自動化新工科專業(yè)課程體系改革與實(shí)踐

蔡林沁 楊萬秀 郭鵬 向敏

摘? 要 緊密結(jié)合新工科建設(shè)需要，以學(xué)生能力培養(yǎng)所需知識點(diǎn)為主線，理工結(jié)合，構(gòu)建自動化專業(yè)課程新體系。深度融合理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，提出基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、綜合性多層次實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式，加大學(xué)生課上課下學(xué)習(xí)強(qiáng)度，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，保障自動化專業(yè)人才的工程素質(zhì)教育水平。

關(guān)鍵詞 新工科;課程體系;工程教育;自動化專業(yè);金課

中圖分類號：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0099-03

Reform and Practice of Curriculum System for Automation New

Engineering//CAI Linqin， YANG Wanxiu， GUO Peng， XIANG Min

Abstract Oriented to new engineering， a new curriculum system for?automation specialty was constructed by combining science and engi-neering. Deeply integrated theory teaching and experiment teaching， the multi-level teaching mode for basic experiment， replication expe-riment， and comprehensiveness experiment was presented to enhance?students learning intensity inside and outside the classroom and tocultivate students independent learning ability， comprehensive prac-tice ability and innovation consciousness.

Key words new engineering; curriculum system; engineering educa-tion; automation specialty; golden course

1 前言

2015年5月，“中國制造2025”國家戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)布，其主線是信息化與工業(yè)化的深度融合、互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)的融合，這是中國新一輪制造發(fā)展的制高點(diǎn)，將會驅(qū)動中國制造向中國智造加速轉(zhuǎn)變。自動化技術(shù)作為智能制造的核心關(guān)鍵技術(shù)，“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的實(shí)施，既向自動化（學(xué)科、專業(yè)）提出挑戰(zhàn)，更為自動化發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇，是未來自動化人才發(fā)揮核心競爭力的重要領(lǐng)域。然而，作為培養(yǎng)我國自動化人才主力軍的我國自動化專業(yè)，特別是承擔(dān)為國家培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的普通高等本科院校自動化專業(yè)，從全國整體上看，其課程體系未能根據(jù)自動化技術(shù)的新發(fā)展和國家新戰(zhàn)略做出相適應(yīng)的、根本性的改變，教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后于最新的自動化科技發(fā)展[1]。

2017年，教育部出臺新工科建設(shè)方案。在此背景下，一些高校進(jìn)行了新工科背景下的多學(xué)科教學(xué)改革嘗試，將工程問題引入課堂進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，在課程中間設(shè)計(jì)帶有研究性、設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)，提高學(xué)生理解程度和實(shí)踐動手能力，為培養(yǎng)學(xué)生工程意識和創(chuàng)新能力提供了重要支撐[2]。然而，以往課程體系改革大多著重于專業(yè)課程與專業(yè)基礎(chǔ)課程，不能從根本上改變當(dāng)前自動化專業(yè)課程體系在培養(yǎng)自動化工程人才中存在的典型問題。

本文在重慶郵電大學(xué)承擔(dān)的教指委“自動化專業(yè)課程體系改革與試點(diǎn)”項(xiàng)目的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合新形勢下“中國制造2025”國家發(fā)展戰(zhàn)略及新工科建設(shè)對自動化人才培養(yǎng)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，介紹自動化專業(yè)課程體系改革關(guān)鍵措施，供相關(guān)專業(yè)課程體系建設(shè)參考。

2 緊密結(jié)合新工科建設(shè)需要，以學(xué)生能力培養(yǎng)要求所需知識點(diǎn)為主線，理工結(jié)合，構(gòu)建新形勢下自動化專業(yè)新體系

