吳剛：面向智能制造的自動化專業課程體系改革
點擊： 作者：吳剛 來源：《中國科學技術大學EMBA》 發布時間:2017-01-19 11:24:54
面向智能制造的自動化專業課程體系改革
——在清華大學自動化系課程體系改革與建設會議上的發言
清華大學自動化系的課程體系改革和建設，從教與學的兩個方面，具有兩個優勢：一是你們有一批德高望重、具有豐富的教學和科研經驗、具有豐富工程和技術經驗的老先生、老前輩，你們有一批具有深厚理論素養和工程經驗、具有國際化背景和視野的教授，你們有一支忠誠中華民族教育事業的教師隊伍；二是你們的學生綜合素質高，沒有考研的壓力，教學改革不需要考慮考研指揮棒。
下面談四點個人意見。
一、要在自信的基礎上學習先進大學的教學改革經驗
清華大學自動化系在中國自動化專業中的地位是舉足輕重、眾望所歸。國內其他大學自動化專業在研討教學改革時，一定會參考你們的課程體系、課程設置、教學計劃，相當多的學校并以此對標。
我相信，清華大學自動化系在研討教學改革方案時，除了學習國內其他大學的先進經驗，更多的是參考國際先進大學的教學改革經驗，并從中選擇對標學校、專業和課程體系。
從上世紀五十年代開始，中國大陸的高等教育先是學習蘇聯，后是學習西方，主要是美國。在學習和實踐的過程中，也形成了一些自己的成果和成就，但是缺乏系統的認識和總結。
今天的中國社會和公眾，對本土的教育特別是高等教育有許多意見。精英們，和稍微有一點辦法的家庭，都會千方百計把子女送往國外學習，甚至去讀中學、小學。我們作為高校教師，也都深刻體會和認識到我們的高等教育存在的弊病。
但這里需要有一個最基本的判斷。我年輕時想象不到，中國的工業化會在我們這一代人手中完成，我根本想象不到，在我們手中居然建設成世界第一大工業國。在此過程中，技術上主要依靠的是本土培養的工程師和總工程師。建設、支撐世界第一大工業國、第二大經濟體的工程教育，包括自動化專業教育，絕不可能一無是處。
據說在二戰之前，美國的大學畢業生流行一句話，打起背包去歐洲（去歐洲留學）。那時美國已經是世界第一大工業國、第一大經濟體。但在揚基們心中，老歐洲依然是世界文化與文明的中心，而揚基們自己則是比較粗鄙的。二戰中，揚基們走遍世界，二戰后，心態變了，自信到自大的地步，充滿傲慢與偏見。今天看來，二十世紀前半葉美國的高等教育是先進的，至少工程教育是領先世界的。
五十年代，蘇聯軍事專家在南京軍事學院講“寬正面，大縱深”的坦克集群突擊，講十次打擊，這的確是二戰前后蘇軍在實戰中總結的先進軍事理論，但是完全脫離當時中國的國家背景和能力，而對于我軍幾十年建軍和作戰經驗的研究卻嚴重不足。等到中國終于有了這個工業能力，時代變了，誰還敢搞坦克集群突擊？今天我們回過頭去看一看，中國歷史上真的就不存在實際應用蘇軍“十次斯大林突擊”這些“先進理論”的條件，即使是本土防御，恐怕也是無用武之地。所以說，學習先進大學教學改革經驗的過程中，必須結合自己的實際情況。“教條主義害死人”。
工程實踐也是如此。同樣的電站鍋爐，發達國家多是燃油、燃氣，即使燒煤，也是固定的煤礦生產的煤；而我們國家依然以燃煤為主，并且燒的是不同煤礦、不同煤井、品質差異很大的煤。鍋爐控制系統、優化系統設計能一樣嗎？
八十年代初期，我在科技大學讀本科，我們許多專業課老師剛剛從國外學習回來，給我們開設了大量的現代控制理論課程，但幾乎不講傳統的PID調節器，因為美國的控制理論界流行一句話：Beat down PID controller。我大學同班同學有人到大學畢業都不知道PID調節器。我到若干年以后才知道，我的導師自己就是PID專家，具有豐富的控制工程經驗和控制理論素養。
