柴天佑，中国工程院院士，东北大学教授。
摘 要：培养创新型工程科技人才是国内外高等工程教育面临的挑战。人工智能、移动互联网、云计算、大数据等技术的发展对创新型工程科技人才的培养提出了新的要求。本文结合自动化专业，探讨学科知识教学与科研实践活动相结合的创新型工程科技人才的培养模式，包括培养目标、课程体系、教学实验系统、教学方式、研究生培养模式与培养过程管理机制。
关键词：培养目标 研究生培养模式 跨学科合作研究 课程体系
一、引言
培养创新型工程科技人才是建设创新型国家、实施科教兴国战略和人才强国战略的关键之所在，意义重大。对此，中国工程院高度重视，于启动了“创新工程科技人才培养”重大咨询项目，分析了我国高等工程教育中存在的问题，如人才培养模式单一、缺乏多样性和适应性，工程性缺失和实践环节薄弱，重论文、轻设计、轻实践等，因此，提出人才培养要与世界科技发展和本国产业发展相结合[1]。发达国家（如美国）的工程教育出现工程教育被动跟随产业界需求的倾向，这是因为发达国家的前沿高技术一般都掌握在该国的一流企业之中。这些企业建立了强大的实验室和技术研发中心，从事未来需求的前沿高技术研发工作。企业为了保持市场竞争力，对技术是保密的，大学并不完全掌握前沿高技术。大学的主要任务是培养创新人才，培养学生的科研精神、创新能力和学术水平，大学教授主要从事的是以培养人才为目标的科研工作，企业培养学生从事技术创新的研发能力。以麻省理工学院（MIT）为代表的发达国家的工程教育回归工程实践的“大工程范式”以20世纪90年代维斯特与莫西斯的倡导为开端，主张工程教育回归工程实践，以服务于工程产业界的需求为导向[2]。MIT于8月启动了新工科改革的第一轮计划（-），即NEET计划，该计划以培养能够引领未来工程产业发展的工程技术人才为目标[3][4]。
而我国的现实情况与之完全不同。改革开放四十年以来，我国企业的技术创新能力显著提高。虽然一些高技术企业已经发展成为全球有影响的企业，但是大部分企业缺乏技术创新的研发能力和技术创新人才的培养能力。企业希望学校培养出来的人才不仅具有学术水平，而且具有技术创新的研发能力。根据我国国情，工程科技人才培养目标是既主动服务于工程产业界的需求又能够引领未来工程产业界发展，这就对我国高等院校工科创新人才的培养提出了新的挑战。
二、信息技术的发展对创新型工程科技人才培养提出新要求
随着移动互联网、云计算等信息技术的发展，美国国家科学基金会在提出信息技术的发展方向——Cyber-Physical Systems （CPS），CPS是计算资源与物理资源的紧密融合与协同，使得系统的适应性、自治力、效率、功能、可靠性、安全性和可用性远超今天的系统[5]。计算资源主要指自动化（建模、控制、优化）、计算机、通讯；物理资源主要是指CPS的研究对象所涉及的领域知识。研究目标是研制实现未来需求功能的系统。CPS是多学科交叉的产物。这就要求工程科技人才具有跨学科合作的研发能力。由于传统工程教育强调学生掌握工程科学知识，以学科为本位，围绕学科知识这一主体开展教学活动。另外，工程学科知识不断膨胀使工程知识复杂化，需要对学科知识进行细化，以学科的形式整合知识体系，这导致学科与学科之间的隔离进一步加深。例如，以控制理论为核心的自动化专业，从本科、硕士到博士要按控制理论的知识体系学习经典控制、现代控制理论、最优控制、自适应控制、鲁棒控制、非线性控制、随机控制等多门课程，掌握各种控制器设计方法，但缺乏如何从复杂实际被控对象建立动态模型、如何研制控制系统实现控制器设计方法和如何应用于实际被控对象的课程。培养的学生大部分只具备发表控制理论方面的文章的能力，缺乏研发实际控制系统的能力。由于美国等发达国家的高校一般不设立自动化专业，为了使各专业的学生掌握控制器设计方法，国外控制领域的教授开展了控制系统工程教育研究，集中在如何使各领域（机械、化工、冶金等）的工程师掌握控制理论[6]和如何配合控制理论课程建立实验系统[7]。由于国内大部分高校设有自动化专业，为了使毕业生具有解决复杂工程问题的能力，开展了课程体系和实验系统的研究[8]。但是，缺乏以培养具有CPS理念的自动化系统研发能力的创新性工程科技人员为目标的创新人才培养模式研究。人才培养模式不创新，培养出的毕业生只能被动服务于工程产业界。
