（1）教学理念

西门子先进自动化实验教学中心的建设依据是工程师能力模型。依据该能力模型，我们制定了工程能力培养体系，在电气与新能源学院人才培养计划和青年教师培养计划中得以执行，并依此建设先进自动化技术联合示范实训中心，将整个实训中心按照“技能为主”、“综合能力为主”、“行业案例拓展”三个大层次十个小层次分类进行建设，对学生知识、能力、素质的培养阶梯性推进，以满足不同层次、不同能力的学生。

经过近年来的运行, 西门子先进自动化实验教学中心在完成了电气类专业的工程教育培养任务的同时，取得了令人瞩目的成绩。依托西门子先进自动化实验教学中心，电气与新能源学院成功举办了2015 “西门子杯”工业自动化挑战赛华中赛区、2016“西门子杯”工业自动化挑战赛华中赛区和全国总决赛，对外承担了近300人次的教师、企业技术人员培训和4000余人次的学生培训，获得广泛好评。同时，依托该实验教学中心，我院师生在教学研究和改革、学科竞赛、科技创新等方面取得了非常突出成绩。本项目组教师近三年内发表相关教研论文25篇；完成国家级教研项目立项3项，省级教研项目2项，校级教研项目10项，试点学院专项教学改革项目3项；指导自动化专业学生获省优秀毕业论文15篇。2015、2016年共获全国总决赛特等奖2项、一等奖7项、二等奖3项、三等奖2项，华中赛区特等奖11项、一等奖16项、二等奖13项、三等奖10项；在电子设计大赛中，2013-2015年获全国一等奖5项、二等奖7项、三等奖4项；在全国大学生智能汽车竞赛中2013-2015年获华南赛区二等奖6项，三等奖10项； 在2016年湖北省第二届“互联网+”创新创业大赛中获金奖1项，银奖1项，铜奖3项；另外，学生在其它学科竞赛、发明专利方面也取得了突出成绩。

一、工程师能力模型

工程师能力模型是行业内对工程技术人才所应具备的特质、属性的描述。从能力模型出发，学校教育机构可以用它来对教学内容的完备性、课程顺序的合理性及输出学生工程能力等方面的进行检测。

西门子公司在自动化行业居世界领先地位，对于行业人才需求和优秀工程人才有较准确和权威的定位，该公司确定的工程师能力模型由如图1所示的五个要素来描述：

图1 工程师能力模型

在该工程师能力模型中，按照工程能力的高低不同，并按照重点的不同，进一步将其细分为了三个层次，即以执行为目的的技能、以解决问题为导向的能力、以综合素质见长的竞争力，如图2所示

图2 工程能力的三个层次

由此可知，对于不同阶段、不同类型的工程师，其五个要素所占的比重是不同的，能力模型不仅列出了工程师能力构成的要素，同时也指出了获得这些能力所应遵循的路径。    

在能力模型所描述的五个要素中，知识与工具是构成技能的基础。知识分为专业知识、行业知识与管理知识，并依知识的深度进一步定义高级知识为理论部分。对于自动化从业工程师，工作过程离不开工具的使用。工具实质上是各自动化厂商所提供的各种装备，包括传感器、网络、控制器、执行器、工业软件等等，以及包括各类设计、优化工具等。当具备一定知识水平的学生掌握了工具的使用方法，在适当的练习下，即能训练出从事自动化行业基础工作的技能。

图3 工程师能力模型-技能公式

在能力模型中，对技能（SKILL，status of skillful, qualities of qualified engineers）的定义是指以工具使用为导向的从事行业执行类工作的合格工程师所应具备的基本能力。要求从业人员了解在什么时候以什么样的流程及方法，用什么工具完成一个具体的任务的能力。一项具体的技能往往都是以某一具体的产品为基础的。

能力模型五大要素的第三个要素是智力（Intelligence）。智力是指人类所特有的逻辑分析、推理和总结能力。对一名合格工程师的要求仅仅是掌握良好的工具使用技能，但对于资深工程师的要求则需要其能够在行业背景下解决实际问题。这就要求该类工程师必须具备较强的逻辑思维能力，并掌握了更为深入、抽象的理论，才具备了解决问题的可能性。

能力（Capability，status of capable, qualities of senior engineers， ability to find solution）的定义是资深工程师所应具备的特质，即在行业背景下，对所遇到的问题能够迅速做到解决方案的设计、实施和优化。

图4工程师能力模型-能力公式

竞争力（Competence，status of competent, qualities of elite engineers，something that make you different, outstanding.）在能力模型属于最高级别。资深工程师是以解决问题见长，但随着工作经验的不断积累，一小部分具备较强个人素养的资深工程师会形成不断总结、抽象和系统化的能力。他们能够将发现的各类问题迅速进行系统化，总结规律，设计解决方案的规程，甚至制定工业标准，并推动团队或全行业水平不断提高。这类工程师往往是行业精英（Elite）。我们把这类精英工程师所具备的特质定义为竞争力。

图5 工程师能力模型-竞争力公式

二、西门子先进自动化实验教学中心建设模式与功能模块

依据工程师能力模型制定的工程人才培养体系，目的是不断通过实践练习，使受训者从知识与工具的结合，形成从业工程师所需的技能。西门子先进自动化实验教学中心按“技能为主”、“综合能力为主”、“行业案例拓展”三个大层次十个小层次分类进行建设，以达到对学生知识、能力、素质的培养阶梯性推进，满足不同层次、不同能力的学生。

（一）技能层实验室

根据能力模型对技能型人才的要求，从业人员了解在什么时候以什么样的流程及方法，用什么工具完成一个具体的任务的能力。一项具体的技能往往都是以某一具体的产品为基础的。我们的实验室分布也是按照这一要求：

