“新工科”背景下以智能技術為牽引重構工程實踐課程體系

仝月榮，陳江平，姜艷霞

（上海交通大學 學生創(chuàng)新中心，上海 200240）

縱觀工業(yè)發(fā)展史，每一次產(chǎn)業(yè)革命都會因產(chǎn)業(yè)結構和經(jīng)濟形態(tài)的調整而大大促進教育和人才培養(yǎng)的變革發(fā)展。以蒸汽機為代表的機械化第一次工業(yè)革命、以電氣化為標志的第二次工業(yè)革命、以信息化為標志的第三次工業(yè)革命，以及以“人大物云”為標志的第四次工業(yè)革命，都有一個共同的規(guī)律：科技創(chuàng)新驅動產(chǎn)業(yè)革命[1]。而這一規(guī)律背后的真正強大動力是教育和人才，發(fā)達國家的歷史經(jīng)驗證明，主動調整高等教育結構、發(fā)展新型前沿學科專業(yè)，是推動國家和區(qū)域人力資本結構轉變、實現(xiàn)從傳統(tǒng)經(jīng)濟向新經(jīng)濟轉變的核心要素[2]。為主動適應新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐“中國制造2025”、創(chuàng)新驅動發(fā)展、“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”等一系列國家戰(zhàn)略，培養(yǎng)一大批實踐能力強、能夠解決復雜工程問題的復合型、創(chuàng)新性工程人才，教育部積極推進“新工科”建設，開展高等工程教育的主動布局和深化改革，高校圍繞人才培養(yǎng)結構、模式和內容積極開展變革探索。

課程體系是學校人才培養(yǎng)理念、人才培養(yǎng)目標的載體和依托。工程實踐課程體系擔負著培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新思維的重要職責，傳統(tǒng)的工程實踐課程體系因受到課程內容更新迭代緩慢滯后、師資水平較低、教學模式單一等多種因素制約無法對技術變革和社會需求迅速作出響應。各高校結合當前人才培養(yǎng)的新要求，開始對工程實踐課程體系進行升級改革。而在新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術發(fā)揮了極強的引領作用，成為實現(xiàn)我國科技跨越式發(fā)展、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、生產(chǎn)力躍升的戰(zhàn)略資源[3]。因此，如何適應創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，將業(yè)界新技術資源引進學校并轉化為育人資源，充實課程內容，賦能傳統(tǒng)課程體系，使其煥發(fā)生機和活力，已成為高等工程教育改革的迫切所需。本文將結合我校學生創(chuàng)新中心轉型發(fā)展建設經(jīng)驗，圍繞首批國家雙創(chuàng)示范基地建設，積極探索以產(chǎn)教深度融合為依托，以智能技術為牽引，面向時代發(fā)展需求的工程實踐課程體系[4]。

1 傳統(tǒng)工程實踐課程體系存在的問題

實踐教學是生成綜合創(chuàng)新能力和工程實踐能力的關鍵，是工程教育的核心環(huán)節(jié)。工程訓練中心是工科高校實施工程實踐教學的基礎性平臺，個別高校自20世紀90 年代開始探索實踐工程訓練中心建設，教育部通過實施“面向21 世紀的教學改革項目”、世界銀行貸款“高等教育發(fā)展項目”等在部分高校進行布點示范，逐步明確工程實踐教育教學改革方向，并通過為期5 年的“質量工程項目”將工程訓練中心建設在全國高校中進行了快速推進和全面鋪開[5]?？梢哉f工程訓練教學已經(jīng)形成一種獨立完整的實踐教學體系?！靶鹿た啤苯ㄔO強調工程教育要更具備實用性、交叉性與綜合性，相比傳統(tǒng)工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟人才需要更深入的創(chuàng)新實踐、學科交叉和產(chǎn)學結合[6]。按傳統(tǒng)的電、鑄、鍛、壓、焊、車、銑、刨、磨、鉗等模塊進行校內工程訓練的傳統(tǒng)實訓課程體系、教學內容難以滿足當下的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實需求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）教學內容滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，迭代更新速度緩慢。金工實習作為高校實踐教學的核心課程，其教學內涵和形式多年保持不變，“一把榔頭打天下”，主要通過學習和實踐車、銑、刨、磨等工種的工藝和操作培養(yǎng)學生的工程實踐能力。使用的教學設備多年不變，很多設備工業(yè)界早已淘汰，滯后于信息化、智能化的生產(chǎn)加工工藝，造成教學與工程實際和科技發(fā)展需求脫節(jié)嚴重[7]。

