浅谈控制类研究生创新能力培养

浅谈控制类研究生创新能力培养

电子信息工程学院　秦　刚　高　嵩

摘　要　培养具有创新能力的高层次创造性人才是一个国家和民族创新能力的基础。研究生教育是高层次创新人才培养的主要途，是高水平大学参与科技创新的宝贵资源，同时也是中国高等教育质量体系中相对薄弱的部分，是建设一流大学的瓶颈。中国大学人才培养方面的种种局限与问题，在研究生教育中有着更为突出的表现。研究生既不同于本科生主要依靠传授方式获取知识，又不同于一般科研人员主要依靠工作实践，研究生主要通过系统专业知识学习和课题论文工作实践，着重培养独立获取知识和分析问题的能力，以及独立进行科学研究的能力。目前高校研究生普遍存在着知识面窄、创新意识薄弱和缺乏实践能力等问题，在面对越来越激烈的就业竞争时，缺乏特色和竞争力。如何突出专业特色，培养创新精神和实践能力，从而提升学生的就业能力，就成为当前要探索的重要课题。文中通过总结我院控制类专业研究生参加智能车及电脑鼠等全国性的科技竞赛的经验及体会来分析如何培养控制类研究生的实践创新能力。

关键词　控制；研究生；创新实践；智能车；电脑鼠

一、研究生各类科技竞赛的独特魅力

研究生各类科技竞赛是培养以创新思维为主要内容的综合素质的有效方法，自举办之日起就得到了全国大部分高校的积极响应，成为研究生创新计划项目的内容之一。实践证明，各种学科竞赛是培养学生创新能力和提升就业能力的一个有效的手段和途径。

智能车、电脑鼠等竞赛是控制专业中实践性较强的科技竞赛，课题的提出很有时代意义，对老师和学生来说是既陌生又熟悉。在整个竞赛的过程中，既有酸甜苦辣，又充满乐趣；既有成功，也有失败。但所有参与这项活动的老师和学生都无怨无悔，这也许就是智能车、电脑鼠等竞赛独特的魅力。

1.关于“飞思卡尔”智能车

受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导分委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。比赛规定参赛选手使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16位控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，自主构思传感器信号采集处理、动力电机驱动以及转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定，“采用统一提供的车模及规定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128芯片作为唯一控制处理器，车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm宽和400mm长，高度无限制，跑道宽度不小于500mm，跑道表面为白色，中心有电磁线（100mA 20kHZ的交变电流）作为引导线。“飞思卡尔杯”智能车大赛^［1］起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，就是获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。

该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，自2006年以来，已成功举办了五届，得到了教育部及理工处领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区200余所高校广泛参与的全国大学生电子科技实践能力竞赛。2008年第三届全国大学生智能汽车竞赛被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一，2009年被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目^［1］。

2.关于电脑鼠

“电脑鼠^［2］”，英文名称Micro mouse，是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置，电脑鼠可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地达到所设定的目的地。

真正的首场电脑鼠迷宫竞赛于1979年在纽约举行。1991年以来，每年都有世界级的比赛。2009年由中国计算机学会嵌入式系统专业委员会主办了“2009全国电脑鼠走迷宫竞赛”，共有全国9个赛区54所高校的140支参赛队报名参赛，为了使该项赛事水平能达到国际水平，计算机学会计划定期举办亚太地区的竞赛，以吸引亚洲诸国的强手参加。

电脑鼠竞赛的规则采用国际流行的“IEEE标准电脑鼠走迷宫竞赛规则”，并结合国内赛事情况加以说明。全国先以省为单位进行赛区比赛，各赛区的一等奖获得者参加在北京举行的总决赛。据悉，中国计算机学会有意将该项赛事进一步扩大，并争取获得教育部的支持，在全国高校推广。

电脑鼠是一种具有人工智能的小型机器人，依照新制的比赛规则，当电脑鼠放入起点，按下启动键之后，它就必须自行决定搜寻法则并且在迷宫中前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径、搜寻终点等功能。电脑鼠更结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技知识。