为了培养能够引领未来工程产业界发展的创新型工程科技人才，必须使工程科技人员具有CPS的研发能力。美国于12月发布了《21世纪的信息物理系统教育》，系统地剖析了工程教育如何帮助未来的工程人员获取并建构CPS能力的途径及建议。因此建议在工程教育中增加CPS基础知识，包括控制原理（包括线性和非线性系统、随机系统、自适应控制、系统识别、混合控制）和动态系统的最优化和最优控制[9]。智能手机、IBM的同声传译系统、AlphaGo等智能技术系统是典型的CPS，是当今信息技术条件下的自动化系统。创造未来需求的新功能的系统已成为信息科学与技术的研究目标。CPS、大数据和人工智能技术的发展，促进制造企业走向智能制造、重大制造装备和工业过程的控制系统向智能自主控制系统方向发展、工业过程和制造企业的信息化管理系统向人机合作的智能优化决策系统和智能优化决策与控制一体化系统方向发展[10]。这对创新型自动化工程科技人才的培养提出了新的要求。
三、创新型自动化工程科技人才培养模式
为了培养既主动服务于工程产业对自动化系统的需求、又能够引领未来工程产业向智能制造方向发展的创新性自动化工程科技人才，首先要明确人才培养目标。这就要求深入了解国际工程科技的前沿发展方向和国家工程产业界对工程科技人才需求现状。结合信息技术的前沿发展方向和我国工程产业界对自动化系统和系统研发人才的需求，确定了当前创新型自动化工程科技人才的培养目标是培养具有创新性的自动化系统（控制、优化决策、复杂系统仿真与分析）设计与实现的系统研发人才和高性能自动化算法研发人才。实现上述人才培养目标必须充分发挥我国一流大学和一流学科的作用。国家在一些大学设立了国家重点实验室和国家工程技术研究中心，并设置了与企业合作的重大科研项目，鼓励大学的学术带头人从事技术创新的研发工作，各级政府与企业积极创造条件，促进大学的科研成果转化。这些举措为学术带头人从事技术创新的研发工作和技术创新人才的培养创造了有利条件，为工科大学的师生提供了从事技术研发工作的实践机会，也为我国高等工程教育发展成为创新前沿高技术、引领企业技术发展方向、培养创新型工程科技人才的一流高等工程教育创造了有利条件。实现上述人才培养目标需要将学科知识教学与科研实践活动相结合，培养工程科技人员跨学科合作研究能力和CPS的研发能力，这就需要从课程体系、授课内容、授课方式、教学实验系统研制、考核方式、研究课题选择、研究过程管理以及学生的学习能力和创新思维方式的培养模式方面进行创新。
1. 建立以CPS驱动的自动化系统为核心的课程体系。
我国由制造大国成为制造强国必然要走智能制造之路。智能制造的关键是实现制造流程智能化，这就需要将人工智能、移动互联网、云计算、大数据等技术与制造流程的控制系统、管理系统和制造流程的物理资源深度融合和协同。控制系统正在向智能自主控制系统的方向发展；管理与决策系统正在向智能优化决策系统和智能优化决策和控制一体化系统的方向发展。为了使自动化工程科技人才主动服务于工程产业对自动化系统的需求又能够引领未来工程产业的自动化系统发展方向，必须改变当前以控制理论为主线的课程体系。研究以建模、控制、优化为主线，以现代控制系统设计、优化决策系统设计、复杂工业过程仿真与分析系统设计为核心，并融入人工智能、移动互联网、云计算、大数据等技术基础的新的课程体系。