（2）教學組織形式單一，教學模塊之間相互孤立。在課程設置上，傳統(tǒng)金工實習的車、銑、刨、磨和電子、電工模塊等均是獨立授課、獨立考核，各模塊交流較少，且有關聯(lián)性模塊在教學內容上有一定重復性。學生很難通過各個模塊對工程實踐產(chǎn)生一個系統(tǒng)的認識。交叉學科融匯度低，也導致學生在學習與專業(yè)契合度不大的模塊時缺乏興趣與熱情。學生仍舊把工程實踐僅當做一門理論與動手簡單結合的課程來學習，沒有建立大工程視野，綜合能力培養(yǎng)不足[8]。

（3）重技術指導，輕文化滲透，課程體系中缺少文、管等相關內容設置。教學內容以專業(yè)知識講解和設備操作為主，缺少培養(yǎng)國際工程教育必備素養(yǎng)中的團隊合作能力、社會責任、保護環(huán)境意識、管理知識、倫理知識等綜合素質的教學環(huán)節(jié)[9]，需要構建文工融合，以文化工的工程實踐育人環(huán)境和資源。

（4）創(chuàng)新資源轉化為育人資源，持續(xù)完善課程體系的機制尚不健全。工程實踐教學覆蓋面大、涉及學科多，因此對實踐場地和硬件設施也有相應要求。而創(chuàng)新實驗室的資源優(yōu)勢轉化為育人優(yōu)勢的機制尚未形成，未能將學?？蒲袃?yōu)勢轉化為育人優(yōu)勢，需要探索和建設科教融合協(xié)同發(fā)展的模式。

2 以智能技術為牽引的工程實踐課程體系構建與實踐

2016 年，我校成功入圍首批國家雙創(chuàng)示范基地。為加快創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，學校將原工程訓練中心改建為學生創(chuàng)新中心。經(jīng)過幾年的建設，學生創(chuàng)新中心的各項工作成果贏得了校內外的高度認可。在課程體系方面，針對上述問題進行了系統(tǒng)改革。

2.1 落實“四位一體”人才培養(yǎng)理念，搭建進階式工程實踐課程體系框架

在學?？傮w的能力建設、知識探究、人格養(yǎng)成和價值引領“四位一體”培養(yǎng)理念下，學生創(chuàng)新中心秉承以學生為中心，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力、寬厚基礎、人文情懷和全球視野的卓越創(chuàng)新人才作為目標，在保留并加強原有工程實踐教學的基礎上，對原有工程實踐課程體系升級改造?！叭龣M三縱”工程實踐課程體系如圖1 所示。

圖1 “三橫三縱”工程實踐課程體系

課程框架以未來前沿技術為牽引，拓展教學領域，開展跨學科融合教學，建設體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術最新發(fā)展的新技術課程群。通過重構現(xiàn)有必修、通識核心、通選和公開課程，優(yōu)化完善課程模塊，構建多層次、模 塊化、遞進式、可持續(xù)改進的工程實踐課程體系。在通識教育層面普及認知，強化實踐，夯實基礎；在專業(yè)興趣層面進行技術探究，跟蹤前沿，開闊眼界；在個人發(fā)展的層面訓練競賽，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，志存高遠。每個層次的教學內容都和學生的學習階段和專業(yè)特點相適應。層次多樣的課程架構既兼顧工程專業(yè)通性需求，又可以滿足不同專業(yè)學生多樣化的需求，讓學生從一年級開始一直到畢業(yè)前都有機會進入學生創(chuàng)新中心選修不同課程，進行不同層次的工程技術實踐訓練，有計劃地做到夯實基礎、寬口徑教育，從而培養(yǎng)學生的實踐動手能力、工程素質和創(chuàng)新能力，增強學生的綜合能力。

