新工科背景下應用型本科一體化課程建設研究與實踐
——以“機電液傳動與控制”課程為例

王國平，劉吉軒，門 靜，任曉莉，趙 瑾，閆菲菲

(1.西安交通大學城市學院機械工程系，陜西 西安 710018)(2.機器人與智能制造陜西省高校工程研究中心，陜西 西安 710018)

時至今日，我國工程教育改革即新工科建設已歷經5年時間，形成了普遍認同的根據(jù)高校不同類型和層次的錯位、差異化發(fā)展與建設模式[1]。應用型本科則定位在服務區(qū)域新經濟的現(xiàn)實急需，培養(yǎng)交叉復合的應用型工程科技創(chuàng)新人才[2]。2018年11月24日，教育部高等教育司吳巖司長強調課程是人才培養(yǎng)的核心要素，指出中國大學普遍存在著課程實施方面的短板、瓶頸和軟肋。新工科內涵強調的是專業(yè)精神、工程思維能力、工程實踐能力及可持續(xù)發(fā)展能力。專業(yè)精神包含職業(yè)規(guī)范、家國情懷等，與“課程思政”相對應，因此課程需要“道”“業(yè)”一體；工程思維能力和工程實踐能力強調的是學生要具有對系統(tǒng)工程整體的認知與把握，在對問題進行分析與處理時具有大工程觀，同時具有較強的解決復雜工程問題的能力和實踐動手能力，從而決定了課程知識的復合性、功能的模塊化及理實一體；可持續(xù)發(fā)展能力要求學生具有團隊協(xié)作能力和終身學習能力，這又決定了課程實現(xiàn)形式的多元一體化。因此，一體化課程的建設和實踐對新工科背景下應用型交叉復合人才的培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義和研究價值。

近年來，隨著新工科建設的推進，國內高校對一體化課程的建設逐漸重視起來。國防科技大學的汪元[3]基于研究生課程“傳熱傳質分析”提出REAT(research-examination-assessment-teaching)一體化模型，提倡從科學研究中凝練問題，并以此對研究生進行考核和評價，然后反饋教學，形成了以科研為導向的教學一體化課程建設方案。由于科研是一個動態(tài)的過程，其對科學問題的總結和提煉也是不斷更新的，因此該方案兼具了持續(xù)改進和與時俱進的特點，不論對研究生還是本科生的教學，都具有很好的借鑒意義。福建工程學院的閆曉磊等[4]從車輛工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)著力點出發(fā)，以本科生“理論力學”課程為例，設計了融合交叉式課程教學改革實踐方案。該方案將教學內容分為基礎知識與基本實例、新理論新方法、創(chuàng)新應用3個層次，意在對知識、能力培養(yǎng)的基礎上，更多地培養(yǎng)學生的思維能力，其對于基礎課和專業(yè)基礎課的課程建設具有一定的借鑒作用。信陽師范學院的熊瑞生[5]從工程教育專業(yè)認證的角度出發(fā)，在分析“鋼結構”課程傳統(tǒng)教學方法與教學方案存在的缺點的基礎上，提出了將課程設計和單元練習一體化的課程教學與實踐模式。將課程設計涉及到的內容和有關計算拆分為各個章節(jié)的單元練習題，形成了教學內容、單元練習及課程設計一體化的教學方案，為尤為強調應用的專業(yè)課程建設提供了較好參考?？傮w來看，目前國內高校雖然在一體化課程建設方面已取得了一些成績，但一體化課程建設的進程相對緩慢，現(xiàn)有文獻相對較少，大多集中在專業(yè)基礎課程內容的一體化融合上，應用性較強的專業(yè)課程一體化建設則很少，且一體化課程是多元、多維的一體化，僅僅從內容上進行融合是遠遠不夠的。

基于上述存在的問題，本文以應用性、綜合性較強的專業(yè)課程為研究對象，即以“機電液傳動與控制”課程為例，提出了“四位一體”(多學科內容交叉融合、教學模式的協(xié)同融合、教學過程管理的多點實時融合、教學團隊的多元融合)的專業(yè)課程一體化建設路徑，為應用型本科專業(yè)課程一體化建設提供借鑒。

1 專業(yè)課程一體化建設實施路徑

專業(yè)課程的教學包含兩個層面、多個要素和一個總目標?！敖獭钡膶用姘ń虒W內容、教學方式方法、教學管理方法、教學評價方法與教學團隊等；“學”的層面主要關注學生的學習效果，包含學生學習的能動性、協(xié)作性、實踐性、創(chuàng)新性和個性等?？偰繕思词恰皩！?，包含專業(yè)精神、專業(yè)工程思維、專業(yè)實踐能力、專業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的達成。因此專業(yè)課程的一體化建設應當是多層面、多要素、多內涵的一體化。