2. 研发配合新的课程体系的自动化教学实验系统。
为了使学生掌握以CPS驱动的自动化系统的研发能力，需要学科知识教学与科研实践活动相结合的自动化教学实验系统。为此，需要研究配合现代控制系统设计、优化决策系统设计、复杂工业过程仿真与分析系统设计的自动化教学实验系统。该实验系统应具有如下功能：教师可通过该实验系统演示教学内容，学生可通过该实验系统进行建模、控制、优化算法的实验研究和采用人工智能、移动互联网、云计算、大数据等技术提升自动化系统功能的实验研究。
3. 建立适合学生掌握的新的课程体系的教学方式。
新的课程体系以自动化系统设计为核心。自动化系统是多学科交叉的产物。为了使学生掌握自动化系统设计的基础知识，将会使一门课含有多门课的内容，例如：作为一门课的现代控制系统设计包括被控对象建模、控制器设计、计算机控制系统软硬件平台、实现控制器设计的控制软件等内容。这涉及到动态系统建模、现代控制理论、计算机控制系统和软件工程等课程，需要研究适合学生掌握的新的课程体系的教学方式，包括教学内容选择、讲授不同内容的教师团队组成、结合实验系统授课、学生的跨学科合作和团队精神培养、科学实验、答辩与书面考试相结合的学习成绩考核等。
4. 建立以培养创新性自动化工程科技人才为目标的研究生培养模式与培养过程管理机制。
全国大部分高校每年都招收大量的自动化专业硕士研究生。硕士研究生已成为我国工程产业自动化系统的工程师和研发人员的主要来源。由于研究生的培养主要靠导师，导师的水平不同导致培养出的研究生质量存在大的差异。存在的主要问题是：一类研究生只具有写论文的能力，缺乏工程实践能力；一类研究生只具备完成具体的工程项目能力，缺乏CPS研发能力。由于我国大部分企业缺乏技术创新的研发能力和技术创新人才的培养能力，工程科学硕士研究生的培养质量就直接关系到我国创新性工程科技人才的培养。因此，需要建立以培养创新性自动化工程科技人才为目标的研究生培养模式与过程管理机制，主要包括：
(1)建立以学生为中心，尊重学生的个体需求和职业兴趣，以具有创新性的自动化系统设计与实现的系统研发人才和高性能自动化算法研发人才为目标的研究生培养模式；
(2)发挥研究团队、国家重点实验和国家工程技术研究中心等研究基地在培养研究生中的作用，使研究生的培养质量不因导师不同而存在差异，包括科学精神培养、具有学术能力和研发能力的双导师配备、选题、开题、中期检查、系统研发和算法研发不同的学位论文考核机制；
(3)建立科学研究与教学深度融合，学科建设与人才培养深度融合的研究生培养机制。
四、创新型自动化工程科技人才培养模式的实践
创新型工程科技人才培养模式的研究必须和人才培养实践相结合，在实践中发现问题，不断对人才培养模式进行改进。为此，作者带领研究团队，依托国家重点实验室和“一体化过程控制创新引智基地”（111计划）科技平台，在学校的支持下，于创办了硕士研究生创新实验班。组建了从事课程体系和教学方式研究的教学改革团队和配合新的课程体系的自动化教学实验系统的研发团队。
由于国际知名高校（如美国高校）均未设立自动化专业，控制领域的教授主要是给其它工程专业（机械、化工、冶金等）的学生讲授控制理论，自动化系统技术掌握在该国家的高技术企业之中，因此普遍缺乏自动化系统设计与实现的教材。首先，我们充分发挥研究团队中的长江、杰青、优青、青年千人和“111”引智基地中的海外学者的作用，充分利用研究团队在自动化系统设计与研发上的工程经验提炼出研究生应该掌握的自动化系统设计与实现的专业基础知识。通过研讨建立了新的课程体系，确定了创新实验班的必修课程：现代控制系统设计、工业过程计算机控制系统设计、工业过程优化决策系统设计、数据驱动的智能建模和人工智能基础；确定了如下选修课程：为算法类研究生开设自适应控制、线性与非线性系统、优化与进化算法；为系统类研究生开设智能制造系统技术基础。结合新的课程体系，研发了欠驱动摆、双容水箱、多回路换热系统和半实物仿真实验系统作为教学实验系统。