2.2 持續(xù)改進和整合工程實踐課程體系的舉措及實施路徑

為縮短工程實踐與業(yè)界實際差距，以產(chǎn)教融合為依托，持續(xù)引進業(yè)界優(yōu)質資源賦能傳統(tǒng)實踐課程體系。圍繞IT、機器人、無人機、智能制造等創(chuàng)新實驗室的建設，校企共建，逐步將企業(yè)資源以建成通選課，嵌入通識核心課程、必修課程模塊等學分課程的方式融入學校工程實踐課程體系。一方面，通過建設系列校企合作精品課程及深化工程認知和工程技術探究兩門通識核心課程的改革，構建面向全校本科生，以智能新技術為牽引，融合商科、設計、文化、藝術等相關內容，著力綜合素養(yǎng)提升的通識實踐課程系列。另一方面，在通識實踐體系中通過校企合作形成的創(chuàng)新模式和內容，通過工程實踐課程持續(xù)輸入工程實踐訓練體系之中，不斷改進工程實訓的教學內容和組織形式，為傳統(tǒng)工程實訓課程帶來生機和活力。工程實踐課程體系構建舉措和實施路徑如圖2所示。

圖2 工程實踐課程體系構建舉措和實施路徑

2.3 以智能技術為牽引的模塊化、融合性通識工程實踐教學內容

工程技術探究作為高階通識實踐核心課程，以Fab-lab 創(chuàng)新實驗室為依托，通過將實驗室的創(chuàng)新優(yōu)勢轉化為育人資源的模式深化課程改革，課程由兩位教授領銜的團隊主講，內容涉及環(huán)境、材料、生命、機器人、IT、無人車、無人機等多領域，為本科生開展工程技術探究開啟良好開端。課程分為必修和選修模塊，必修模塊為2 學時的工程技術探究概論，從大工程角度講述工程技術的重要性以及廣泛的應用性，深入淺出的分析現(xiàn)代背景下工程技術的前景和發(fā)展方向，讓學生對工程技術建立初步的理解和認識。選修部分共多個模塊，為不同專業(yè)背景和學習興趣的學生提供了多元化的選擇。每位學生可以選擇感興趣的模塊，深入了解和學習相關技術內容，從不同的角度對工程技術進行思考與探究。工程技術探究課程教學和組織形式如圖3 所示。

圖3 工程技術探究課程教學和組織形式

（1）嵌入文化、經(jīng)管內容，形成文工融合的寬厚工程通識實踐教育新范式。在通識教育模塊中依托通識核心課程，以文輔工，將項目管理、財務預算、成本工程、外觀設計、法律合規(guī)等內容覆蓋到工程實踐中?？紤]技術的社會效益和商業(yè)化目標，將單純的技術創(chuàng)新變?yōu)橄到y(tǒng)性的工程問題解決方案，通過綜合訓練，提升學生的統(tǒng)籌協(xié)調、管理領導能力，提高學生綜合素養(yǎng)。以文化工，以使命為驅動，將工程倫理、職業(yè)文化有機融入實踐教學，技術報國，弘揚大國工匠精神，培育能力強、有擔當、敢負責的國家棟梁。

（2）產(chǎn)教融合建校企精品課，籌建未來技術型輔修專業(yè)。積極深化校企合作關系，采用面上拓展與點上深挖相結合的形式促進產(chǎn)教深度融合。在校企課程建設中，以行業(yè)領軍企業(yè)為標桿，積極同華為，騰訊，英特爾，谷歌，德州儀器，NI 等公司開展深度的課程合作，邀請企業(yè)工程師來校授課，提升課程的深度和廣度。同時將課程同比賽相結合，以賽促學，打通理論課堂同實踐相結合的通道。按照“金課”建設標準打造一批校企合作精品課程，依托校企精品課程群構建面向未來技術的輔修專業(yè)，系統(tǒng)培養(yǎng)國家戰(zhàn)略需求的創(chuàng)新型工程人才。

2.4 分類分層、線上線下、項目引導推進工程實訓課程改革

項目式教學是一種以學生為中心，使學生通過積極探索現(xiàn)實生活中的挑戰(zhàn)，解決實際存在的問題來獲取知識的一種教學方法[10]。工程實訓教學改革采用項目式教學，串聯(lián)整合各相關教學模塊，將學、思、練、用有機結合，同時，根據(jù)學生情況及實際需求進行分類分層，線上線下相結合，系統(tǒng)培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