根據(jù)自動化技術(shù)在當(dāng)前科技發(fā)展新形勢下面臨的問題與機(jī)遇，特別是“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實(shí)施及工業(yè)4.0、“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息科技新浪潮對自動化工程人才的能力培養(yǎng)需求[3]，不斷深化對自動化專業(yè)內(nèi)涵的認(rèn)識，進(jìn)一步梳理“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實(shí)施對自動化專業(yè)人才的需求及其知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)典型自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施所需的專業(yè)知識與能力素質(zhì)為主線，從時(shí)間維度和空間維度上，按“人文—數(shù)理—工程技術(shù)基礎(chǔ)—自動化技術(shù)基礎(chǔ)—控制理論與方法—控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)—自動控制工程技術(shù)—網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”的邏輯結(jié)構(gòu)，文理通融，理工結(jié)合，徹底打破傳統(tǒng)自動化專業(yè)課程體系構(gòu)建模式，突破傳統(tǒng)自動化課程體系下多門課程的設(shè)置方式，以能力培養(yǎng)所需的知識結(jié)構(gòu)來構(gòu)建新形勢下自動化專業(yè)課程體系，不斷優(yōu)化各知識模塊間的邏輯結(jié)構(gòu)，有效減少知識點(diǎn)的重復(fù)和理論課程學(xué)時(shí)，把更多時(shí)間用于加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。在教學(xué)組織模式上，各模塊可跨多個(gè)學(xué)期，強(qiáng)調(diào)各知識點(diǎn)的連貫性和系統(tǒng)性;突出人文、數(shù)理類知識教育在培養(yǎng)新形勢下自動化工程技術(shù)人才綜合素質(zhì)和工程素養(yǎng)方面的作用。

新的課程體系如圖1所示，包括人文社會科學(xué)模塊、數(shù)學(xué)模塊、物理模塊、工程技術(shù)基礎(chǔ)模塊、自動化技術(shù)基礎(chǔ)模塊、控制系統(tǒng)理論與方法模塊、控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)模塊、自動控制工程模塊和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模塊[3]，由A學(xué)分和B學(xué)分兩部分組成，共157學(xué)分。

3 深度融合理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，打造專業(yè)金課，加大學(xué)生課上課下學(xué)習(xí)強(qiáng)度，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新意識

教育部“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0的核心任務(wù)之一是一流課程建設(shè)“雙萬計(jì)劃”，即“金課”建設(shè)，以提高課程的挑戰(zhàn)度，打造金課，淘汰水課，是要讓學(xué)生忙起來，教學(xué)活起來，學(xué)校管理嚴(yán)起來[4]。

首先，基于CDIO工程教育理念，構(gòu)建適應(yīng)自動化工程能力培養(yǎng)的多層次綜合性實(shí)踐教學(xué)模式，在新課程體系下深度融合理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突破傳統(tǒng)理論課與實(shí)驗(yàn)課的劃分方式。對基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融合，不斷探索“邊講理論邊做實(shí)驗(yàn)，或通過實(shí)驗(yàn)引出理論問題，再講解基本原理和方法，通過實(shí)驗(yàn)加深對理論問題的理解”的新模式。

其次，基于CDIO工程能力培養(yǎng)教育理念，考慮各知識點(diǎn)的邏輯性和完整性，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，課堂上主要講授實(shí)驗(yàn)構(gòu)思思路與基本原理、設(shè)計(jì)方法和實(shí)施步驟，演示實(shí)驗(yàn)實(shí)施關(guān)鍵過程和結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生對涉及的理論知識點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)思路與策略、設(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果等進(jìn)行分析、討論，實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)現(xiàn)（實(shí)施）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等由學(xué)生在課后完成;然后采用翻轉(zhuǎn)課堂模式[5]，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)由學(xué)生在課堂匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師作進(jìn)一步點(diǎn)評、引申，激發(fā)學(xué)生不斷進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，進(jìn)而加大學(xué)生課上課下學(xué)習(xí)強(qiáng)度，提高課程學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與實(shí)踐動手能力。

最后，各模塊（章節(jié)）完整的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)結(jié)束，結(jié)合實(shí)際工程案例，精心設(shè)置綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生（或?qū)W生小組）按照CDIO工程教育思想與方法，自主選擇實(shí)驗(yàn)對象，自己構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案，綜合考慮實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)施中的非技術(shù)因素，如安全、經(jīng)濟(jì)、倫理、環(huán)保等，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程，獲得有用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，切實(shí)加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識。

4 將工程素質(zhì)教育貫穿于專業(yè)課程教學(xué)和人才培養(yǎng)的全過程，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

2018年10月，教育部在《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科 實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》中指出：樹立工程教育新理念，著力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實(shí)施案例教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)等研究性教學(xué)方法，注重綜合性項(xiàng)目訓(xùn)練[6]。面向新形勢下“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實(shí)施及新工程建設(shè)對自動化工程人才的能力培養(yǎng)需求，深入分析工程教育專業(yè)認(rèn)證對自動化專業(yè)人才解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的具體要求及其工程教育屬性與特征，在人才培養(yǎng)過程中，除了加強(qiáng)人文社會科學(xué)類課程所承擔(dān)的思想道德、文化和身心素質(zhì)教育外，堅(jiān)持把與工程教育密切相關(guān)的創(chuàng)新意識、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展、總結(jié)與表達(dá)、溝通與合作等非技術(shù)因素方面的工程素質(zhì)教育貫穿于專業(yè)課程教學(xué)和人才培養(yǎng)的全過程，保障新形勢下自動化專業(yè)人才的工程素質(zhì)教育水平。

