自動化新工科專業(yè)課程體系改革與實踐

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，以學生能力培養(yǎng)所需知識點為主線，理工結(jié)合，構(gòu)建自動化專業(yè)課程新體系。深度融合理論教學與實踐教學，提出基礎(chǔ)性、驗證性、綜合性多層次實驗實踐教學模式，加大學生課上課下學習強度，培養(yǎng)學生自主學習能力、綜合實踐能力和創(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? ? 文獻標識碼：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，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)略的實施，既向自動化（學科、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，教學內(nèi)容嚴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，一些高校進行了新工科背景下的多學科教學改革嘗試，將工程問題引入課堂進行項目式教學，在課程中間設(shè)計帶有研究性、設(shè)計性環(huán)節(jié)，提高學生理解程度和實踐動手能力，為培養(yǎng)學生工程意識和創(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承擔的教指委“自動化專業(yè)課程體系改革與試點”項目的研究成果基礎(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，以學生能力培養(yǎng)要求所需知識點為主線，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)在當前科技發(fā)展新形勢下面臨的問題與機遇，特別是“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實施及工業(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)涵的認識，進一步梳理“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實施對自動化專業(yè)人才的需求及其知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)典型自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施所需的專業(yè)知識與能力素質(zhì)為主線，從時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)，有效減少知識點的重復(fù)和理論課程學時，把更多時間用于加強實踐教學。在教學組織模式上，各模塊可跨多個學期，強調(diào)各知識點的連貫性和系統(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，包括人文社會科學模塊、數(shù)學模塊、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學分和B學分兩部分組成，共157學分。

3 深度融合理論教學與實踐教學，打造專業(yè)金課，加大學生課上課下學習強度，培養(yǎng)學生的自主學習能力與創(chuàng)新意識

教育部“六卓越一拔尖”計劃2.0的核心任務(wù)之一是一流課程建設(shè)“雙萬計劃”，即“金課”建設(shè)，以提高課程的挑戰(zhàn)度，打造金課，淘汰水課，是要讓學生忙起來，教學活起來，學校管理嚴起來[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)的多層次綜合性實踐教學模式，在新課程體系下深度融合理論教學與實驗教學，突破傳統(tǒng)理論課與實驗課的劃分方式。對基礎(chǔ)性、驗證性實驗，將理論教學與實踐教學融合，不斷探索“邊講理論邊做實驗，或通過實驗引出理論問題，再講解基本原理和方法，通過實驗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，考慮各知識點的邏輯性和完整性，設(shè)計綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，課堂上主要講授實驗構(gòu)思思路與基本原理、設(shè)計方法和實施步驟，演示實驗實施關(guān)鍵過程和結(jié)果，引導(dǎo)學生對涉及的理論知識點、實驗思路與策略、設(shè)計方法、實驗過程和結(jié)果等進行分析、討論，實驗的具體實現(xiàn)（實施）、實驗報告撰寫等由學生在課后完成;然后采用翻轉(zhuǎn)課堂模式[5]，在規(guī)定時間內(nèi)由學生在課堂匯報實驗結(jié)果，教師作進一步點評、引申，激發(fā)學生不斷進行研究性學習，進而加大學生課上課下學習強度，提高課程學習挑戰(zhàn)性，培養(yǎng)學生的自主學習能力與實踐動手能力。

最后，各模塊（章節(jié)）完整的知識點學習結(jié)束，結(jié)合實際工程案例，精心設(shè)置綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學生（或?qū)W生小組）按照CDIO工程教育思想與方法，自主選擇實驗對象，自己構(gòu)思實驗方案，綜合考慮實際工程項目實施中的非技術(shù)因素，如安全、經(jīng)濟、倫理、環(huán)保等，獨立設(shè)計實驗方法，并實現(xiàn)實驗實踐過程，獲得有用的實驗結(jié)果，切實加強實踐環(huán)節(jié)，有效培養(yǎng)學生的綜合實踐能力與創(chuàng)新意識。

4 將工程素質(zhì)教育貫穿于專業(yè)課程教學和人才培養(yǎng)的全過程，培養(yǎng)學生解決復(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 實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》中指出：樹立工程教育新理念，著力提升學生解決復(fù)雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實施案例教學、項目式教學等研究性教學方法，注重綜合性項目訓練[6]。面向新形勢下“中國制造2025”國家戰(zhàn)略實施及新工程建設(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，除了加強人文社會科學類課程所承擔的思想道德、文化和身心素質(zhì)教育外，堅持把與工程教育密切相關(guān)的創(chuàng)新意識、經(jīng)濟、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展、總結(jié)與表達、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，加強工程素質(zhì)教育中復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的綜合實踐平臺建設(shè)與實踐。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)的綜合實踐平臺，貫穿整個模塊的教學活動，有效提高學生的工程實踐能力。如對于“控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)”模塊，主要涉及計算機與編程語言基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、單片機、嵌入式系統(tǒng)、PLC和工程控制軟件設(shè)計等知識點，設(shè)計以“單片機最小系統(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、多個搬運機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)/實驗平臺，教學過程的各環(huán)節(jié)，包括理論教學、實驗以及課外設(shè)計/開發(fā)，均與該平臺密切結(jié)合。

單片機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)出立體倉庫及搬運機械手控制系統(tǒng);工程控制軟件設(shè)計部分要求能為相應(yīng)子系統(tǒng)軟件的開發(fā)提供合適的解決方案。整個項目貫穿模塊內(nèi)的主要知識點，而且要求多個課外綜合型開發(fā)實驗的結(jié)果最終能集成運行。在系統(tǒng)集成開發(fā)過程中，要求學生綜合考慮經(jīng)濟、可靠性等制約因素，評價技術(shù)選擇是否合理、設(shè)計方案是否先進，把創(chuàng)新意識、科學研究方法、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)計的整個教學活動中，培養(yǎng)學生從事工程職業(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，以學生能力培養(yǎng)要求所需知識點為主線，理工結(jié)合，構(gòu)建自動化專業(yè)課程新體系，包括人文社會科學模塊、數(shù)學模塊、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）深度融合理論教學與實踐教學，提出基礎(chǔ)性、驗證性、綜合性多層次實驗實踐教學模式，打造專業(yè)金課，加大學生課上課下學習強度，培養(yǎng)學生自主學習能力、綜合實踐能力和創(chuàng)新意識。

3）將工程素質(zhì)教育貫穿于專業(yè)課程教學和人才培養(yǎng)的全過程，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力，加強綜合實踐平臺建設(shè)與實踐，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

[1]吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業(yè)人才培養(yǎng)[J].中國大學教學，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模式研究[J].高師理科學刊，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術(shù)年會論文集.2017（8）：628-632.

[4]教育部.介紹“六卓越一拔尖”計劃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)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.