（1）課程組織。以系統(tǒng)工程思維整合教學模塊。從系統(tǒng)工程的角度引導學生開展實踐學習，覆蓋項目開發(fā)的全流程。多模塊聯(lián)合實踐教學在項目引導式實踐教學的基礎上，將有關聯(lián)的各個模塊有效地融合在一起，去除重復的教學內容，將各模塊無縫連接。

（2）內容安排。采用“概論課—各實踐模塊理論教學—總結與項目引導”這種“總—分—總”的方式，從初步了解到理論學習再到系統(tǒng)地梳理，遞進式地讓學生了解工程實踐的系統(tǒng)性、各個模塊的關聯(lián)性。項目引導式聯(lián)合實踐課程改革，打破傳統(tǒng)的教學設計思路，創(chuàng)設真實問題開展情景式教學。小組合作學習，以學生為中心的主動式學習，培養(yǎng)學生解決產(chǎn)業(yè)復雜問題的綜合能力。項目引導式實踐能夠促進學生主動思考，探索理論與實踐的結合；以團隊形式，解決項目開發(fā)過程中出現(xiàn)的各類問題，能夠鍛煉學生在團隊協(xié)作中的各項能力。

（3）教學形式。中心結合當今學生學習習慣采用依賴信息技術，收集相關教學材料開展網(wǎng)絡教學、錄制微課等，針對不同的學生群體，實施線上線下結合的教學模式，實現(xiàn)優(yōu)質教學資源的開源。學生也可以根據(jù)自身的基礎和專業(yè)需求，自主安排學習時間和拓展學習內容。

2.5 依托新技術創(chuàng)新實驗室建設，通過產(chǎn)教深度合作，將創(chuàng)新優(yōu)勢資源轉化為育人資源

通過前期建設，中心建設了無人機、機器人、智能制造、IT、Fab-lab 等創(chuàng)新實驗室，并依托創(chuàng)新實驗室的相關方向充分開展與業(yè)界的深入合作，形成了師資、前沿技術、應用場景、教學案例等創(chuàng)新資源。中心及時整合實踐創(chuàng)新資源，并將其注入通識課、選修課、實踐必修課、工程導論等課程中，將創(chuàng)新優(yōu)質資源轉化為育人資源（見圖4），從而提升學生的眼界、思路和對事物的認知，逐漸形成創(chuàng)新資源轉化為育人資源的長效機制。

圖4 將創(chuàng)新優(yōu)勢資源轉化為育人資源

2.6 多措并舉，保障教學質量

（1）構建高水平師資隊伍，提升教學水平。高水平的師資隊伍是課程順利開展的必要保障。通過探尋靈活多樣的人員聘用方式，積極導入外部優(yōu)質資源，從社會各行業(yè)、優(yōu)秀合作伙伴中尋找符合需求的高層次人員，參與創(chuàng)新課程講授及創(chuàng)新指導工作，為學生近距離接觸行業(yè)前沿知識創(chuàng)造條件，從而為工程實踐課程體系改革發(fā)揮引領作用。進行多途徑內部培育，提升現(xiàn)有師資水平。一是將優(yōu)秀專家“請進來”，聘請校內外優(yōu)秀專家學者，組織開展各種類型的師資培訓；二是組織教職工“走出去”，組織教師赴兄弟高校調研學習，赴優(yōu)秀企業(yè)參觀學習，派遣教師到國外高校學習交流，開拓教職工視野；三是積極加強內部融合溝通，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，積極組織各類體驗式學習和團隊活動，開展科研創(chuàng)新與基礎實踐互補互通。

（2）構建多層次、全過程、全方位質控體系，保障教學質量。形成教學指導委員會、教學督導組、教研組、實驗室層次化的質控體系，對教學環(huán)節(jié)的全過程監(jiān)督指導，保障教學質量。教學指導委員會負責對工程實踐教學進行頂層設計和規(guī)劃指導，包含課程定位、教學方案和培養(yǎng)目標等；教學督導組進行教學過程監(jiān)督、質量檢查和指導；教研組按團隊教學，匯聚教師個人智慧，共編教學大綱和教案，合力打造工程實踐“金課”，并對學生學習效果進行評定。

