吴刚：面向智能制造的自动化专业课程体系改革

点击：  作者：吴刚    来源：《中国科学技术大学EMBA》  发布时间:2017-01-19 11:24:54

 

 

 

　　面向智能制造的自动化专业课程体系改革

　　——在清华大学自动化系课程体系改革与建设会议上的发言

 

　　清华大学自动化系的课程体系改革和建设，从教与学的两个方面，具有两个优势：一是你们有一批德高望重、具有丰富的教学和科研经验、具有丰富工程和技术经验的老先生、老前辈，你们有一批具有深厚理论素养和工程经验、具有国际化背景和视野的教授，你们有一支忠诚中华民族教育事业的教师队伍；二是你们的学生综合素质高，没有考研的压力，教学改革不需要考虑考研指挥棒。

 

　　下面谈四点个人意见。

 

　　一、要在自信的基础上学习先进大学的教学改革经验

 

　　清华大学自动化系在中国自动化专业中的地位是举足轻重、众望所归。国内其他大学自动化专业在研讨教学改革时，一定会参考你们的课程体系、课程设置、教学计划，相当多的学校并以此对标。

 

　　我相信，清华大学自动化系在研讨教学改革方案时，除了学习国内其他大学的先进经验，更多的是参考国际先进大学的教学改革经验，并从中选择对标学校、专业和课程体系。

 

　　从上世纪五十年代开始，中国大陆的高等教育先是学习苏联，后是学习西方，主要是美国。在学习和实践的过程中，也形成了一些自己的成果和成就，但是缺乏系统的认识和总结。

 

　　今天的中国社会和公众，对本土的教育特别是高等教育有许多意见。精英们，和稍微有一点办法的家庭，都会千方百计把子女送往国外学习，甚至去读中学、小学。我们作为高校教师，也都深刻体会和认识到我们的高等教育存在的弊病。

 

　　但这里需要有一个最基本的判断。我年轻时想象不到，中国的工业化会在我们这一代人手中完成，我根本想象不到，在我们手中居然建设成世界第一大工业国。在此过程中，技术上主要依靠的是本土培养的工程师和总工程师。建设、支撑世界第一大工业国、第二大经济体的工程教育，包括自动化专业教育，绝不可能一无是处。

 

　　据说在二战之前，美国的大学毕业生流行一句话，打起背包去欧洲（去欧洲留学）。那时美国已经是世界第一大工业国、第一大经济体。但在扬基们心中，老欧洲依然是世界文化与文明的中心，而扬基们自己则是比较粗鄙的。二战中，扬基们走遍世界，二战后，心态变了，自信到自大的地步，充满傲慢与偏见。今天看来，二十世纪前半叶美国的高等教育是先进的，至少工程教育是领先世界的。

 

　　五十年代，苏联军事专家在南京军事学院讲“宽正面，大纵深”的坦克集群突击，讲十次打击，这的确是二战前后苏军在实战中总结的先进军事理论，但是完全脱离当时中国的国家背景和能力，而对于我军几十年建军和作战经验的研究却严重不足。等到中国终于有了这个工业能力，时代变了，谁还敢搞坦克集群突击？今天我们回过头去看一看，中国历史上真的就不存在实际应用苏军“十次斯大林突击”这些“先进理论”的条件，即使是本土防御，恐怕也是无用武之地。所以说，学习先进大学教学改革经验的过程中，必须结合自己的实际情况。“教条主义害死人”。

 

　　工程实践也是如此。同样的电站锅炉，发达国家多是燃油、燃气，即使烧煤，也是固定的煤矿生产的煤；而我们国家依然以燃煤为主，并且烧的是不同煤矿、不同煤井、品质差异很大的煤。锅炉控制系统、优化系统设计能一样吗？

 

　　八十年代初期，我在科技大学读本科，我们许多专业课老师刚刚从国外学习回来，给我们开设了大量的现代控制理论课程，但几乎不讲传统的PID调节器，因为美国的控制理论界流行一句话：Beat down PID controller。我大学同班同学有人到大学毕业都不知道PID调节器。我到若干年以后才知道，我的导师自己就是PID专家，具有丰富的控制工程经验和控制理论素养。

