融合信息化、智能化和產(chǎn)業(yè)化的電氣專業(yè)教學(xué)探索

馮興田 馬文忠 趙仁德 董 磊

(中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院， 青島 266580)

工科大學(xué)教育的主要目的是培養(yǎng)高級(jí)工程技術(shù)人才，要求學(xué)生在具備專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，必須緊跟社會(huì)、科技的發(fā)展，具有相當(dāng)?shù)姆治鲅芯亢蛯?shí)踐創(chuàng)新能力，從而在以后的工作學(xué)習(xí)中創(chuàng)造性地解決工程技術(shù)難題[1]。新工科建設(shè)、“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃、工程教育認(rèn)證、中國制造2025、“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等國家重要戰(zhàn)略對(duì)我國高等教育改革發(fā)展提出新的要求，工科專業(yè)面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，使得專業(yè)建設(shè)和專業(yè)教學(xué)改革成為當(dāng)務(wù)之急。電氣工程及其自動(dòng)化(以下簡(jiǎn)稱電氣)專業(yè)，是一門涉及電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)電器技術(shù)、信息與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)等諸多領(lǐng)域的綜合性較強(qiáng)的專業(yè)[2-3]。作為電氣信息類工科專業(yè)，在教學(xué)中運(yùn)用信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，有助于學(xué)生密切關(guān)注學(xué)科前沿，結(jié)合學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研無縫鏈接。

為了加強(qiáng)電氣專業(yè)本科生在新工科建設(shè)環(huán)境下，積極開展融合信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，很多高校和專家學(xué)者都在積極探索實(shí)踐體系和教學(xué)模式：①他們?cè)谂囵B(yǎng)方案、課程設(shè)置和成果評(píng)價(jià)等方面，基于OBE理念提出了具體實(shí)施策略，展現(xiàn)了信息化、產(chǎn)業(yè)化和安全化在其中發(fā)揮的重大作用；②改造傳統(tǒng)教學(xué)模式，融入智能化元素，實(shí)踐了泛在、移動(dòng)、個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的應(yīng)用；③借鑒“互聯(lián)網(wǎng)+”商業(yè)模式，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理模式創(chuàng)新，緊密結(jié)合信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化元素，實(shí)現(xiàn)電氣專業(yè)的特色建設(shè)[4-6]。

中國石油大學(xué)(華東)電氣專業(yè)于2014年9月開始實(shí)施教育部“卓越工程師”培養(yǎng)試點(diǎn)，2019年申請(qǐng)工程教育專業(yè)認(rèn)證并順利通過。在國際國內(nèi)的新工科建設(shè)背景下，不斷跟隨科技發(fā)展，對(duì)于專業(yè)建設(shè)和教學(xué)改革，有機(jī)融入信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化的思想，不斷加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、工程實(shí)踐和工程創(chuàng)新能力，當(dāng)前電氣專業(yè)還在不斷開展有益的探索和實(shí)踐。

1 教學(xué)改革總體實(shí)施方案

新工科背景下融合信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化的電氣工程專業(yè)教學(xué)探索，依托電氣工程卓越計(jì)劃和新工科建設(shè)目標(biāo)，以突出工程教育理念，提升學(xué)生工程思維、工程實(shí)踐和工程創(chuàng)新能力為中心，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為突破口，緊密跟隨新技術(shù)的發(fā)展，將電氣專業(yè)的知識(shí)內(nèi)容與前沿科技發(fā)展有機(jī)結(jié)合，通過實(shí)施可行的具體措施，探索適合的教學(xué)方法和教學(xué)模式。具體的教學(xué)改革方案如圖1所示：信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化相互交織融合，工程思維、工程創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力相互滲透提升。

圖1 融合信息化、智能化和產(chǎn)業(yè)化的教學(xué)改革方案

2 教學(xué)改革具體措施

2.1 信息化應(yīng)用培養(yǎng)工程思維能力

近年來專業(yè)已建設(shè)了一批線上資源，但廣大師生仍習(xí)慣于傳統(tǒng)課堂模式，不過在疫情期間通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生還是青睞于在線直播方式，多數(shù)教師也身陷其中；即便課程擁有完整豐富的線上教學(xué)資源，仍然首選在線直播授課的方式。鑒于此，信息化建設(shè)依然秉承客觀規(guī)律，循序漸進(jìn)，從資源規(guī)劃開發(fā)，到資源整合利用，再到教學(xué)模式改革，逐步推進(jìn)。首先充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，引入國內(nèi)外優(yōu)秀課程建設(shè)平臺(tái)(如中國大學(xué)MOOC、智慧樹等)，積極推動(dòng)資源與經(jīng)驗(yàn)共享，加強(qiáng)相互合作，建設(shè)一流線上課程；根據(jù)專業(yè)課程屬性、類型、難易度等具體特點(diǎn)，施行分等級(jí)、分層次、分階段建設(shè)，有序推進(jìn)“全部課程上網(wǎng)計(jì)劃”；探索信息化應(yīng)用方法，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)提高在線教學(xué)的課程利用率；研究信息化教學(xué)考核方法，完善課程考核體系。