后來，我們大多數同學、師兄弟、師姐妹都出國留學了。從八十年代末開始，傳回來一句話：Control is dead。有些人說的更具體：Control is dead in America。現在我們比較清楚了，美國從六十年代開始制造業逐步轉移，后來出現OEM，甚至OED，最終制造業空心化，自動化成為了“隱技術”。但是，在中國大陸，在實現國家工業化的進程中，居然出現了一股潮流，要取消自動化專業，取消自動化教育，理由很荒唐：美國沒有自動化專業，Control is dead in America。就在前不久，科技大學新創校友基金會還有人公開呼吁（忽悠），撤銷科技大學自動化專業。
離開自動化，談何國家工業化？取消自動化，如何實現下一步的國家現代化？
當前我們面臨著第四次工業革命，智能制造、智能自動化、知識自動化是第四次工業革命的標準特征。革命是什么？形勢比人強。對于人才，我曾經回答過一家央企的董事長：中國革命中沒有西點軍校畢業生，咱們就用日本陸軍士官學校畢業生，陸士畢業的不革命，咱們就用保定軍校生，保定軍校畢業的不跟咱走，云南講武堂、湖南講武堂畢業的就是寶貝疙瘩，這個那個講武堂畢業的不革命，就辦黃埔軍校，軍校畢業生不跟咱們走，咱們就不革命啦？！
國外大學的情況各不相同。有些發達國家制造業轉移、產業空心化已經幾十年，國家發展主要依靠金融業、服務業，工科的教授們很少有機會接觸產業，他們的成果主要是論文，這些教授反倒非常羨慕我們能夠在實踐中提煉、發展和檢驗控制理論、優化理論。有些發達國家則不同，例如德國，他們要求工科教授必須有若干年工業界的從業經驗，所以德國教授的工作往往比較靠譜。2008年經濟危機以來，德國實業在西方也是一枝獨秀。我們國家在工業化的進程中，培育出一大批有豐富實踐經驗的教員，他們也許寫不出SCI論文，但是他們在教學和教學改革、科學研究和工程應用方面能夠屢戰屢勝，他們恰恰是中國大陸大學工科教育中最可寶貴的人才。
因此，自動化專業的教育改革、教學改革，必須在自信的基礎上學習國際先進大學的教育、教學改革經驗。這種自信，必須、也只能建立在廣大的具有長期本土教育、教學、科研和工程實踐，對本土的教育、教學、科研，特別是工程和產業，具有豐富經驗的普通教師身上。
我個人認為，清華大學其實已經是世界一流大學了，再經過一代人的努力，清華大學會成為世界最著名的幾所大學之一。到那時，你們自動化系會找不到對標的學校，尤其需要自信，但不能自大。
二、要堅持教育與生產實踐相結合，為生產實踐服務
“教育與生產實踐相結合”，這句老話可能比較刺耳。郭沫若創校校長給科技大學制訂、并經嚴濟慈老校長大力倡導的科大校訓，非常有特色，“紅專并進，理實交融”，一聽就知道是科技大學，“紅旗下的蛋”，絕非舊朝余孽。現在大多數大陸大學的校訓同質化嚴重，毫無特色，甚至不知所云。
如果“理實交融”也比較刺耳，咱們就說更老的老話，“知行合一”。
實際上，美國人、美國的高等教育是比較務實的。
課程體系改革與建設必須緊緊圍繞中國產業發展實踐，依托中國工業化的經驗，前瞻中國現代化的未來。一切從實踐出發；始于市場、終于市場；從實踐中來、到實踐中去；從群眾中來，到群眾中去。