 

　　后来，我们大多数同学、师兄弟、师姐妹都出国留学了。从八十年代末开始，传回来一句话：Control is dead。有些人说的更具体：Control is dead in America。现在我们比较清楚了，美国从六十年代开始制造业逐步转移，后来出现OEM，甚至OED，最终制造业空心化，自动化成为了“隐技术”。但是，在中国大陆，在实现国家工业化的进程中，居然出现了一股潮流，要取消自动化专业，取消自动化教育，理由很荒唐：美国没有自动化专业，Control is dead in America。就在前不久，科技大学新创校友基金会还有人公开呼吁（忽悠），撤销科技大学自动化专业。

 

　　离开自动化，谈何国家工业化？取消自动化，如何实现下一步的国家现代化？

 

　　当前我们面临着第四次工业革命，智能制造、智能自动化、知识自动化是第四次工业革命的标准特征。革命是什么？形势比人强。对于人才，我曾经回答过一家央企的董事长：中国革命中没有西点军校毕业生，咱们就用日本陆军士官学校毕业生，陆士毕业的不革命，咱们就用保定军校生，保定军校毕业的不跟咱走，云南讲武堂、湖南讲武堂毕业的就是宝贝疙瘩，这个那个讲武堂毕业的不革命，就办黄埔军校，军校毕业生不跟咱们走，咱们就不革命啦？！

 

　　国外大学的情况各不相同。有些发达国家制造业转移、产业空心化已经几十年，国家发展主要依靠金融业、服务业，工科的教授们很少有机会接触产业，他们的成果主要是论文，这些教授反倒非常羡慕我们能够在实践中提炼、发展和检验控制理论、优化理论。有些发达国家则不同，例如德国，他们要求工科教授必须有若干年工业界的从业经验，所以德国教授的工作往往比较靠谱。2008年经济危机以来，德国实业在西方也是一枝独秀。我们国家在工业化的进程中，培育出一大批有丰富实践经验的教员，他们也许写不出SCI论文，但是他们在教学和教学改革、科学研究和工程应用方面能够屡战屡胜，他们恰恰是中国大陆大学工科教育中最可宝贵的人才。

 

　　因此，自动化专业的教育改革、教学改革，必须在自信的基础上学习国际先进大学的教育、教学改革经验。这种自信，必须、也只能建立在广大的具有长期本土教育、教学、科研和工程实践，对本土的教育、教学、科研，特别是工程和产业，具有丰富经验的普通教师身上。

 

　　我个人认为，清华大学其实已经是世界一流大学了，再经过一代人的努力，清华大学会成为世界最著名的几所大学之一。到那时，你们自动化系会找不到对标的学校，尤其需要自信，但不能自大。

 

　　二、要坚持教育与生产实践相结合，为生产实践服务

 

　　“教育与生产实践相结合”，这句老话可能比较刺耳。郭沫若创校校长给科技大学制订、并经严济慈老校长大力倡导的科大校训，非常有特色，“红专并进，理实交融”，一听就知道是科技大学，“红旗下的蛋”，绝非旧朝余孽。现在大多数大陆大学的校训同质化严重，毫无特色，甚至不知所云。

 

　　如果“理实交融”也比较刺耳，咱们就说更老的老话，“知行合一”。

 

　　实际上，美国人、美国的高等教育是比较务实的。

 

　　课程体系改革与建设必须紧紧围绕中国产业发展实践，依托中国工业化的经验，前瞻中国现代化的未来。一切从实践出发；始于市场、终于市场；从实践中来、到实践中去；从群众中来，到群众中去。

 