电脑鼠是具有机电知识整合的基本架构，本身是一个智能的机器人。要在指定的迷宫中比赛，就像是一个人置身于赛场中，必须要靠本身的判断力、敏捷动作及正确探查周边环境，来完成相应的动作从而赢得比赛。一般来说，电脑鼠需具备有下列三件基本能力：①稳定且快速的行走能力；②正确判断路径的能力；③记忆路径的能力。行走能力指的就是电机的控制驱动能力，当电机收到讯号时，系统必须判断是否能同步行走，遇到转角时，转弯的角度是否得当，一个好的电机驱动程序，可以减少行走时所需要做的校正时间。判断能力的关键就在于传感器，它的地位如同人类的双眼，一个好的传感器驱动程序，可避免一些不必要的错误动作，如撞壁、行走路线的偏移等等。而记忆能力就像是大脑，它的功能并没有因为看不见而遭到忽视，相反地，它的地位在整场比赛中是最重要的，他必须把所走过的路都能一一记下来，并将其资料送给系统，让系统整理出最佳路径以避开不必要的路段^［2］。

二、开展智能车、电脑鼠等科技竞赛对参赛学生的意义

学习任何知识的最终目的都是要应用到实际中去，服务社会，控制科学也是如此，不能把控制科学的教学与外部世界完全隔离开来。本质上控制类研究生的教育就是一种素质教育，不能关起门来在它的概念、方法和理论中打圈子，处于自我封闭状态，以致学生在学了许多据说是非常重要、十分有用的专业知识以后，却不怎么会应用或无法应用。智能车、电脑鼠竞赛要求学生必须有开放性的思维和创新精神，利用自己已有的知识，新颖、独特地提出问题，做出合理的假设，巧妙、有效地解决问题，并由此产生有价值的新思想、新方法、新成果。通过这样的竞赛过程，学生的创新能力必然得到提高。

1.有利于培养学生的想象力和自学能力

课题具有很强的实用性，涉及面广，超出学生所学的专业知识范围。通过竞赛，可以激发学生的好奇心，挖掘学习潜能，培养学生学习其他专业知识的兴趣。由于时间有限，必须要学会在有限的时间内，提取各种有用的信息，如学术著作、科技书刊、检索数据库，以及互联网上的信息资料，通过自学加以消化、理解，并要准确地表达和应用在模型中。培养学生的创造意识要在学习中倡导发现，让学习者始终处于探索刻意求新及力求完美的精神状态之下。可以说，通过这一个竞赛训练环节，大大地提高了学生自学的能力，培养了他们的自学能力和自学习惯，使之掌握一种可以终身获取知识的方法，为控制类研究生将来撰写专业学术论文、参加、带领科研工作项目和走出校门之后更好地服务社会奠定了基础。

2.有利于强化学生的计算机知识和经验

现代信息科学的迅速发展很大程度上依赖计算机技术在各个领域的应用，尤其是控制类专业，在控制类的工程系统中，离开了微机控制，各种工程就失去了它存在的意义，可以说，微机控制是控制类专业的灵魂。但是从目前高等院校的计算机课程尤其是研究生的课程设置上来看，学生的计算机学习局限于计算机操作和语言的学习，很少有机会把计算机的应用与解决实际问题联系起来。而在实际竞赛中，由于竞赛问题涉及到大量的运算和算法，学生只有熟练地掌握各种计算机软件才能取得好的成绩。在培训和竞赛的过程中，学生可以快速地提高其自身计算机应用水平，能在很短的时间内熟练使用软件、设计算法、分析结果，且能通过实验观察、联想、类比，去发现解决问题的线索，探讨规律性的结果。同时，学生对如何应用计算机解决具体实际问题，有了基本的经验和认识，对其今后如何学习、学习哪些计算机知识有了方向性的引导。

3.有利于培养学生的团队精神、协作意识

现代科学技术呈现相互渗透、突飞猛进的发展趋势，单靠个人的力量已很难在研究领域取得突破。只有集结多学科、多专业的人才组成团队才能获得成功。当今科学的发展也使得一个人没有足够的精力去通晓每一门学科。为完成一个科研项目，需要多个具有不同知识结构的人分工协作。因此，每个人的团队精神和协作意识对项目的成功是至关重要的。