3 以智能技術為牽引的工程實踐課程體系建設成效

中心聚焦課程這一教育最核心的要素，以“學生中心、未來科技、學科交叉、持續(xù)改進”理念為改革方向，采用項目引導式教學模式，工文融合，實現(xiàn)學生分類發(fā)展。同時加強師資隊伍建設，構建了教學質量控制體系，為教學效果提供保障。經(jīng)過一段時間的實踐，已經(jīng)初見成效。

3.1 初步建成以智能技術為牽引的校企合作課程群

中心建設了體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術最新發(fā)展的新課程群，包括物聯(lián)網(wǎng)、無人機、機器人、AI、智能網(wǎng)絡技術、材環(huán)化分技術、新能源技術、新材料制造技術（3D打印等）。重點推進人工智能+、互聯(lián)網(wǎng)+、機器人、增材制造、虛擬仿真等課程群建設。這些課程以行業(yè)企業(yè)的前沿技術為牽引，采用校企合作共建共行的模式以講座、訓練營和學分課等形式進入學校課堂，一座難求，受到學生充分的認可。2019 年度校企合作共建課程群如圖5 所示。

圖5 2019 年度校企合作共建課程群

3.2 校企協(xié)同育人模式初步形成

近年來，學生創(chuàng)新中心與國際一流公司、國內外科技企業(yè)、大型國企、優(yōu)秀初創(chuàng)公司、研究機構、創(chuàng)業(yè)園區(qū)等建立起良好的合作關系，合作單位已近80家，共建有多個聯(lián)合創(chuàng)新人才中心，引入多種最新的企業(yè)技術開發(fā)平臺。

經(jīng)過幾年的建設，中心共聘任120 多名企業(yè)導師，校企的課程已經(jīng)有了廣泛的覆蓋面，涉及各個方向。每年開設公開課、選修課、通識課等多種類型的企業(yè)課程30 多門，并有部分企業(yè)教學單元進入基礎實踐教學體系，與華為和NI 的合作模式也推廣到國內眾多兄弟院校。同華為合作的物聯(lián)網(wǎng)課程和人工智能公開課，孵化出來兩支冠軍隊伍，發(fā)揮了校企融合的重要作用。

校企合作開展了多種形式的校企合作專題活動，包括多場前沿技術講座與工作坊，開設不同專題的師資培訓，設立多個由行業(yè)優(yōu)秀的工程師對學生進行指導的企業(yè)創(chuàng)新實踐課題，指導學生通過企業(yè)技術認證和提供企業(yè)觀摩與實習的機會等，為學生和教師提供了實踐、探究的空間和條件，提供零距離接觸行業(yè)前沿科技的良好機會。

3.3 良好的創(chuàng)新實踐氛圍初具效應

在我校學生創(chuàng)新中心，誕生了以機器人、智能駕駛、無人機等為主題的6 大競賽科創(chuàng)社團。截至2019年，社團已經(jīng)吸引了超過800 名學生進行科創(chuàng)競賽活動，參加了包括RoboMaster 機甲大師賽、世界頭腦奧林匹克競賽等國內外著名機器人賽事，收獲頗豐，并于2019 年獲評優(yōu)秀中美青年創(chuàng)客交流中心，進一步提升了學生創(chuàng)新中心在學生科技創(chuàng)新方面的國際知名度。目前，中心已經(jīng)建立健全全覆蓋“基礎實踐訓練—交叉創(chuàng)新研究—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”的實踐體系，學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍空前濃厚，已經(jīng)越來越成為人氣創(chuàng)新磁場與創(chuàng)新樂園。

4 結語

中心積極探索在新時代下工程實踐課程體系改革，通過線上線下、分層分類、項目引導、模塊整合的工程實訓課程教學新模式，嵌入文化、管理等教學內容，形成一套新形勢下以智能技術為牽引、基于項目式教學、文工融合的可持續(xù)改進工程實踐課程體系，并在學校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中發(fā)揮作用。下一步中心將依托產(chǎn)教深度融合，持續(xù)改進教學內容和形式，打造校企合作精品課程群，建成一個未來技術輔修專業(yè)，發(fā)揮其輻射效應。