硕士研究生创新实验班采用教师团队授课的方式。因为现代控制系统的设计和优化决策系统的设计含有多门课的内容，涉及到建模、控制和优化的理论和系统的实现技术，往往超出每一位教师的研究方向，为了提高教学质量，要求授课教师的授课内容与其研究方向一致，而且授课教师在该方向做出了科研成果，教学内容中增加了科学实验，考核方式中增加了答辩环节。
为了保证实验班毕业的研究生质量不随导师水平的不同而产生大的差异，我们采用研究团队所有成员参加的集体面试方式选拔实验班研究生。实验班研究生的科研选题、开题报告、中期检查、预答辩等均采取研究团队成员整体参加的方式。充分发挥国家重点实验室的科学研究优势，将创新实验班的研究生的科研活动、论文选题与国家重点实验室承担的重大科研项目和科学研究实验平台建设相结合，利用国家重点实验室所建设的工业过程决策与控制一体化实验平台、工业人工智能研究平台和工业无线传输与云平台等科学研究实验平台，指导研究生开展科学研究活动。制定了算法类研究生和系统类研究生不同的培养目标和考核方式，要求算法类研究生具备研发提高自动化系统性能与功能的算法的能力，研发的算法经实验验证有效并能在国内权威期刊发表论文，要求系统类研究生具备自动化系统的设计与研发能力，可显示研发的系统的功能并具备提交系统设计报告、申请发明专利和软件版权的能力。针对上述两类研究生组成两个考评小组分别考评，考评合格者方能进入论文答辩阶段。制定了指导两类研究生的指导教师的遴选条件，采用动态机制考评指导教师，考评不合格者暂停招生。设立了针对两类研究生的研究成果的奖励制度。为了提高人才培养质量，选择了具有博士学位的两名青年教师承担研究生创新实验班秘书工作，分别负责教学改革与研究生培养工作。
从建立硕士研究生创新实验班至今的两届毕业生情况来分析，上述创新人才培养模式是成功的。届创新实验班毕业生共40人，算法类研究生13人，发表国内外期刊论文11篇，其中IEEE汇刊论文2篇，《自动化学报》论文3篇。届创新实验班毕业生共31人，算法类研究生13人，发表期刊论文15篇，其中《自动化学报》论文8篇，《控制理论与应用》论文4篇。届毕业系统类研究生27人，毕业系统类研究生18人。系统类研究生取得的成果在实验室承担的重大自动化工程项目和科学研究实验平台建设中发挥了较大作用，先后7人参加全国大学生物联网技术与应用“三创大赛”获一等奖。 两届毕业生中，在实验室继续攻读博士研究生5人，赴国外攻读博士研究生1人，其余毕业生均进入科研院所和高技术公司工作。届毕业生平均年薪比届毕业生平均年薪提高40%以上。
通过近三年的研究生创新实验班的实践，研究生的培养质量明显提高，同时参加教学改革的研究团队成员在教学水平和人才培养方面的能力也有了显著提高。
五、结论
虽然创新型自动化工程科技人才培养模式研究与实践取得了一些成果，但建立符合国情、具有国际先进水平的创新型自动化工程科技人才培养模式任重而道远。这就需要不断探索建立科学研究与教学深度融合、学科建设与人才培养深度融合的培养创新人才的机制，从课程体系、教学实验系统研制、授课内容、教学方式、考核方式、研究课题选择、研究生培养模式与培养过程管理机制、师资队伍建设以及国际合作与交流等方面不断改革，才有可能使中国的创新型自动化工程科技人才培养水平处于国际先进。
参考文献
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