電氣工程專業學生創新實踐能力培養研究
——以西門子杯中國智能制造挑戰賽為例

文/高哲

學科競賽為大學生提供了工程訓練和創新實踐的機會，以賽促學、以賽促練、以賽促用的模式漸漸成為高校引導工科學生提升創新實踐能力的重要途徑。以電氣信息類的學科為例，當下競賽形式多樣，內容廣泛，例如電子設計大賽、機器人設計大賽、智能車競賽、PLC設計大賽等。各類競賽涉及知識領域較為廣泛，著重鍛煉學生解決復雜工程問題的能力[1]。諸多專業競賽的舉辦拓寬了學生的專業視野，對學生就業、出國和研究生面試等方面產生了重要影響，各專業在重要學科競賽中取得的成績也成為教學評估中評價專業辦學能力的重要指標[2]。鑒于許多高校已經將學科競賽作為培養大學生實踐創新能力的重要載體和有效措施，因此，高校亟需建立起完備的競賽培養模式，進一步發揮學科競賽在創新型人才培養中的作用[3]。

西門子杯大賽在工業4.0背景下提出新工程師概念，致力于培養中國智能制造業的高級人才，通過組織學生參加西門子杯競賽，鍛煉電氣專業學生的對實際工程的分析能力，培養學生創新實踐能力[4]。下文通過總結歷年學生的參賽經驗，以西門子杯中國智能制造挑戰賽為例，探討培養學生參與學科的管理方法和創新實踐能力的方法。

一、專業學科競賽過程中存在的問題

西門子杯中國智能制造挑戰賽中涉及的學科知識較多，針對實際工程提出的問題較為復雜，對于參賽大學生具有很強的挑戰性[5]。

首先，學生的學習能力以及專業素養較低。由于在競賽的過程中學生需要學習的知識較多、競賽準備的周期長，因此參與競賽的學生一般以各類專業大二學生為主。但是，低年級學生的專業知識儲備少，理論知識和實際能力相比于高年級的學生較弱。

其次，學生的組織溝通能力較差。以西門子杯中國智能制造挑戰賽為例，競賽往往需要多名學生組隊參加。在整個賽程中，參賽選手需要長期共處、共同協作完成競賽項目，這對選手的組織溝通能力以及協作分工能力提出了較高的要求。

再次，競賽選用的設備更新不及時。西門子杯的智能制造工程設計與應用類的競賽評價是競賽設備給出的評分系統。由于每年大賽的主題會進行更新，對應的實驗設備中的硬件以及軟件系統也需要隨時進行更新，高校的前期投入在很大程度上影響了競賽的質量。

最后，參賽人數增多導致選拔困難。西門子競賽以某個工程項目為背景，鍛煉學生解決實際工程中遇到的問題的能力，培養學生的創新思維。隨著競賽影響力不斷擴大，參賽學生的數量逐年增加。

二、專業學科競賽的管理方法

針對上述問題，根據近年來組織學生參加這一競賽的經驗，在學生參加學科競賽管理方面，應該采用上下屆傳幫帶形式，有計劃有政策地提高學生創新實踐能力，調動學生參與競賽的積極性。

充分發揮學生社團組織的力量，將科技競賽與學校社團活動相結合，借助學校、學院團委，建立相關學生活動社團，積極宣傳學科競賽的宗旨。通過社團活動不斷提高學科競賽在學生心目中的影響力。遼寧大學輕型產業學院由學院團委牽頭，通過成立“遼寧大學智能制造社團”，從多渠道開展社團學習活動，通過開辦競賽專題講座、經驗交流等活動，積極引導學生參加競賽，實現了參加西門子杯中國智能制造挑戰賽從指導教師找學生參加競賽，到學生主動參加報名的轉變，報名參加的學生不斷地增加。遼寧大學于2018年設立了西門子Campus-Hub學習中心，積極組織優秀的學生學習先進的控制系統分析與設計方法，選擇曾經參加過競賽并且取得優異成績的高年級學生作為社團的負責人和學習中心的學生負責人，將競賽經驗和相關的知識體系傳授給低年級的參賽學生。