PLC基本技能实验室主要涉及开关量、开环控制、顺序控制等，掌握输入输出、PLC程序编写等；数字通讯与网络现场实验室主要涉及总线、工业以太网设计、实施技能，实现从底层仪表电流信号到顶层管理信息系统数据的传输、隔离与安全等问题；仪表、检测、控制工程基础主要涉及检测、仪表应用技能，模拟量输入输出、简单闭环控制为主，掌握简单控制回路的设计、实施与调试；单片机/数字信号处理涉及一些电子器件开发技能。

它们涉及到的设备有：小型冲压机实训装置、工业网络通讯实训系统、过程仪表检测及控制实训装置、DSP实验装置、S7-1200PLC、Profibus ProfiNet、MODBUS RTU、4-20mA、USS、AS-i、流量仪表、压力仪表、温度仪表、变频器、泵、调节阀等，S7-300PLC；DSP开发实验板等。

（二）综合能力实验室

能力模型中对“能力”这一层次的人才要求是必须具备较强的逻辑思维能力，并掌握了更为深入、抽象的理论，才具备了解决问题的可能性。即在行业背景下，对所遇到的问题能够迅速做到解决方案的设计、实施和优化。按照这一要求我们的实验室做如下规划：

逻辑控制综合能力实验室主要涉及在较为复杂环境下，运用所学的逻辑控制、顺序控制等技能，实现小型传送系统的正常运行。通过对系统状态分析，掌握制造业生产装置鲁棒控制能力；运动控制综合能力实验室主要涉及掌握伺服运动控制器运用的能力，针对不同的应用如焊接、喷涂、追踪等工业生产环节开展实践教学；过程控制综合能力实验室主要涉及在较为复杂的环境下，运用所学的过程仪表与控制技能，在DCS系统上实现多目标耦合条件下的复杂控制系统设计与调试。同时还可进行安全连锁控制教学，以及节能优化等先进控制教学；计算机控制系统实验室主要涉及理解组成计算机自动化系统的部件及系统集成。

主要涉及SINAMICS G120，S7-1200；SINAMICS G120，S7-300；S7-400 DCS；S7-300 PLC；传动系统实训装置、三轴机械手实训装置、高级多功能过程控制实训系统、工业自动化创新实训平台系统等设备。

（三）行业案例拓展实验室

能力模型中属于“竞争力”层次的人才他们能够将发现的各类问题迅速进行系统化，总结规律，设计解决方案的规程，甚至制定工业标准，并推动团队或全行业水平不断提高。这类工程师往往是行业精英。根据这样的培养目标我们将实验室的建设上升到行业，实验室充满行业特色，针对不同行业进行精英培养，“入一行、精一行”。

因此实验室的设置如下：风力发电系统实验室主要涉及在复杂风场环境下，风向的追踪与各类发电机组功率输出的控制，涉及偏航、变浆、解缆等行业特色鲜明的控制目标；多电梯控制系统实验室主要涉及针对多部电梯不同应用场合下的具体要求，运用所学逻辑控制及系统设计等技术，实现多种优化目标下的系统最优化调度控制。设备的设置也具有很强的行业特色：风力发电三维仿真装置、电梯三维仿真软件、S7-1200PLC等。

西门子先进自动化实验教学中心功能分类如表1所示：

表1  西门子先进自动化实验教学中心功能分类

（2）教学方式方法

在课程教学方式上，我们采用了“专业拓展课程中的课程作业模块及综合作业模块采用探究式教学”、“专业拓展课程中的企业课堂由企业高级工程师授课”、“专业拓展课程中的实验课程采用开放预约方式完成”，打破传统的教学观念，培养知识、能力、素质协调发展，强调素质和能力；以人为本，个性化发展；以控制科学与工程学科为核心、多学科交叉，拓展视野、多层次实践教学体系，打造工程能力培养的特色教学环境。

1）强化体验式教学模式，激发学生兴趣，提高学生主动性

单列学分的实训课程、综合实验、课程设计、课程作业、综合作业、工程师课堂等实践课程，采用选课程或选课题制，即实验课题可以是针对某门课程、多门课程以及工程案例的实验项目，学生以团队形式通过实验室开放预约系统申报实验课题，通过自主设计、自主实验、自主分析完成实验项目，提交实验报告，并进行答辩考核。强调自主和团队合作，让学生体验从事探究研发工作的实际过程，积累相应经验和能力。

2）以学科竞赛为契机，培养学生基于完成工程项目的自主学习习惯和创新思维

西门子先进自动化实验教学中心为我院及全校学生参加各类学科竞赛提供了设备和技术平台，特别是依托该中心成立的创新创业中心，为学生科技创新意识的培养和参加学科竞赛的积极性起到了巨大推动作用。在完成各类竞赛任务的过程中，学生必须学习大量课外资料和技能，逐步克服了对教师的依赖，提高了对各类知识的自学能力和自我管理能力。这是传统课程教学所欠缺的素质。

3）利用信息网络智能互动，提高教学效果和教学质量

充分利用科学研究成果，引入最新工程案例，依托现代信息技术，构建动态立体教学体系及网络互动教学环境。西门子先进自动化实验教学中心是西门子公司与我院联合建设的，其初衷是将先进自动化技术和工程师培养机制引入校园，使受教育者分享其先进技术及成果。实验教学中心的行业案例拓展模块为工程人才的培养提供了优质的资源，西门子公司网站为我们设备使用提供技术支持，使得校企联合培养做到实处，极大地提高了教学质量。