1.1 課程教學內容的一體化交叉融合

一體化課程由于其綜合性、實踐性較強，多在具備先修專業(yè)基礎知識的高年級學生中開設。因此，應當以專業(yè)大類為范疇，根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標，以本專業(yè)知識為中心，交叉融合大類內緊密關聯(lián)的其他專業(yè)知識，使得既有基礎知識的規(guī)范描述，也有綜合知識的演練、創(chuàng)新知識的探索，還有前沿知識的引領，形成具有確定功能模塊或系統(tǒng)知識的有機集成，為提升學生工程素養(yǎng)，使學生具備工程系統(tǒng)思維能力和工程實踐能力奠定知識基礎保障。

本文以西安交通大學城市學院機制專業(yè)“機電液傳動與控制”一體化課程建設為例，其教學內容一體化實施路線如圖1所示。機制專業(yè)屬于學院機械大類范疇(包括機械制造、機器人工程、能源與動力工程、過程裝備與控制4個專業(yè))。該課程瞄準專業(yè)培養(yǎng)目標中“先進制造系統(tǒng)運行與維護”這一項，構建了以現(xiàn)代工業(yè)體系中先進制造與服務裝備(如數(shù)控機床、機器人)的液/氣壓驅動功能模塊為中心，融大類專業(yè)內的機電控制、PLC與觸摸屏控制、液壓/氣壓傳動與控制基本知識為一爐，形成以實現(xiàn)液/氣壓驅動模塊按既定要求運動的系統(tǒng)知識體系，既闡明了液/氣壓機械的工作原理、基本結構和設計要求，又明晰了機械按設定目標精確動作的控制方式和方法、基本軟件程序的編寫、基本硬件選擇與線路的接法等，具備了先進制造系統(tǒng)運行與維護的基本理論知識與實踐操作技能。

圖1 教學內容一體化實施路線

1.2 教學模式的一體化融合

教學模式的一體化融合包含多個方面的內容：一是理論教學與實踐教學的融合；二是線上教學與線下教學的融合；三是課內教學與課外學習的一體化融合(賽教融合)；四是校內實踐與校外實踐的一體化融合(產教融合)。

1.2.1理論教學與實踐教學的融合

為促進學生知識的內化吸收和工程實踐能力的提升，一體化課程常配有較為綜合的實驗或實踐教學環(huán)節(jié)，如綜合實驗、課程設計、課程實訓等。傳統(tǒng)教學中，理論教學在先，實踐教學在后，有的甚至間隔一個學期，這不僅阻礙了理論知識的快速強化和應用水平的提升，而且大大提高了投入產出的比率。因此理論教學與實踐教學的融合關鍵就在于二者的協(xié)同并進，能夠及時實現(xiàn)學中做、做中學、學做一體。根據(jù)對實踐設備要求的高低，本文所述實踐環(huán)節(jié)可分為課程設計類和綜合實驗實訓類，前者與理論課程的融合可參照文獻[5]。本文的示例課程匹配實踐環(huán)節(jié)屬綜合實驗實訓類，對于該類型實踐教學環(huán)節(jié)與理論教學的融合宜采取課堂上理論教學與虛擬實踐同步印證的融合教學模式，結合課后的項目式作業(yè)緊密銜接課程實訓內容，如圖2所示。這樣不僅及時強化了理論知識的學習和應用，同時以虛擬實踐的形式和實訓項目作業(yè)緊密銜接了理論與實踐教學，而且不限次數(shù)的虛擬試錯，也極大提升了現(xiàn)場的實操效果，有效促進了學生實踐動手能力的提升，實現(xiàn)了在理論課程結束時亦是綜合實踐課程收官之期的同步效果。

圖2 一體化課程理論與實踐同步教學實施方案

在“機電液傳動與控制”理論課教學中，輔以虛擬的“電工技術實訓”平臺進行電機控制與繼電器控制虛擬教學，以“step 7/micro win”及PLCSim進行PLC編程及虛擬實踐，以FluidSim軟件進行液壓及氣壓傳動虛擬教學以及綜合控制實訓虛擬教學，圖、文、聲、動畫兼?zhèn)?，加之課后項目式實訓作業(yè)的緊密銜接，有效實現(xiàn)了課堂知識的即學即用、融會貫通。

1.2.2線上、線下與課內、課外教學的融合

為促使學生主動學習意識的形成和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，課前(課外)提供線上課程學習綱要和線上作業(yè)，由學生自主學習；課中線下由教師主導，對學生進行每組3～5人的分組，由各小組做簡要匯報，并結合課前學習內容對本節(jié)要點問題進行討論和思考；另課內教學多以歷年機械創(chuàng)新設計大賽作品、工程訓練大賽作品的運動驅動、控制及實現(xiàn)形式為例進行分析，課外則以相應學科競賽為抓手，以賽促學，在實際競技中理論聯(lián)系實際，不斷學習和提升自我，學生實踐動手能力進一步提高，更重要的是促進了其專業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的形成。

1.2.3校內實踐與校外實踐的一體化融合(產教融合)

為進一步對接生產實際，適應社會對人才的需求，在課程教學中，形成了以校內實踐(虛擬實踐、課程實驗、綜合實訓和創(chuàng)新實踐)奠基，以校企聯(lián)合共建實驗過渡和銜接，以企業(yè)現(xiàn)場生產實戰(zhàn)進行對接的多層次遞進式校內外實踐融合的一體化實踐教學模式，如圖3所示。