遼寧大學與西門子公司于2012年共同建立了遼寧大學——西門子先進自動化技術聯合示范實驗室，占地300平方米。該實驗室主要設備包括西門子1200、300、400系列PLC及其控制系統，融合了西門子全集成自動化的理念，為學生開展西門子杯競賽提供了實驗場地和實驗設備。該實驗室的SMPT1000實驗開發平臺是一套高級多功能的過程控制綜合實訓系統，包括以鍋爐為控制對象的半實物仿真、400系列PLC控制器和上位機監控系統，控制通訊方式采樣的Profibus以及工業以太網的通訊方式[6]。該設備可以進行工程賽項的賽前練習，實驗設備每年對參加流程工業賽項的學生提供開放式學習平臺，給參賽學生提供一套完整的賽題設計實驗系統，鍛煉學生的實際編程、控制器設計及其通訊系統開發等工程實踐能力。

為了選拔出更加優秀的學生參加競賽，學校近年來舉辦了多期校內選拔賽。校內選拔賽分為筆試和上機兩部分。筆試部分包括控制算法、流程工業自動化的基本工藝、PLC基本編程方法以及賽題設計初步方案。上機部分完全仿照大賽的競賽流程進行，分為賽前練習部分和機器自動評分兩部分，競賽環節包括檢錄、宣讀競賽規則、賽前調試、自動跑分和競賽成績確認環節，讓學生通過校內選拔賽的形式熟悉西門子杯競賽的基本流程，增強學生在正式競賽過程中處理突發問題的能力。

遼寧大學西門子校園學習中心每年都組織參賽學生定期學習西門子競賽涉及的相關學科知識。賽前準備階段，學習中心通過播放視頻、建立討論組、以及上機指導等形式組織參賽學生學習和討論。賽前階段，各賽事參賽學生不分組別一起學習相關的理論知識和設備的使用方法，同時也為參賽學生提供互相了解和學習的機會。參賽學生通過前期階段的互相磨合，可以自由分組調試競賽賽題的編程，培養學生協同合作和組織能力，充分調動學生的參賽熱情。

三、競賽實踐教學成果

遼寧大學電氣工程及其自動化專業的學生從2014至今共參加了5次西門子杯競賽，累計參加學生70余名。在師生積極準備和共同努力下，獲得遼寧省省賽特等獎1項、一等獎5項、二等獎15項，三等獎2項，并且獲得全國總決賽特等獎1項和三等獎2項。連續三年，學校指導教師獲得5項遼寧省優秀指導教師稱號。

學生通過參加西門子杯智能制造挑戰賽，增加了自己的工程創新能力，學習了智能制造行業的控制系統設計方法。通過分析實際的工程項目，解決智能制造工程中出現的問題，學科競賽真正實現了學校學生和企業生產制造的零距離的學習與實踐。另外，學生總結了在競賽中遇到的問題和不足，把一些實際問題作為畢業設計和大學生創新創業培訓項目的延續，在競賽中不斷拓展和完善學習成果，其中兩組對競賽結果進行了詳細分析和總結，發表了2篇核心期刊論文。

為了激勵學生廣泛參與各類學科競賽和科研活動，2018年遼寧大學發布《推薦優秀應屆本科畢業生免試攻讀研究生工作實施辦法》，對于獲得國家級一等獎競賽的優秀學生予以保研資格。目前，已有一名獲得西門子杯中國智能制造挑戰賽遼寧賽區一等獎的優秀本科生獲得保研資格。此外，學生參加這一競賽增強了動手實踐能力和解決復雜工程問題的能力，也克服了學生在深造攻讀碩士研究生學位和就業方面的難題，為學生提供了具有工程創新能力的有效證明。參加過西門子競賽的多名學生分別被保送到了哈爾濱工業大學、天津大學、重慶大學、湖南大學、東北大學等雙一流高校，一名學生直接就職于西門子(中國)有限公司西安分公司。通過積極引導學生參加學科競賽，不但可以提高工科學生工程創新能力，為中國的智能制造提供高端人才，而且在學生的工作和保研中發揮了積極作用。

四、結語

結合遼寧大學歷年來組織學生參加西門子杯中國智能制造挑戰賽的經歷，分析了大學生參加電氣信息類專業學科競賽中遇到的問題以及解決方法，總結了該校近些年來在西門子杯中國智能制造挑戰賽取得的成績和競賽經驗及其在學生保研就業等方面所起的作用。通過參加西門子杯這類電氣信息類學科競賽鍛煉了學生的動手實踐能力，提升了學生的創新應用能力，培養了學生的團隊合作意識，符合創新型應用電氣信息類高級人才的培養創新條件。