新工科背景下機類專業自動化課程教學改革與實踐

張東波 李明海 李 軍 席 巍 劉長青

（北京聯合大學機器人學院 北京 100020）

0 引言

隨著新科技革命的發展和產業變革，傳統的工程教育已遠遠不能適應新興產業和新經濟發展對新工科人才的需求，高等工程教育面臨全面和深刻的改革和創新。

在此背景下，復旦大學于2016年提出了新工科建設理念。隨后，從教育部到各大高校，開始積極推進新工科建設工作。針對新工科建設目標，我國中科院院士、復旦大學副校長包信和提出“新工科就是科學、人文、工程相互交叉，就是復合型、綜合型人才的培養[1]。”對于如何建設新工科，我國工程院院士、天津大學校長鐘登華提出：“新工科”建設應著眼于國家“兩個一百年”的戰略目標階段推進，需要重點把握學與教、實踐與創新創業、本土化與國際化三個任務，實現立法保障、擴大辦學自主權和改革教育評價體系[2]。

新工科教育改革包括兩個大的方面，一是建設新興的工科專業或專業方向，二是根據新工科教育范式的框架改造現有專業。對于大多數高等院校，新工科建設的主要內容就是圍繞現有專業的課程改革進行展開。

姜曉坤等人提出：以應用為導向，以學生為中心，借助于持續改進的課程體系，推動新工科人才知識結構在不同知識領域交叉融合，打破學科領域固有的界限[3]。例如，北京聯合大學機械工程專業的《工業自動化技術》課程涵蓋計算機技術、檢測技術、電機驅動、常用低壓電器、可編程控制技術、網絡技術和上位監控技術等內容，涉及多學科交叉及融合，其內容隨著新科技革命的發展而不斷更新，屬于典型的新工科課程。本文借鑒人才素質培養理念，以北京聯合大學機械工程專業的《工業自動化技術》課程為例，探討新工科建設背景下現有專業課程改革。

1 融合創新范式在課程改革中的應用

新工科教育范式是新工科教育改革的核心任務之一。自20世紀90年代提出“回歸工程”范式，至今已經有20多年的探索和實踐。汕頭大學執行校長顧佩華在參考吳愛華和李茂國等人關于新工科理論的基礎上，提出工程教育從“回歸工程”方式向“融合創新”范式轉變，以新理念、新模式、新質量、新方法和新內容作為新工科教育基本內容，構建新工科專業或改造現有專業，培養滿足學校服務的產業發展需要的工程技術人才。本文以《工業自動化技術》課程為例，按照融合創新的新工科教育范式，進行課程改革探討。

1.1 面向產出的OBE教育模式

傳統的工程教育是面向課程的教育模式（CBE），在該模式下所培養的學生遠遠不適應日新月異的時代發展，迫切需要使用新的教育模式替代。

新工科教育模式需要在總結國內工程教育改革經驗的基礎上借鑒國際成功的工程教育模式，從而創建具有中國特色的高水平人才培養模式。在工程教育新模式的探索中，汕頭大學率先將面向課程的傳統教育模式轉換成面向產出的教育模式（OBE），并取得喜人的成果。

OBE（Outcome-based Education）也稱成果導向教育、能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育，最早于1981年由Spady等人提出，現《華盛頓協議》已將其貫穿于工程教育認證標準的始終。我國目前已由汕頭大學為試點向全國高等院校進行推廣，而機類自動化專業的工科課程尤其適合面向產出的OBE教育模式。

1.2 “以學生為本”的教育理念

面向產出的OBE教育模式，應用“以學生為本”的教育理念，該理念貫穿整個工程教育改革各個環節。北京聯合大學機械工程專業的《工業自動化技術》本科課程，就是基于面向產出的教育模式和以學生為本的教育理念進行工程教育改革。

北京聯合大學根據國家發展政策和廣泛調查，獲得國家社會及教育發展需求，以及行業產業及職場發展需求，然后綜合國際工程專業認證的要求，確定本校辦學定位和人才培養目標，明確學生的畢業要求，最終制定人才培養計劃和課程體系。

