(yè)，在控制類的工程系統(tǒng)中，離開了微機控制，各種工程就失去了它存在的意義，可以說，微機控制是控制類專業(yè)的靈魂。但是從目前高等院校的計算機課程尤其是研究生的課程設置上來看，學生的計算機學習局限于計算機操作和語言的學習，很少有機會把計算機的應用與解決實際問題聯系起來。而在實際競賽中，由于競賽問題涉及到大量的運算和算法，學生只有熟練地掌握各種計算機軟件才能取得好的成績。在培訓和競賽的過程中，學生可以快速地提高其自身計算機應用水平，能在很短的時間內熟練使用軟件、設計算法、分析結果，且能通過實驗觀察、聯想、類比，去發(fā)現解決問題的線索，探討規(guī)律性的結果。同時，學生對如何應用計算機解決具體實際問題，有了基本的經驗和認識，對其今后如何學習、學習哪些計算機知識有了方向性的引導。

3.有利于培養(yǎng)學生的團隊精神、協作意識

現代科學技術呈現相互滲透、突飛猛進的發(fā)展趨勢，單靠個人的力量已很難在研究領域取得突破。只有集結多學科、多專業(yè)的人才組成團隊才能獲得成功。當今科學的發(fā)展也使得一個人沒有足夠的精力去通曉每一門學科。為完成一個科研項目，需要多個具有不同知識結構的人分工協作。因此，每個人的團隊精神和協作意識對項目的成功是至關重要的。

在參賽過程中，遇到難題時，需要集合全隊的力量共同攻克，小組成員必須良好地配合才能完成共同的任務。在長期的訓練和磨合過程中，彼此能清楚各自的強項和弱項，在比賽中，合理地分配任務和分工，充分發(fā)揮團隊的集體智慧和創(chuàng)造力，而這種團隊協作精神的培養(yǎng)，對控制類研究生將來從事科學研究或實際應用工作，必將打下良好的基礎。

4.強化理論與實踐結合，拓寬知識面

學以致用是學習的目標，它不能僅停留在口頭上。許多學生在該環(huán)節(jié)上相當薄弱，在就業(yè)中屢受挫折。教材中的知識與技術，往往要通過大量實踐后才能更深入地理解和掌握，從理論到實踐有一個相當長的探索過程，也是一種學習方法的思維方式轉變過程。常見許多學習成績優(yōu)異的學生動手能力卻非常不夠，控制類研究生不會基本的電工操作司空見慣，這就是眾所周知的“高分低能”現象。智能車與電腦鼠的賽題知識點涵蓋電氣信息類所有專業(yè)尤其是控制專業(yè)，以競賽為契機使大學生從教材中走出來，動手設計并制作電路對教材內容以驗證，然后在此基礎上提高，學習新技術，接觸新器件，從而增強了對書本概念的理解。只有學以致用，才能夠活學活用，從而不斷拓寬知識面。分析歷屆競賽題目，可以發(fā)現賽題大同小異，而對常規(guī)器件的靈活應用和快速掌握新器件的使用提出了更高的要求。就業(yè)單位在聘用大學畢業(yè)生時也偏重于從這些方面進行考察?？刂祁悓I(yè)實踐教學環(huán)節(jié)的發(fā)展總是落后于科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的實踐教學的實施多采用“填鴨式”的教學模式，表現為實踐教學中指導過于詳盡，未給學生提供任何思考空間，導致實踐教學過程變成了簡單的模仿。競賽要求改革實踐教學環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)方法，把最新的開發(fā)工具和應用技術引入到實踐教學中。它可以提高參賽學生對新技術的掌握能力，通過大賽和相關學科競賽的鍛煉，學生對新知識的選擇性和靈活能力得到加強，這種能力在今后的就業(yè)中有著很大的優(yōu)越性^［2－^6］。

三、競賽對控制類研究生教育教學的改革

隨著智能車、電腦鼠等競賽的發(fā)展壯大，越來越多的學者和專家都認識到這種課外競賽為現代控制專業(yè)的素質教育提供了強大的支撐，如果能把競賽思想融入教學改革，必將對我國高等教育的發(fā)展起到積極的作用和深遠的影響。

1.改變傳統(tǒng)教學內容，彰顯現代控制理論專業(yè)作用地位

現代控制理論科學的一個重要特征和發(fā)展趨勢，是將控制領域內部各分支學科以及數學應用領域的高度發(fā)展和相互之間在內容、概念及方法上的不斷交叉和融合，充分顯示出控制科學與各類學科是一個密不可分的整體。

2.創(chuàng)新教學理念與教學方法

我們面對的是一代有思想、有個性、有見識的研究生，傳統(tǒng)的教學方法在這里已經很難起到作用?？刂祁愌芯可碌慕虒W方法應該是加強引導、強調方法、突出重點、聯系實際、注意應用，逐步培養(yǎng)學生用創(chuàng)新思維去發(fā)現問題和解決問題，提倡創(chuàng)造性思維方式；積極開展探討與參與式教學，即根據教學設計的教學內容采用學生分組討論和匯報的方式，讓研究生真正參與到教學過程中，提出自己的看法和觀點，進行分析和解答，還要接受其他同學的提問和質疑，在接受挑戰(zhàn)的同時也體會到學習的快樂，提高了自身的專業(yè)素質，實現超越自我的夢想。