以國家一流、省一流課程申報(bào)建設(shè)為契機(jī)，針對(duì)線上優(yōu)質(zhì)課程、線上線下混合課程，完善課程線上資源。專業(yè)課最大的挑戰(zhàn)，就是技術(shù)的快速迭代，尤其是在電氣行業(yè)，各種新的控制策略、控制平臺(tái)和控制對(duì)象不斷涌現(xiàn)，促使持續(xù)改進(jìn)原有的控制策略，以適應(yīng)新的控制要求；控制平臺(tái)的進(jìn)化，特別是人工智能的興起，需要不斷完成控制平臺(tái)與控制策略的適配；新的應(yīng)用場(chǎng)景，新的控制對(duì)象，需要不斷的探索，教學(xué)內(nèi)容也要隨之調(diào)整、更新，信息化教學(xué)資源也要與時(shí)俱進(jìn)、不斷完善。在現(xiàn)有信息化資源的基礎(chǔ)上，豐富資源的寬度、廣度和深度，提高資源的新穎性、可視化和吸引力。

借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突破時(shí)間、空間限制的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，搭建課程遠(yuǎn)程互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)。利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源開展更多啟發(fā)式、探究式、討論式等教學(xué)探索，加強(qiáng)信息化資源的應(yīng)用，同時(shí)促使學(xué)生具備越來越強(qiáng)的互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)技能和信息技術(shù)應(yīng)用技能。特別是一些對(duì)于智能化先進(jìn)技術(shù)的具體應(yīng)用案例，很能吸引學(xué)生的興趣。從前期引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，并不斷注入工程理念和工程思維，逐步進(jìn)展到學(xué)生主動(dòng)接受、樂在其中，享受知識(shí)帶來的幸福感。

尋求科學(xué)教學(xué)方法和教學(xué)模式是教學(xué)改革的重要內(nèi)容。教學(xué)方法與課程內(nèi)容、應(yīng)用背景和相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)密切相關(guān)。從提升學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握能力和培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力的角度，尋求更適合的教學(xué)方法。探索角色互換、量身定做教學(xué)模式，明確學(xué)什么、如何學(xué)、學(xué)得好的問題。首先讓學(xué)生思考分析需要學(xué)什么，自己如何能夠通過信息化資源了解相關(guān)知識(shí)，再由教師協(xié)調(diào)線下教學(xué)和具體指導(dǎo)，學(xué)生通過線上線下結(jié)合學(xué)習(xí)相應(yīng)的內(nèi)容，既能充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，又能發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。

2.2 智能化元素突出工程創(chuàng)新能力

電氣專業(yè)教學(xué)中，加強(qiáng)跨學(xué)科交流與實(shí)踐，結(jié)合智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等應(yīng)用的具體技術(shù)，借助虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)，潛移默化地與專業(yè)課程相融合，引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生向?qū)嵺`能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才發(fā)展。

在理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中，特別是新生研討課、學(xué)科前沿課、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)課程，適當(dāng)引入智能化的先進(jìn)技術(shù)元素，通過三維動(dòng)畫、高科技產(chǎn)品展示、生產(chǎn)流水線參觀等一系列直觀的視覺聽覺沖擊，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。比如圖2所示為學(xué)生實(shí)習(xí)參觀某新能源研發(fā)基地的照片，通過屏幕上直觀的畫面讓學(xué)生了解到新能源的發(fā)展、分布以及能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、與電氣專業(yè)的關(guān)系等等，在學(xué)生腦海里打上深深的烙印，激發(fā)他們學(xué)習(xí)相關(guān)智能技術(shù)的熱情。