　　以“自动控制原理”为例，现在大多数大学已经不讲“信号流图模型”了，这是有道理的，确实用处不大，似乎仅限于出考题；多数大学也不讲“根轨迹法”，也是有道理的，中国曾经有三十多年不造飞机，卫星、导弹有一段时间也很少打，大家都不用根轨迹了，但现在国家已经开始大力发展航空、航天事业，航空、航天类大学和学院还是需要讲根轨迹，其他大学则未必需要；保定的华北电力大学自动化专业在教学改革试验中，不但不讲复频域法，连频域法都很少讲，也是有道理的，这是过程控制行业的特色，过程控制系统的动力学特性都有纯滞后，甚至是大纯滞后，怎么画根轨迹图、Bode图？即使用计算机仿真技术做出根轨迹图、Bode图、奈氏图、对数幅相图、Nichols图，分析和设计都很不方便，反倒是在时域中研究更容易理解，分析、设计更加方便、直接。清华大学自动化系方崇智等老师二十多年前翻译过一本书，美国著名过程控制专家欣斯基的“过程控制”，是Foxboro公司的培训教材，全部都是在时间域中分析、设计过程控制系统。

 

　　我们的大学在本科阶段开设了一系列现代控制理论课程。许多理论已经经过半个多世纪的发展，进入大陆大学课堂也有三十多年。哪些是实践证明能够解决问题的？哪些至今没有、或者很少有成功应用的案例？是不是有必要在本科阶段开设？值得考虑。以状态空间法为例，我们的大学是本科必修课，美国的大学本科阶段只讲几章导论性内容，哪一种更符合过去半个多世纪的控制工程实践？

 

　　更进一步，现在都是计算机控制了，我们的课程设置依然是先在连续时域中讲授自动控制原理，然后在离散时域中讲授计算机控制。可否将自动控制原理与计算机控制结合，直接在离散时域中讲授控制原理？

 

　　计算机教学也是同样的。四分之一世纪之前，十六位微机原理教学是必要的、先进的，今天呢？哪里还能买的到十六位PC机？基于工业PC的控制系统虽有广泛应用，但相比于微控制器MCU，对于自动化技术，哪一个更重要？微控制器已经无处不在了，但人们的习惯思维还是“不就是单片机吗？”，如果说成是“嵌入式系统”，似乎就好听一点。

 

　　科技大学自动化系原来是偏向弱电的，许多工科大学的自动化专业是偏向强电的。现在技术发展，强电控制、弱电控制在同一个系统中出现，新能源汽车、纯电动汽车就是范例：既有CAN总线通信（2.5伏，1.5伏、3.5伏），也有1～5伏（0～5伏）的弱电信号，12伏或者24伏的弱电控制设备，还有500伏左右电压、400安培左右电流的强电控制，全部安装在一张床大小的空间里，构成一个完整的系统。弱电、强电应当兼顾，已经不能偏废。这一点，你们清华大学自动化系处理的很好。

 

　　作为工程学科，我们有必要几十年如一日地给本科生开设一些从来没有成功应用、或者很少有成功应用、或者曾经有过应用但现在已经淘汰的课程？我们更不能对已经具有广泛应用或者具有广泛应用前景的技术视而不见。

 

　　归根结底，自动化是工程技术，还是科学？我们的研究生一级学科叫“控制科学与工程”，科学是一种世界观，自动化、自动控制是不是构成世界观，可以探讨。但我认为，自动化、自动控制首先是工程，是技术。既然是首先是工程、是技术，就更加必须强调知行合一、理实交融、自动化教育与自动化生产实践相结合。

 

　　三、一流大学自动化系的课程设置，要有前瞻性

 

　　我们这一代人已经完成了国家工业化，下一步的任务是国家现代化。“第一仗已经打胜了，应即整顿队伍打第二仗，争取全胜”。

 

　　过去的半个多世纪，中国自动化的主要应用领域是流程工业和制造业，推动自动化技术发展的主要是电子技术、计算机技术。

 

　　现代化国家的信息技术、自动化技术要经历数字化、网络化、智能化。我们国家自动化仪表产业在八十年代、九十年代没有能够实现数字化，因此整体被淘汰了。今天已经是网络时代，各个产业也已经初步实现网络化，正在走向智能化。如果我们自动化专业教学不能跟上时代潮流（对一流大学应当是引领时代潮流），同样也会被淘汰。

 

　　我个人认为，今后十五年，推动中国自动化发展的技术：

 