在参赛过程中，遇到难题时，需要集合全队的力量共同攻克，小组成员必须良好地配合才能完成共同的任务。在长期的训练和磨合过程中，彼此能清楚各自的强项和弱项，在比赛中，合理地分配任务和分工，充分发挥团队的集体智慧和创造力，而这种团队协作精神的培养，对控制类研究生将来从事科学研究或实际应用工作，必将打下良好的基础。

4.强化理论与实践结合，拓宽知识面

学以致用是学习的目标，它不能仅停留在口头上。许多学生在该环节上相当薄弱，在就业中屡受挫折。教材中的知识与技术，往往要通过大量实践后才能更深入地理解和掌握，从理论到实践有一个相当长的探索过程，也是一种学习方法的思维方式转变过程。常见许多学习成绩优异的学生动手能力却非常不够，控制类研究生不会基本的电工操作司空见惯，这就是众所周知的“高分低能”现象。智能车与电脑鼠的赛题知识点涵盖电气信息类所有专业尤其是控制专业，以竞赛为契机使大学生从教材中走出来，动手设计并制作电路对教材内容以验证，然后在此基础上提高，学习新技术，接触新器件，从而增强了对书本概念的理解。只有学以致用，才能够活学活用，从而不断拓宽知识面。分析历届竞赛题目，可以发现赛题大同小异，而对常规器件的灵活应用和快速掌握新器件的使用提出了更高的要求。就业单位在聘用大学毕业生时也偏重于从这些方面进行考察。控制类专业实践教学环节的发展总是落后于科学技术的发展，传统的实践教学的实施多采用“填鸭式”的教学模式，表现为实践教学中指导过于详尽，未给学生提供任何思考空间，导致实践教学过程变成了简单的模仿。竞赛要求改革实践教学环节的传统方法，把最新的开发工具和应用技术引入到实践教学中。它可以提高参赛学生对新技术的掌握能力，通过大赛和相关学科竞赛的锻炼，学生对新知识的选择性和灵活能力得到加强，这种能力在今后的就业中有着很大的优越性^［2－^6］。

三、竞赛对控制类研究生教育教学的改革

随着智能车、电脑鼠等竞赛的发展壮大，越来越多的学者和专家都认识到这种课外竞赛为现代控制专业的素质教育提供了强大的支撑，如果能把竞赛思想融入教学改革，必将对我国高等教育的发展起到积极的作用和深远的影响。

1.改变传统教学内容，彰显现代控制理论专业作用地位

现代控制理论科学的一个重要特征和发展趋势，是将控制领域内部各分支学科以及数学应用领域的高度发展和相互之间在内容、概念及方法上的不断交叉和融合，充分显示出控制科学与各类学科是一个密不可分的整体。

2.创新教学理念与教学方法

我们面对的是一代有思想、有个性、有见识的研究生，传统的教学方法在这里已经很难起到作用。控制类研究生新的教学方法应该是加强引导、强调方法、突出重点、联系实际、注意应用，逐步培养学生用创新思维去发现问题和解决问题，提倡创造性思维方式；积极开展探讨与参与式教学，即根据教学设计的教学内容采用学生分组讨论和汇报的方式，让研究生真正参与到教学过程中，提出自己的看法和观点，进行分析和解答，还要接受其他同学的提问和质疑，在接受挑战的同时也体会到学习的快乐，提高了自身的专业素质，实现超越自我的梦想。