圖2 學(xué)生實(shí)習(xí)參觀新能源研發(fā)基地

結(jié)合信息化資源的建設(shè)，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的智能化數(shù)字平臺(tái)，建設(shè)開放課程和實(shí)踐教學(xué)資源庫，提供內(nèi)涵豐富、涉獵面廣的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，建設(shè)良好的線上線下、課內(nèi)課外相結(jié)合的自主學(xué)習(xí)和混合式學(xué)習(xí)環(huán)境。加強(qiáng)與新興產(chǎn)業(yè)、智能化制造等高精尖企業(yè)的教學(xué)與產(chǎn)業(yè)的合作，搭建良好的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。一方面豐富了動(dòng)態(tài)更新的智能化教學(xué)內(nèi)容體系，一方面提供了身臨其境地體驗(yàn)智能化產(chǎn)業(yè)實(shí)體環(huán)境，為激發(fā)學(xué)生靈感、促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)創(chuàng)造良好的條件。

2.3 產(chǎn)業(yè)化落地強(qiáng)化工程實(shí)踐能力

新工科建設(shè)和卓越計(jì)劃2.0都對(duì)實(shí)踐創(chuàng)新能力提出了很高的要求：研究完善電氣專業(yè)的教學(xué)體系，加強(qiáng)實(shí)踐項(xiàng)目的管理制度和實(shí)施策略，提升師生投入熱情；加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)的開發(fā)與建設(shè)，在實(shí)踐中有機(jī)融合信息化與智能化元素；拓展新型實(shí)踐基地建設(shè)，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化實(shí)習(xí)鏈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化理念和實(shí)踐的四年不斷線、水平逐級(jí)升高。

產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐教學(xué)體系如圖3所示，針對(duì)電氣專業(yè)涉及的各類實(shí)踐環(huán)節(jié)，按照實(shí)踐內(nèi)容的特點(diǎn)和層次分為五種類型，對(duì)內(nèi)容的設(shè)置制定相應(yīng)的要求，有機(jī)融合信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化思想，采取靈活的具體實(shí)施模式，通過豐富的教學(xué)手段和方法，配合實(shí)驗(yàn)室、科研室和實(shí)踐基地的建設(shè)，全面培養(yǎng)提升學(xué)生的工程素質(zhì)和實(shí)踐能力。通過該實(shí)踐體系的實(shí)施，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)踐課程之間的融合、理論實(shí)驗(yàn)之間的融合、師生交互的融合、信息化、智能化與產(chǎn)業(yè)化的融合，使學(xué)生充分接受現(xiàn)代工程師的基本訓(xùn)練，能夠解決電氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題。

圖3 產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐教學(xué)體系

梳理實(shí)踐課程體系，重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)大綱，優(yōu)化實(shí)踐課程、訓(xùn)練項(xiàng)目的內(nèi)容。結(jié)合理論課程的行業(yè)發(fā)展特色，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中配套引入相應(yīng)的特色內(nèi)容，理論課堂也采取多種手段充分滲透實(shí)踐理念。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，加強(qiáng)虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，創(chuàng)造“數(shù)字孿生”環(huán)境；結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，在創(chuàng)新訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)中融入工程理念，全方位開展工程實(shí)踐鍛煉；規(guī)劃協(xié)調(diào)各門實(shí)踐課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)，讓學(xué)生得到全面充分而又個(gè)性鮮明的訓(xùn)練，培養(yǎng)出較強(qiáng)的思維思辨能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程創(chuàng)新能力。

完善校外企業(yè)實(shí)踐基地、專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、校機(jī)電總廠石油工訓(xùn)中心、東營校區(qū)實(shí)習(xí)實(shí)踐基地等“四位一體”的工程實(shí)踐場(chǎng)地體系，搭建多角度、多方位的實(shí)踐平臺(tái)。

其中，積極推動(dòng)校外企業(yè)實(shí)踐基地建設(shè)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，完善勝利油田實(shí)習(xí)實(shí)踐基地、拓展青島高科技產(chǎn)業(yè)基地、應(yīng)用古鎮(zhèn)口科教園區(qū)新能源基地、利用學(xué)校和兗礦集團(tuán)的共建平臺(tái)都要付出努力。校企深化合作，探索產(chǎn)學(xué)研一體化培養(yǎng)新模式，使產(chǎn)業(yè)化理念真正落地：聘請(qǐng)企業(yè)專家入校授課，在日常的課堂教學(xué)中融入產(chǎn)業(yè)化思想；學(xué)生進(jìn)入企業(yè)實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)能夠身臨其境，與產(chǎn)品、生產(chǎn)線近距離接觸，與工人、工程師面對(duì)面交流；學(xué)生親手實(shí)踐參與企業(yè)的生產(chǎn)過程，包括設(shè)備操作、產(chǎn)品制造，甚至于設(shè)計(jì)研發(fā)等多個(gè)環(huán)節(jié)。

