第4章-自动化教育

第4章自动化教育的内涵与体系本章内容自动化教育概述国外自动化教育的现状及发展我国自动化教育的发展历程和发展趋势自动化教育的培养目标与定位自动化专业的知识结构与课程体系一、自动化教育概述自动化教育主要有三种类型：面向大学生的课程学习教育；面向中、小学生及一般民众的体验认识教育和科普教育；针对自动化工程技术人员的继续教育。大学阶段的学习是目前自动化教育的主体，具体又可分为三种情况：自动化专业，类自动化专业，非自动化类专业。大学三种自动化教育的重点自动化专业需要全面而系统地学习自动化的相关内容；对于类自动化专业，如电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化、测控技术与仪表、过程装备与控制工程、探测制导与控制技术、农业机械化及其自动化等，则主要学习与各自领域密切相关的自动化知识；对于非自动化类的很多工科及管理、经济等专业，重点是学习系统、控制和优化的知识；自动化教育内涵的变化趋势由于目前很多自动化系统在“数字化”的基础上实现了“网络化”、“智能化”、“管理控制一体化”以及“综合自动化”，因此自动化教育的内涵也随之发生了较大的变化。总的变化趋势是不断拓展专业口径，除了加强“网络控制”、“人工智能”、“智能控制”等内容外，还增加了复杂产品设计过程的自动化、管理与决策过程的自动化、综合自动化等方面的内容，为学生今后的发展创造更大的空间。二、国外自动化教育的现状及发展自动化教育一般有两种模式：专门设置了自动控制或自动化的学科、系及专业；将控制与自动化的内容融入到相关的学科、系及专业中，实行更宽口径的培养。模式①的典型代表有俄罗斯和中国，欧美等国家的部分学校也采用了第一种模式，但大部分学校实行的是模式②。在很多国家的大学中，尽管有的设置了自动化领域的本科专业，有的没有，但在研究生教育方面，普遍都独立设置有自动化领域的硕士和博士培养计划。国外自动化教育的主流模式目前越来越多的学校采用第2种模式，也就是将自动化教育融入到更宽口径的学科和专业中，通常是放在“电气工程”、“电气工程与计算机”、“电气与电子工程”这一类系和专业中。这实际上反应了目前大学教育一个总的发展趋势，即专业面越来越宽，专业界限越来越淡化，学科的交叉综合越来越明显，本科阶段的人才培养越来越“通才化”。虽然欧美的大部分学校没有专门设置自动化专业，但这些学校的电气、电子、计算机、机械、化工、航空等很多学科和专业都包含了自动化和自动控制的内容，同时还面向全校的大部分专业开设自动化基本原理和方法的入门课程。例如，美国斯坦福大学（StanfordUniversity）的电气工程系面向全校开设有很多自动化的课程，既有入门性课程，也有前沿领域和最新研究动向的课程，范围几乎涵盖了自动化的所有领域。斯坦福大学电气工程系开出的自动化课程举例SignalProcessingandLinearSystems

（信号处理与线性系统）FeedbackControlDesign（反馈控制设计）IntroductiontoControlDesignTechniques

（控制设计技术概论）ControlSystemDesignandSimulation

（控制系统设计与仿真）OptimalControlandHybridSystems

（最优控制与混杂系统）ModernControlDesign（现代控制设计）AnalysisandControlofNonlinearSystems

（非线性系统的分析与控制）IntroductiontoLinearDynamicalSystems

（线性动态系统概论）EmbeddedSystemDesignLaboratory

（嵌入式系统设计实验）IntroductiontoComputerNetworks

（计算机网络概论）IntroductiontoCommunicationSystems

（通信系统概论）IntroductiontoCommunicationSystems

（通信系统概论）IntroductiontoDigitalImageProcessing

（数字图象处理概论）AdvancedTopicsinComputationforControl

（关于控制计算的前沿话题）IntroductiontoComputerVision

（计算机视觉概论）MathematicalMethodsforRobotics,VisionandGraphics（机器人、视觉和图像的数学方法）DigitalProcessingofSpeechSignals