根據辦學定位，北京聯合大學機械工程專業確定的培養目標是：面向國家及首都經濟社會發展需要，培養術德兼修、知行合一，實踐能力強、工作作風實，具有較強的社會責任感、創新創業精神和可持續發展能力，具有較寬厚的基礎理論和較扎實的機電產品創新設計、自動控制、智能化技術等方面的專門知識，能在機器人、智能裝備等高新技術成果轉化、技術轉移和技術服務領域從事設計、生產運行、科技開發及技術支持與服務等方面工作的符合國際化標準德才兼備的高素質應用型專門人才。

為了真正體現“以學生為本”的教育理念，在培養目標的基礎上，進一步明確了機械工程專業的畢業生在各個方面的具體要求。例如，對于《工業自動化技術》課程，要求學生完成該課程學習后能夠應用所學理論知識分析工程領域內復雜工程問題；能夠運用科學方法針對復雜工程問題進行研究，并得到合理有效的結論；能夠針對復雜工程問題設計解決方案和工藝流程，體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素；能夠使用現代工程工具和信息技術工具對復雜工程問題進行模擬，并能夠理解其局限性；具有人文社會科學素養、社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范，履行責任；能夠在團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色；能夠就工程問題與他人進行有效溝通和交流、撰寫報告、陳述發言、清晰表達；具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發展的能力。

1.3 項目驅動并引入微課資源的教學方法

在面向產出的OBE教育模式和以學生為本的教育理念指導下，根據培養計劃，制定詳細的課程內容和學習結果，形成《工業自動化技術》的教學大綱。根據教學大綱課程內容和學習結果的要求，整合教學資源，采用恰當的教學方法和先進的學習工具，完善機械工程專業的人才培養體系。

OBE教育模式要求以學生為中心，主動學習，根據學生的反饋結果，不斷持續改進教學和學習過程。基于此，《工業自動化技術》課程采用以項目驅動為主的教學方法，即課程教學過程中，圍繞具體項目實例，由教師布置項目分解任務和要求，學生以小組為單位主動學習相關知識并按要求逐一完成項目分解任務，通過課堂或網絡等途徑反饋學習結果和項目成果，教師以指導和評價為主，最終完成整個項目任務，同時也完成了課程教學。

在教學過程中，按照新工科人才培養模式，《工業自動化技術》課程面臨課時嚴重不足的現狀。對于這種情況，林健[6]曾提出，要將課堂教學和課外學習作為人才培養環節互為補充的兩個部分，一方面通過線上學習和課下學習提高課堂教學的有效性，另一方面要鼓勵并創造條件引導學生利用社團活動、科技競賽、創新產業實踐、專業社會實踐等多種方式進行理論聯系實際，開展實踐能力、應用能力和專業素養的培養。

對于《工業自動化技術》課程改革，課堂教學側重課程背景、課程所涉及的概念和原理以及工業自動化項目設計流程及注意事項的輸出，引導學生獨立完成自動灌裝生產線項目。教師將課程所涉及的內容和自動化項目實例設計過程以微課資源的形式提供給學生，而學生在課外則通過微課資源的深化學習，并利用實驗室所提供的設備，按照項目設計步驟逐步完成分解任務，從而完成整個工業自動化項目設計過程。在課堂上，學生按小組展示任務完成情況，教師給予點評和引導。

通過這種改革，課程教學不再局限于課堂上教師的講授和學生的被動接受，而是將課堂與課后融在一起，充分發揮學生的主觀能動性：教師在課堂上引導并提出問題，學生通過課后微課資源的學習、小組討論和課后實踐完成任務并解決問題；學生通過課堂上展示課后完成的任務及成果，再由教師給予點評并加以引導。如此循環遞進，大大提高了學生學習的效率和工程實踐能力。

1.4 與實際工程項目設計接軌的教學內容

由于教學大綱所確定的教學內容是通過廣泛調查相關產業領域的社會需求和職業需求而確定的，故實際教學過程中所傳授的課程內容直接與企業工程項目接軌，可將知識點直接融合到某一實際工程項目中。例如，《工業自動化技術》課程以自動灌裝生產線項目設計為主線，按照項目設計的步驟，循序漸進地逐一實現分解任務，最終實現整個項目功能。該課程的教學設計思路如下：