3.推動實驗室建設

高校實踐教學環(huán)節(jié)的開展程度多受制于實驗室的建設水平，尤其是控制類專業(yè)，離開了實驗或者實踐環(huán)節(jié)，學生學習的專業(yè)知識無異于“紙上談兵”，而這種短板對控制類研究生得影響無疑是巨大的。由于與課程配套的實踐環(huán)節(jié)主要集中于驗證性實驗，對實驗儀器的要求較低，使用到的儀器多為傳統(tǒng)的電壓表、信號源和示波器。各類競賽的培訓效果和競賽取得優(yōu)異成績與否很大程度上決定于實驗室硬件資源的應變能力和適應能力。競賽各種題目的要求和靈活性逐屆提高，但比賽用時并沒有相應增加，在競賽過程中，先進的儀器設備和高自動化程度的實驗平臺可以為競賽贏得更多的時間。這就要求參賽院校每屆競賽后，在實驗室軟硬件資源的投入要相應加大，以滿足下一屆競賽中的更高要求。隨著競賽的連續(xù)舉辦，實驗設備不斷升級，推動了實驗室建設，同時也有利于同類型的學科競賽和科技活動的展開。另外，競賽的宗旨是培養(yǎng)創(chuàng)新人才，競賽獲獎并非是唯一目標，我們要投入更多時間和精力到競賽的前期培訓中，吸引更多的優(yōu)秀學生加入到對科學技術的探索與創(chuàng)新中，也促進實踐教學環(huán)節(jié)的不斷深入。先進的實驗室資源，為我們控制類研究生將來投入社會、服務社會提供了硬件保障^［2－^6］。

四、實踐效果

我校研究生參賽成績優(yōu)異，在指導老師的精心點撥下，我院參賽學生在“飛思卡爾杯”智能車大賽第二屆比賽中獲得西南賽區(qū)二等獎，第二屆比賽中獲得華北賽區(qū)三等獎，在第四屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽全國總決賽中，我院“工大幻影”隊，獲得全國總決賽二等獎。第五屆“飛思卡爾”杯智能汽車競賽中，我院“幻影一隊”，獲得了西部賽區(qū)電磁組一等獎的優(yōu)異成績，并入選國家賽名單。2010年8月，我校代表隊在實驗室經過半個月的時間調整與改進以后，奔赴在杭州電子科技大學舉辦的全國賽，與來自全國各賽區(qū)的150多個隊伍進行了激烈的角逐，獲得全國二等獎。

由中國計算機學會主辦，中國計算機學會嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會、陜西省計算機學會承辦的“2010全國電腦鼠走迷宮競賽”西北賽區(qū)比賽中，參賽隊員不負眾望，最終獲得了一個一等獎、一個二等獎、兩個優(yōu)秀獎的優(yōu)異成績。一等獎代表隊獲得了參加決賽的資格，在隨后的北京決賽中獲得國家三等獎。

在整個參賽過程中，我校學生發(fā)揚了我校敦德勵學，知行相長的校訓以及忠誠進取，精工博藝的辦學傳統(tǒng)，在注重工程實踐，突出制造技術的辦學理念下，我們將理論聯系實際，將從課本上學到的控制理論的專業(yè)知識應用到控制工程領域的實踐中，深化了學生對控制工程專業(yè)的認識，為我校其他專業(yè)研究生的培養(yǎng)工作提供了參考，從而在一定程度上促進了我校的研究生教育的改革與發(fā)展。

五、結語

競賽可以促進創(chuàng)新素質教育以及激發(fā)學生創(chuàng)新能力，參加競賽對學生而言，就是一種研究性、探索性的學習過程，它可充分調動學生自主學習的熱情，使其主動探索并解決問題，這是對傳統(tǒng)教學理念的一種改革與嘗試。應當指出，競賽不僅是一個信息競賽平臺，同時也是一個很好的教育平臺，通過該平臺，拓展了學生的視野，激發(fā)并促進了我們在研究生人才培養(yǎng)和創(chuàng)新教育方面的思考和探索。堅持以人為本、構建和諧氛圍是我們組織、指導研究生參加競賽工作的重要原則和主要經驗。

創(chuàng)新教育是一個大的系統(tǒng)工程，需要各部門、各方面、系統(tǒng)而全面地考慮和協調，我們只是從學科競賽入手，總結了近幾年我校學生在智能車與電腦鼠等全國性競賽的工作和學習的經驗體會。如何培養(yǎng)出有較強工程實踐能力和創(chuàng)新意識的研究生，這是一個需要重點研討的問題，只有這樣，我們培養(yǎng)的學生才能有足夠的能力和信心來面對未來社會的挑戰(zhàn)。

參考文獻：

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