（语音信号的数字处理）DigitalVideoProcessing（数字视觉处理）ArtificialIntelligence:Principles&Techniques（人工智能：原理和方法）ProbabilisticModelsinArtificialIntelligence（人工智能中的概率模型）MachineLearning（机器学习）InformationTheory（信息理论）AdaptiveSignalProcessing（自适应信号处理）AdaptiveNeuralNetworks（自适应神经网络）GlobalPositioningSystems（全球定位系统）RadarRemoteSensing（雷达遥感）MobileandWirelessNetworksandApplications（移动无线网络及其应用）WirelessSensorNetworksConceptsandImplementation（无线传感网络的概念及实现）InternetRoutingProtocolsandStandards

（互联网路由协议和标准）DynamicProgrammingandStochasticControl（动态规划与随机控制）ApproximateDynamicProgramming

（近似动态规划）ConvexOptimizationwithEngineeringApplications（凸优化方法及其工程应用）StochasticDecisionModels（随机决策模型）BusinessManagementforElectricalEngineersandComputerScientists

（针对电气工程师和计算机专家的经营管理）国外自动化教育的改革动态具有自动化背景的工程技术人员在工程项目中常常扮演“系统集成者”的角色，对项目的成败至关重要，因此很多国家的自动化教育不断加强管理方面的课程，培养交流、沟通、合作及协调的意识与能力，提高决策水平及决策能力。自动化教育虽然涉及众多领域，但普遍认为，应将广泛了解和深入学习其中一个领域相结合，或者讲“通才”与适当的“专才”相结合。只有这样，才能将所学的知识融会贯通，深入理解相互的关系和联系。作为自动化核心的反馈控制，已经扩展到了工科以外的很多专业，因为反馈控制的原理和方法对所有的科技工作者和大部分管理人员都是必需的。为了使更多的人对自动化产生兴趣，很多国家都在大力加强自动化的科普教育，例如，广泛宣传自动化所取得的各种成就、针对不同层次的人群编写引人入胜的科普书籍、在中学

教材中适当地引入一些自动

化的内容、在科技馆中设置

与自动化相关的互动和演示

装置、举办各种科技竞赛等。三、我国自动化教育的发展历程和发展趋势20世纪40年代，我国的一些大学就开设了自动控制方面的课程，但设置自动化类的专业则是20世纪50年代才开始的。起步阶段主要是借鉴了前苏联的培养模式和课程设置，专业面比较窄，专业划分比较细，自动化对应不止一个专业，并要求学生专业对口，招生和分配都有严格的计划，学生毕业后绝大多数都能“专业对口”。自动化本科专业的演变前身是“工业企业电气化”和“自动控制”专业，分别组建于1952年和1956年；前者在60年代改为“工业电气化及自动化”，后又改为“工业电气自动化”，同时还衍生出“生产过程自动化”、“检测技术与自动化仪表”等多个专业。到了80年代，为了拓宽专业口径，各高校将原有的多个自动化类专业合并为“工业自动化”和“自动控制”，1998年又进一步合并宽口径的“自动化”专业，一直延续至今。自动化学科研究生教育的演变20世纪50年代，举办过一些自动化专业的研究生班，并派遣了学生和教师去前苏联学习或攻读研究生学位，但规模都不大。20世纪60～70年代的“文化大革命”期间，研究生教育处于完全停滞状态。从1978年开始，一批重点大学开始招收自动化学科的研究生，在首次颁布的专业目录中，一级学科为“自动控制”，其下设有5个二级学科，分别为：自动控制理论及应用、工业自动化、自动化仪表及装置、系统工程、模式识别与智能控制。1997年重新修订了研究生的学科专业目录，一级学科名称改为“控制科学与工程”，由5个二级学科组成，分别是：控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置、系统工程、模式识别与智能系统、导航、制导与控制。与自动化相关的研究生专业还有：

运筹学与控制论

系统分析与集成

机械制造及其自动化

电力系统及其自动化

农业电气化与自动化等。研究生教育的特点专业划分比较细，不再是“通才教育”，硕士研究生属于“通才”和“专才”教育相结合，博士研究生则偏重于“专才教育”。硕士阶段是课程学习与研究并重，研究要求达到一定深度，并培养较强的独立研究能力；博士阶段则主要培养研究能力，要求研究有相当深度，毕业后通常就成为某个领域的专家。硕士毕业后仍具有较强的“可塑