以“自動控制原理”為例，現在大多數大學已經不講“信號流圖模型”了，這是有道理的，確實用處不大，似乎僅限于出考題；多數大學也不講“根軌跡法”，也是有道理的，中國曾經有三十多年不造飛機，衛星、導彈有一段時間也很少打，大家都不用根軌跡了，但現在國家已經開始大力發展航空、航天事業，航空、航天類大學和學院還是需要講根軌跡，其他大學則未必需要；保定的華北電力大學自動化專業在教學改革試驗中，不但不講復頻域法，連頻域法都很少講，也是有道理的，這是過程控制行業的特色，過程控制系統的動力學特性都有純滯后，甚至是大純滯后，怎么畫根軌跡圖、Bode圖？即使用計算機仿真技術做出根軌跡圖、Bode圖、奈氏圖、對數幅相圖、Nichols圖，分析和設計都很不方便，反倒是在時域中研究更容易理解，分析、設計更加方便、直接。清華大學自動化系方崇智等老師二十多年前翻譯過一本書，美國著名過程控制專家欣斯基的“過程控制”，是Foxboro公司的培訓教材，全部都是在時間域中分析、設計過程控制系統。
我們的大學在本科階段開設了一系列現代控制理論課程。許多理論已經經過半個多世紀的發展，進入大陸大學課堂也有三十多年。哪些是實踐證明能夠解決問題的？哪些至今沒有、或者很少有成功應用的案例？是不是有必要在本科階段開設？值得考慮。以狀態空間法為例，我們的大學是本科必修課，美國的大學本科階段只講幾章導論性內容，哪一種更符合過去半個多世紀的控制工程實踐？
更進一步，現在都是計算機控制了，我們的課程設置依然是先在連續時域中講授自動控制原理，然后在離散時域中講授計算機控制。可否將自動控制原理與計算機控制結合，直接在離散時域中講授控制原理？
計算機教學也是同樣的。四分之一世紀之前，十六位微機原理教學是必要的、先進的，今天呢？哪里還能買的到十六位PC機？基于工業PC的控制系統雖有廣泛應用，但相比于微控制器MCU，對于自動化技術，哪一個更重要？微控制器已經無處不在了，但人們的習慣思維還是“不就是單片機嗎？”，如果說成是“嵌入式系統”，似乎就好聽一點。
科技大學自動化系原來是偏向弱電的，許多工科大學的自動化專業是偏向強電的。現在技術發展，強電控制、弱電控制在同一個系統中出現，新能源汽車、純電動汽車就是范例：既有CAN總線通信（2.5伏，1.5伏、3.5伏），也有1～5伏（0～5伏）的弱電信號，12伏或者24伏的弱電控制設備，還有500伏左右電壓、400安培左右電流的強電控制，全部安裝在一張床大小的空間里，構成一個完整的系統。弱電、強電應當兼顧，已經不能偏廢。這一點，你們清華大學自動化系處理的很好。
作為工程學科，我們有必要幾十年如一日地給本科生開設一些從來沒有成功應用、或者很少有成功應用、或者曾經有過應用但現在已經淘汰的課程？我們更不能對已經具有廣泛應用或者具有廣泛應用前景的技術視而不見。
歸根結底，自動化是工程技術，還是科學？我們的研究生一級學科叫“控制科學與工程”，科學是一種世界觀，自動化、自動控制是不是構成世界觀，可以探討。但我認為，自動化、自動控制首先是工程，是技術。既然是首先是工程、是技術，就更加必須強調知行合一、理實交融、自動化教育與自動化生產實踐相結合。
三、一流大學自動化系的課程設置，要有前瞻性
我們這一代人已經完成了國家工業化，下一步的任務是國家現代化。“第一仗已經打勝了，應即整頓隊伍打第二仗，爭取全勝”。
過去的半個多世紀，中國自動化的主要應用領域是流程工業和制造業，推動自動化技術發展的主要是電子技術、計算機技術。
現代化國家的信息技術、自動化技術要經歷數字化、網絡化、智能化。我們國家自動化儀表產業在八十年代、九十年代沒有能夠實現數字化，因此整體被淘汰了。今天已經是網絡時代，各個產業也已經初步實現網絡化，正在走向智能化。如果我們自動化專業教學不能跟上時代潮流（對一流大學應當是引領時代潮流），同樣也會被淘汰。
我個人認為，今后十五年，推動中國自動化發展的技術：
1、網絡通信。尤其是無線移動通信，標志性成果是物聯網、車聯網。
2、人工智能。標志性成果是智慧城市、智能交通、智能汽車乃至自動汽車。