　　1、网络通信。尤其是无线移动通信，标志性成果是物联网、车联网。

　　2、人工智能。标志性成果是智慧城市、智能交通、智能汽车乃至自动汽车。

　　3、微系统。基于微控制器、微机电技术的智能微系统。不久的将来微系统将无处不在，MCU无处不在，智能技术无处不在，最终智能控制、智能自动化、智能制造无处不在，可穿戴，可植入。

 

　　4、预测和预测控制。自动化的方法论，除了反馈，还有预测。预测和预测控制不仅仅在自动化系统中成立，在工程、经济、社会、生命、生态系统中同样存在。只有反馈控制，没有预测和预测控制，智能机器人、智能汽车、自动汽车是无法想象的。

 

　　5、新媒体。以视觉和语音技术为代表的新的媒体技术，或者说反馈手段。以前的反馈是建立在信号基础上的，今后的智能机器人、智能汽车将更多的采用视觉和语音，以及其他新的媒体技术。

 

　　我个人认为，今后十五年，中国自动化的主要应用领域：

 

　　1、汽车。特别是新能源汽车，尤其是电动汽车、汽车智能与智能汽车，标志性成果是自动驾驶的电动汽车。2015年中国GDP的六分之一来自汽车及相关行业，而全世界污染物排放的六分之一来自汽车。

 

　　2、机器人。产业转型、升级，必须利用机器人技术尤其是智能机器人技术，提高产品的一致性，降低生产成本。标志性成功是无人工厂，黑灯工厂。一台机器人如果只代替一个工人，成本控制在15万元，今天中国的企业就乐意接受。

 

　　我们的课程体系改革和建设应当重视以上领域与技术。这些技术是构成智能自动化系统、知识自动化系统的使能技术，这些领域是智能自动化系统、知识自动化系统的主要应用领域。

 

　　为什么强调十五年？我认为十五年之后，超导技术实用化，量子通信、量子计算可能开始实用化，许多新材料、新能源技术实用化，我们的自动化技术将有内在的、本质的、深刻的变化。好在那时候我已经退休了。

 

　　我们这一代人实现了国家工业化，建成了世界第一大工业国，但也造成严重的环境污染和一系列社会问题。今后我们在教育、教学中，必须重视绿色产品、绿色制造和工程伦理，重视对下一代工程师在这些方面的培养，希望他们能够建设成绿色制造体系，生产绿色产品，在建成智能制造体系中，完成人与环境的和谐发展。90后、95后，以及马上要来的00后，他们对环境保护的重视程度要超过我们，很有可能是他们反过来教育我们。

 

　　四、课程体系改革和建设要志存高远，路在脚下

 

　　课程体系改革和建设必须也只能依靠全体教员和学生，从教的角度讲，主要是依靠广大的普通教员，的的确确是人民群众创造历史。但是，现行的教员师评价体系和与之配套的薪酬体系，不利于调动广大教员投身教学和教学改革的积极性。在一流大学，这一点尤其严重。我们在推动课程体系改革和建设时，至少不能损害广大普通教员们的积极性，不能损害他们的利益。

 

　　人民对高等教育的主要期望是什么？国家交给大学的主要任务是什么？人民和国家为什么要办大学？现在一流大学建设都强调教学、科研“双中心”，这到底是不是人民和国家的期望？即使是“双中心”，哪一个才是大学的核心任务和核心价值？

 

　　但是，我们也要清醒地认识到，这只是暂时现象。教员之间，几十倍近百倍的薪酬差距，薪酬最高的一部分教授往往并不从事教学，更不从事本科教学。世界一流大学是这样吗？社会主义大学是这样吗？“反常为妖”。我们的目标是要建设世界一流大学，建设社会主义一流大学。所以大家要在困难的时候坚定我们的信心和决心，团结广大教员去克服困难，朝着新常态努力奋斗。

 

　　要把革命的浪漫主义与革命的现实主义相结合，课程体系改革和建设要有远大目标和长远规划，又要结合现实的可能性，脚踏实地的一步步推动工作。

 

　　（作者系中国科技大学工业自动化研究所所长，教授，博士生导师；来源：昆仑策网，原载《中国科学技术大学EMBA》杂志，2016年第2期。）

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