3 實(shí)施效果分析

在新工科背景下，我校電氣工程系構(gòu)建了融合信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化的電氣專業(yè)教學(xué)體系，同步開展了教學(xué)改革與實(shí)踐，在專業(yè)建設(shè)、信息化資源建設(shè)、實(shí)踐基地建設(shè)和學(xué)生培養(yǎng)等各方面都取得了顯著的成效。

3.1 信息化資源由量變到質(zhì)變

我校于2014年引進(jìn)清華在線課程中心之后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)課程、專業(yè)核心課上網(wǎng)，2018年啟動(dòng)“全部課程上網(wǎng)計(jì)劃”，本科生所有課程將分批次全部實(shí)行信息化。迄今為止，電氣專業(yè)全部專業(yè)課程完成了在線資源建設(shè)，同時(shí)本專業(yè)的重點(diǎn)課程和專業(yè)核心課程，都已在智慧樹、學(xué)銀在線等全國網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上線運(yùn)行，部分課程也已按照國家一流、省一流的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)完成。其中，我專業(yè)教師負(fù)責(zé)的“科技創(chuàng)新實(shí)踐”課程于2020年獲批國家級(jí)一流社會(huì)實(shí)踐課程。課程內(nèi)容涉及從專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)到學(xué)科前沿技術(shù)，從生產(chǎn)生活實(shí)踐到高科技智能化產(chǎn)品，從跨學(xué)科知識(shí)交叉到跨地域文化交叉，應(yīng)有盡有，滿足了學(xué)生多方面的學(xué)習(xí)需求，學(xué)生的工程理念在課程教學(xué)互動(dòng)中逐漸顯露。

3.2 學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)穩(wěn)步提升

學(xué)生在課上實(shí)踐環(huán)節(jié)鍛煉的基礎(chǔ)上，還積極參加課外各類大創(chuàng)項(xiàng)目、競(jìng)賽活動(dòng)和科研項(xiàng)目，并取得了豐碩的成果。近三年電氣專業(yè)學(xué)生在挑戰(zhàn)杯、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國大學(xué)生“西門子杯”工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽賽區(qū)賽及全國總決賽、全國大學(xué)生“恩智浦杯”智能汽車競(jìng)賽、山東省大學(xué)生機(jī)器人大賽、山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等多項(xiàng)賽事中，共獲國家級(jí)及省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)100余項(xiàng)，獲批國家級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目近百項(xiàng)，組建、參加社會(huì)實(shí)踐隊(duì)伍40余支，工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)得以充分展示和提升。

3.3 實(shí)踐平臺(tái)和實(shí)踐基地的數(shù)量和功能不斷拓展

除校內(nèi)的國家級(jí)工程訓(xùn)練中心外，電氣專業(yè)建設(shè)了5個(gè)常年穩(wěn)定、條件完備的校企實(shí)習(xí)基地：中石化齊魯石化公司實(shí)習(xí)基地、東營勝華煉廠實(shí)習(xí)基地、勝利油田勝利發(fā)電廠、華能黃島發(fā)電廠、大唐東營風(fēng)電廠實(shí)習(xí)基地。根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生深入企業(yè)的各個(gè)運(yùn)行部門，了解工業(yè)流程、生產(chǎn)工藝以及與本專業(yè)相關(guān)的電氣控制系統(tǒng)、電力設(shè)備的使用情況，樹立工程理念；跟隨現(xiàn)場(chǎng)值班執(zhí)勤，融入企業(yè)文化；參與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及輔助焊接、調(diào)試等實(shí)際操作，積累工程經(jīng)驗(yàn)。近年來，拓展了特銳德實(shí)踐基地、中德生態(tài)園實(shí)踐基地等高新科技實(shí)踐基地，我校與兗礦集團(tuán)合作的古鎮(zhèn)口科教園區(qū)新能源基地也投入運(yùn)行，有效推動(dòng)了實(shí)踐基地和實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)。實(shí)踐基地的規(guī)模和質(zhì)量受到專業(yè)認(rèn)證專家的一致好評(píng)。

4 結(jié)語

結(jié)合電氣工程專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了融合信息化、智能化和產(chǎn)業(yè)化的教學(xué)改革方案，并分別詳細(xì)闡述了教學(xué)改革的具體措施。通過融合信息化、智能化、產(chǎn)業(yè)化的電氣工程教學(xué)體系的實(shí)施，取得了較好的教學(xué)效果，建設(shè)成效顯著。