3、微系統。基于微控制器、微機電技術的智能微系統。不久的將來微系統將無處不在，MCU無處不在，智能技術無處不在，最終智能控制、智能自動化、智能制造無處不在，可穿戴，可植入。
4、預測和預測控制。自動化的方法論，除了反饋，還有預測。預測和預測控制不僅僅在自動化系統中成立，在工程、經濟、社會、生命、生態系統中同樣存在。只有反饋控制，沒有預測和預測控制，智能機器人、智能汽車、自動汽車是無法想象的。
5、新媒體。以視覺和語音技術為代表的新的媒體技術，或者說反饋手段。以前的反饋是建立在信號基礎上的，今后的智能機器人、智能汽車將更多的采用視覺和語音，以及其他新的媒體技術。
我個人認為，今后十五年，中國自動化的主要應用領域：
1、汽車。特別是新能源汽車，尤其是電動汽車、汽車智能與智能汽車，標志性成果是自動駕駛的電動汽車。2015年中國GDP的六分之一來自汽車及相關行業，而全世界污染物排放的六分之一來自汽車。
2、機器人。產業轉型、升級，必須利用機器人技術尤其是智能機器人技術，提高產品的一致性，降低生產成本。標志性成功是無人工廠，黑燈工廠。一臺機器人如果只代替一個工人，成本控制在15萬元，今天中國的企業就樂意接受。
我們的課程體系改革和建設應當重視以上領域與技術。這些技術是構成智能自動化系統、知識自動化系統的使能技術，這些領域是智能自動化系統、知識自動化系統的主要應用領域。
為什么強調十五年？我認為十五年之后，超導技術實用化，量子通信、量子計算可能開始實用化，許多新材料、新能源技術實用化，我們的自動化技術將有內在的、本質的、深刻的變化。好在那時候我已經退休了。
我們這一代人實現了國家工業化，建成了世界第一大工業國，但也造成嚴重的環境污染和一系列社會問題。今后我們在教育、教學中，必須重視綠色產品、綠色制造和工程倫理，重視對下一代工程師在這些方面的培養，希望他們能夠建設成綠色制造體系，生產綠色產品，在建成智能制造體系中，完成人與環境的和諧發展。90后、95后，以及馬上要來的00后，他們對環境保護的重視程度要超過我們，很有可能是他們反過來教育我們。
四、課程體系改革和建設要志存高遠，路在腳下
課程體系改革和建設必須也只能依靠全體教員和學生，從教的角度講，主要是依靠廣大的普通教員，的的確確是人民群眾創造歷史。但是，現行的教員師評價體系和與之配套的薪酬體系，不利于調動廣大教員投身教學和教學改革的積極性。在一流大學，這一點尤其嚴重。我們在推動課程體系改革和建設時，至少不能損害廣大普通教員們的積極性，不能損害他們的利益。
人民對高等教育的主要期望是什么？國家交給大學的主要任務是什么？人民和國家為什么要辦大學？現在一流大學建設都強調教學、科研“雙中心”，這到底是不是人民和國家的期望？即使是“雙中心”，哪一個才是大學的核心任務和核心價值？
但是，我們也要清醒地認識到，這只是暫時現象。教員之間，幾十倍近百倍的薪酬差距，薪酬最高的一部分教授往往并不從事教學，更不從事本科教學。世界一流大學是這樣嗎？社會主義大學是這樣嗎？“反常為妖”。我們的目標是要建設世界一流大學，建設社會主義一流大學。所以大家要在困難的時候堅定我們的信心和決心，團結廣大教員去克服困難，朝著新常態努力奮斗。
要把革命的浪漫主義與革命的現實主義相結合，課程體系改革和建設要有遠大目標和長遠規劃，又要結合現實的可能性，腳踏實地的一步步推動工作。
（作者系中國科技大學工業自動化研究所所長，教授，博士生導師；來源：昆侖策網，原載《中國科學技術大學EMBA》雜志，2016年第2期。）
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