圖3 校內外實踐一體化融合模式

1.3 課程教學過程管理一體化

課程的教-管-考-評是課程目標達成管理過程中的4個關鍵要素，它們是彼此相互關聯(lián)、相互作用的，因此也應該是動態(tài)調整的。在傳統(tǒng)教學中它們之間往往是孤立的或信息共享不暢的，嚴重影響了課程教學質量的持續(xù)改進。本文根據(jù)工程控制論的思想，將“教”看作是輸入環(huán)節(jié)(學生是控制對象)、“考”是輸出環(huán)節(jié)、“評”是反饋環(huán)節(jié)、“管”是比較環(huán)節(jié)，意在對輸入輸出進行比較，對結果進行糾偏。這樣課程教學過程管理便形成了以教-管-考-評為要素的閉環(huán)控制系統(tǒng)(如圖4所示)，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)信息流及時共享與反饋的課程教學過程管理一體化。

圖4 教-管-考-評一體化結構框圖

示例課程的實現(xiàn)形式如圖5所示。

圖5 “機電液傳動與控制”教-管-考-評一體化實現(xiàn)形式

1.4 教學團隊的多元融合

教師是課程教學、課程建設以及課程教學管理的主導要素，不論從一體化課程教學內容有機融合的角度，還是從課程教學過程模塊化、項目化以及理論與實際相結合的角度，甚至教學全過程的實時監(jiān)控、改進等，無不需要課程教學團隊成員多專長、多崗位的協(xié)同多元融合。

在“機電液傳動與控制”課程教學團隊中，由課程負責人總領課程的建設與規(guī)劃，團隊成員由具有機械設計與制造專業(yè)、機器人專業(yè)、能源與動力工程專業(yè)及電氣工程專業(yè)多學科背景教師組成，兼具教師崗和實驗崗教師，同時配備授課班級班主任和輔導員為輔助，形成了為課程建設和管理精準服務的多學科、多特長的理、實一體的課程團隊，有力保障了一體化課程建設與實踐的順利實施。

2 一體化課程實踐效果

1)教師教學及教研能力大幅提升。

通過本課程的一體化建設研究與實踐，課程組教師兩年來先后立項省級各類教研課題3項、校級教改課題2項、校級教材建設項目1項，發(fā)表教學研究論文3篇，其中核心2篇。教學改革以來，學生評教持續(xù)保持在92分以上，表現(xiàn)了較高的滿意度。

2)學生學習效果較好。

學生在參加第八屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽和第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中因參賽模型控制性能優(yōu)良，共獲評省級二等獎2項、三等獎3項。大部分學生課程考核成績明顯改善，中等成績范圍的學生占比大幅增加23.34%。

3)輻射示范作用好。

該實踐成果在“機械制圖及AutoCAD”和“機械設計基礎”2門課程中推廣，二者先后獲批為校級一流課程，并發(fā)表教改論文2篇。

3 結束語

本文通過深入分析新工科理念對課程教學與建設的內涵需求，及課程建設與教學中多維度、多層次要素之間的內在聯(lián)系，提出了“四位一體”(多學科內容交叉融合、教學模式的協(xié)同融合、教學過程管理的多點實時融合、教學團隊的多元融合)的專業(yè)課程一體化建設路徑。通過有效整合專業(yè)大類內相關專業(yè)知識，形成了基礎知識、綜合知識、創(chuàng)新知識與前沿知識相結合、相遞進的工程系統(tǒng)知識內容的有機融合，為學生專業(yè)精神的樹立，系統(tǒng)工程思維能力和實踐能力培養(yǎng)奠定了基礎；通過理論教學與實踐教學、線上教學與線下教學、課內教學與課外學習、校內與校外實踐學習的多角度、多方位同步并進或逐層遞進，虛實結合，學做一體，使得理論與實踐緊密銜接，專業(yè)知識與生產實際緊密對接，促進了知識的增值和解決復雜工程問題能力的提升，同時學生的能動性與協(xié)作性得以增強，為終身學習能力培養(yǎng)打下堅實基礎；通過以機械控制理論思想對教學過程中教-管-考-評四要素實施閉環(huán)控制，建立了四者的動態(tài)協(xié)調關系，保障課程目標的有效達成和教學質量的持續(xù)改進，另外教學過程的精細化管理也有利于專業(yè)精神的養(yǎng)成；通過實施課程責任人負責制，以多學科背景、多工程實踐的教師為骨干，以教輔人員為輔助，形成梯隊分明、專業(yè)交融、信息互聯(lián)、學情互通的課程教學管理一體化團隊，保障了一體化課程教學與管理的優(yōu)質和高效。因此本文提出的一體化課程建設方案是緊緊圍繞新工科核心內涵(專業(yè)精神、工程思維能力、工程實踐能力及可持續(xù)發(fā)展能力)的，而且實踐效果較好，對新工科背景下一體化課程的建設具有重要參考價值。