性”，就业选择面较宽，而博士

则通常会“专业对口”。自动化教育的专业结构和规模我国一千多所普通高校中，全日制本科院校有600多所，其中有240余所设有4年制本科“自动化”专业，每年招收3万余人的自动化专业本科生，在校生规模达12万多人；另外还有460余所专科院校设有专科自动化专业，每年招生约1万余人，在校生规模为3万多人；在设有“自动化”本科专业的

240余所高校中，有140余

所可以培养自动化学科的硕

士或博士研究生；从层次结构上看，拥有“控制科学与工程”一级学科所属二级学科硕士点、但没有博士点的高校共100余所；有相应博士点的高校40余所，其中拥有一级学科博士学位授予权的单位目前共13个（“一级学科授予权”指一级学科下的所有二级学科专业都可以招生、培养和授位）；研究生的办学规模近十年增长较

快，目前已达到每年招收约9千

人的自动化学科研究生，在校生

规模达2万多人。四、自动化教育的培养目标与定位培养目标分政治培养目标和业务培养目标。政治培养目标主要指思想品德方面，各个学校大同小异。下面主要介绍业务培养目标，综合了很多学校的情况，并参照了《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》、《授予博士硕士学位和培养研究生的学科专业简介》、《自动化学科专业发展战略研究报告》等。本科自动化专业的业务培养目标使学生具备电工电子、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识，能在运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、信息处理、管理与决策等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发等方面的工作。本科自动化专业毕业生应具备的知识和能力在通识教育和综合素质方面，应具备坚实的数学、物理等自然科学基础，较好的人文社会科学基础和外语综合应用能力；在专业基础方面，应掌握电路理论、电子技术、控制理论、信息处理、计算机软硬件基础及应用等；在专业知识方面，应掌握运动控制、工业过程控制、自动化仪器仪表、电力电子技术、信息传输与处理等方面的知识和技能，完成系统分析、设计及开发方面的工程实践训练，并对本专业的学科前沿、发展动态和发展趋势有所了解；在专业应用及综合能力方面，应具备一定的本专业领域内从事科学研究、科技开发和组织管理的能力，并有较强的工作适应能力。自动化学科博士研究生的业务培养目标具备自动化学科领域坚实的理论基础和系统的专门知识，了解学科领域的国内外发展方向、最新研究成果及研究动态；具有很强的独立从事科学研究工作的能力，并在某一前沿领域和研究方向上开拓创新，做出创造性的成果；熟练掌握一门外国语，能阅读本学科的外文资料和撰写科研论文，并具有一定的国际交流的能力。注：硕士研究生的业务培养目标与博士生并没有本质区别，只是各方面的标准都要低一些。自动化教育的培养定位研究生的培养定位是高层次的研究型科技人才，主要从事高水平的自动化研究、技术开发和工程应用；本科生则可笼统地定位为高级工程技术人才；专科生则定位为技术技能型人才；本、专科的定位还可细分为四种类型：

研究主导型、研究应用型、

应用主导型、技术技能型。五、自动化专业的知识结构与课程体系自动化专业对数学、物理、电子技术、计算机、信息处理等基础知识有很高的要求，着重培养传感器与信号检测、网络与通信、系统辨识与建模、控制系统分析与设计、系统综合优化等方面的专业知识与技能，同时通过大量的实验和实践环节培养学生的实际动手能力。本科自动化专业的知识结构和课程体系由综合教育、公共基础、专业基础、专业核心和专业拓展五大部份构成。（1）综合教育这一部分属于通识教育，涉及人文社会科学、经济与管理、环境科学、生命科学等很多学科；课程类别有政治理论、军事理论、道德修养、法律基础、管理基础、经济基础、环境保护与可持续发展、中华文化、中外历史、音乐欣赏、体育知识等；通常政治理论、军事理论、道德修养等少部分课程属于必修，更多的课程属于选修。（2）公共基