3.推动实验室建设

高校实践教学环节的开展程度多受制于实验室的建设水平，尤其是控制类专业，离开了实验或者实践环节，学生学习的专业知识无异于“纸上谈兵”，而这种短板对控制类研究生得影响无疑是巨大的。由于与课程配套的实践环节主要集中于验证性实验，对实验仪器的要求较低，使用到的仪器多为传统的电压表、信号源和示波器。各类竞赛的培训效果和竞赛取得优异成绩与否很大程度上决定于实验室硬件资源的应变能力和适应能力。竞赛各种题目的要求和灵活性逐届提高，但比赛用时并没有相应增加，在竞赛过程中，先进的仪器设备和高自动化程度的实验平台可以为竞赛赢得更多的时间。这就要求参赛院校每届竞赛后，在实验室软硬件资源的投入要相应加大，以满足下一届竞赛中的更高要求。随着竞赛的连续举办，实验设备不断升级，推动了实验室建设，同时也有利于同类型的学科竞赛和科技活动的展开。另外，竞赛的宗旨是培养创新人才，竞赛获奖并非是唯一目标，我们要投入更多时间和精力到竞赛的前期培训中，吸引更多的优秀学生加入到对科学技术的探索与创新中，也促进实践教学环节的不断深入。先进的实验室资源，为我们控制类研究生将来投入社会、服务社会提供了硬件保障^［2－^6］。

四、实践效果

我校研究生参赛成绩优异，在指导老师的精心点拨下，我院参赛学生在“飞思卡尔杯”智能车大赛第二届比赛中获得西南赛区二等奖，第二届比赛中获得华北赛区三等奖，在第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛全国总决赛中，我院“工大幻影”队，获得全国总决赛二等奖。第五届“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛中，我院“幻影一队”，获得了西部赛区电磁组一等奖的优异成绩，并入选国家赛名单。2010年8月，我校代表队在实验室经过半个月的时间调整与改进以后，奔赴在杭州电子科技大学举办的全国赛，与来自全国各赛区的150多个队伍进行了激烈的角逐，获得全国二等奖。

由中国计算机学会主办，中国计算机学会嵌入式系统专业委员会、陕西省计算机学会承办的“2010全国电脑鼠走迷宫竞赛”西北赛区比赛中，参赛队员不负众望，最终获得了一个一等奖、一个二等奖、两个优秀奖的优异成绩。一等奖代表队获得了参加决赛的资格，在随后的北京决赛中获得国家三等奖。

在整个参赛过程中，我校学生发扬了我校敦德励学，知行相长的校训以及忠诚进取，精工博艺的办学传统，在注重工程实践，突出制造技术的办学理念下，我们将理论联系实际，将从课本上学到的控制理论的专业知识应用到控制工程领域的实践中，深化了学生对控制工程专业的认识，为我校其他专业研究生的培养工作提供了参考，从而在一定程度上促进了我校的研究生教育的改革与发展。

五、结语

竞赛可以促进创新素质教育以及激发学生创新能力，参加竞赛对学生而言，就是一种研究性、探索性的学习过程，它可充分调动学生自主学习的热情，使其主动探索并解决问题，这是对传统教学理念的一种改革与尝试。应当指出，竞赛不仅是一个信息竞赛平台，同时也是一个很好的教育平台，通过该平台，拓展了学生的视野，激发并促进了我们在研究生人才培养和创新教育方面的思考和探索。坚持以人为本、构建和谐氛围是我们组织、指导研究生参加竞赛工作的重要原则和主要经验。

创新教育是一个大的系统工程，需要各部门、各方面、系统而全面地考虑和协调，我们只是从学科竞赛入手，总结了近几年我校学生在智能车与电脑鼠等全国性竞赛的工作和学习的经验体会。如何培养出有较强工程实践能力和创新意识的研究生，这是一个需要重点研讨的问题，只有这样，我们培养的学生才能有足够的能力和信心来面对未来社会的挑战。

参考文献：

［1］　陈凯，刘界，代伟.第五届“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛“幻影”队技术报告［R］.西安：西安工业大学，2010.

［2］　方金亮，谈英姿，周怡君.基于ARM的IEEE标准电脑鼠研究与实现［J］.机械制造与自动化，2008，37（5）：99.

［3］　王爱华.从大学生电子设计竞赛谈实验教学改革［J］.知识经济，2009（16）：164.

［4］　沈建新.研究生创新能力现状分析和对策［J］.南京航空航天大学学报：社会科学版，2009，11（3）：79.

［5］　姚有峰.从电子设计竞赛谈实践教学改革与创新能力培养［J］.实验室研究与探，2009，28（9）：141.

［6］　韦文祥.由大学生电子设计竞赛引发对就业能力培养的思考［J］.实验室研究与探索，2009，28（10）：11.