與此同時(shí)，加強(qiáng)工程素質(zhì)教育中復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的綜合實(shí)踐平臺建設(shè)與實(shí)踐。有效結(jié)合科研成果，面向自動化領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題，選擇新課程體系中典型工程實(shí)踐類模塊，構(gòu)建基于復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的綜合實(shí)踐平臺，貫穿整個(gè)模塊的教學(xué)活動，有效提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。如對于“控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”模塊，主要涉及計(jì)算機(jī)與編程語言基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、PLC和工程控制軟件設(shè)計(jì)等知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)以“單片機(jī)最小系統(tǒng)—智能小車—智能小車協(xié)同控制（車聯(lián)網(wǎng)/車載儀表）—立體車庫”為主線，構(gòu)造由立體倉庫、多個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人與智能小車以及車聯(lián)網(wǎng)組成的復(fù)雜自動化系統(tǒng)作為綜合性開發(fā)/實(shí)驗(yàn)平臺，教學(xué)過程的各環(huán)節(jié)，包括理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)以及課外設(shè)計(jì)/開發(fā)，均與該平臺密切結(jié)合。

單片機(jī)部分要求組裝并開發(fā)智能小車及其控制系統(tǒng);嵌入式部分要求開發(fā)車聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)，并與智能小車及其控制系統(tǒng)集成，以支持智能小車的協(xié)同控制;PLC部分要求開發(fā)出立體倉庫及搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng);工程控制軟件設(shè)計(jì)部分要求能為相應(yīng)子系統(tǒng)軟件的開發(fā)提供合適的解決方案。整個(gè)項(xiàng)目貫穿模塊內(nèi)的主要知識點(diǎn)，而且要求多個(gè)課外綜合型開發(fā)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果最終能集成運(yùn)行。在系統(tǒng)集成開發(fā)過程中，要求學(xué)生綜合考慮經(jīng)濟(jì)、可靠性等制約因素，評價(jià)技術(shù)選擇是否合理、設(shè)計(jì)方案是否先進(jìn)，把創(chuàng)新意識、科學(xué)研究方法、工程意識、管理決策等工程素質(zhì)教育融入系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)教學(xué)活動中，培養(yǎng)學(xué)生從事工程職業(yè)所具有的綜合能力和素質(zhì)。

5 結(jié)語

1）緊密結(jié)合新工科建設(shè)需要，以學(xué)生能力培養(yǎng)要求所需知識點(diǎn)為主線，理工結(jié)合，構(gòu)建自動化專業(yè)課程新體系，包括人文社會科學(xué)模塊、數(shù)學(xué)模塊、物理模塊、工程技術(shù)基礎(chǔ)模塊、自動化技術(shù)基礎(chǔ)模塊、控制系統(tǒng)理論與方法模塊、控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)模塊、自動控制工程模塊和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)模塊共九大模塊。

2）深度融合理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)，提出基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性、綜合性多層次實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式，打造專業(yè)金課，加大學(xué)生課上課下學(xué)習(xí)強(qiáng)度，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

3）將工程素質(zhì)教育貫穿于專業(yè)課程教學(xué)和人才培養(yǎng)的全過程，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，加強(qiáng)綜合實(shí)踐平臺建設(shè)與實(shí)踐，保障新形勢下自動化專業(yè)人才的工程素質(zhì)教育水平。

參考文獻(xiàn)

[1]吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業(yè)人才培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2015（8）：9-11.

[2]趙肖宇，田芳明，譚峰.新工科背景下自動控制原理課程的分層次教學(xué)模式研究[J].高師理科學(xué)刊，2019，39（5）：83-85，90.

[3]王平，蔡林沁，呂霞付，等.基于工業(yè)化與信息化深度融合的自動化專業(yè)課程體系改革[M]//2017年全國自動化教育學(xué)術(shù)年會論文集.2017（8）：628-632.

[4]教育部.介紹“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0有關(guān)情況[DB/OL].[2019-04-29].http：//www.moe.gov.cn/fbh/live/2019/50601/twwd/201904/t20190429_380086.html.

[5]王坤.“自動控制原理”課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究與思考[J].教育現(xiàn)代化，2019（4）：138-140.

[6]教育部 工業(yè)和信息化部 中國工程院 關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.