（1）通過展現實際工業自動化領域的具體工程項目，引出工業自動化技術所包含的三大方面：可編程控制器技術、工業網絡技術和上位監控技術。

（2）結合所給項目實例，給出工業自動化項目設計主要步驟：項目分析、項目總體方案設計、硬件系統設計、軟件程序設計、上位監控系統設計、聯機調試、項目歸檔。其中，硬件系統設計、軟件程序設計和上位監控系統設計還融合了網絡通信設計內容。每一主要步驟又包含了具體的詳細步驟和注意事項。

（3）以自動灌裝生產線項目為例，提出項目設計目標及功能要求。學生分組完成項目分析和總體方案設計，教師給予指導和評價。

（4）根據項目設計步驟和項目功能分解，制定循序漸進的小任務，小任務中既包含基本功能要求，又包含高質量標準要求，以適應不同程度學生。學生每完成一項功能，就能收獲一份成就感，從而激發學生過關斬將般完成課程學習，最終達到良好的學習效果。

1.5 虛擬仿真實驗和實操訓練結合

機類自動化專業的專業課程通常都是實踐性比較強的課程，《工業自動化技術》等課程更為典型，要達到教學目標，教師演示指導和學生進行項目設計等環節，均依賴相應的自動化實驗裝置。由于實驗裝置和實驗場地有限，無法完全滿足學生使用實驗裝置進行學習和項目設計的需求。而目前網絡技術快速發展，智能軟件開發水平不斷提高，不斷涌現出符合實際工程的虛擬仿真軟件。故可以借助虛擬仿真軟件模擬實驗裝置，發揮虛擬仿真實驗的優勢，并與實際實驗裝置進行功能互補，實現虛實結合、線上和線下混合教學，則可以充分利用有限資源，提高教學效果，達到教學大綱對人次培養的要求。

1.6 體現工程教育質量標準的質量評價

對本科畢業生在分析、研究、設計、職業規范、溝通、團隊合作和學習等方面的要求，制定相應的體現工程教育質量標準的質量評價體系。

本課程對學生的質量評價包括過程評價和考核評價。

過程評價主要體現在以項目引導和任務驅動的教學過程中，學生以小組為單位完成分解任務后，在課堂上展示成果，教師針對學生分析和研究工程任務的方法和結果，針對設計的解決方案和工藝流程進行評價和指導（涵蓋創新、社會、健康、法律、安全、文化、環境、人文社會科學素養、社會責任感、職業道德規范等因素）。

2 結束語

本文在顧佩華提出的“融合創新”的新工科范式的基礎上，結合北京聯合大學機械工程專業，以《工業自動化技術》課程為例，從新理念、新模式、新質量、新方法和新內容方面談現有專業的新工科課程改革，從而滿足產業發展對工程技術人才培養的數量和質量要求。

課程改革應用“面向產出”的OBE教育模式，使用以項目引導和任務驅動的教學方法，并借助于微課資源的教學形式，將傳統教學中學生被動學習完全轉變為學生課上課下主動學習，真正體現“以學生為本”的教育理念。

利用微課資源，學生可以隨時重溫和深入學習課程內容，使教師不再為課堂上單向的知識傳授而勞累，而是針對不同層次的學生給予不同程度的引導，真正發揮答疑解惑的功能。

教學內容以實際工程項目設計為主線，培養學生運用所學知識和方法解決實際問題，考慮工程問題細致而全面，通過實際工程項目設計，提高學生的工程素養，培養學生項目分析、設計、創新、實踐、團隊合作、溝通交流、文檔書寫等能力。

在實驗和實踐環節，利用相關虛擬仿真軟件完成實驗和實踐環節的仿真實驗和項目設計，并利用實際實驗裝置和設備進行實操、項目調試和技術維護，使教學資源得到了有效利用，并培養了學生理論聯系實際、工程應用、診斷維護和工程創新等各方面綜合能力。

通過對照畢業生要求進行的項目設計考核方式，對每一位學生進行嚴格把關，從而使順利畢業的學生能快速滿足社會和產業發展需要。

通過上述的課程改革，北京聯合大學機械工程專業的自動化類課程教學效果明顯好于傳統教學，學生的工程應用、實踐和創新等能力得到很大提高，并得到用人單位的一致好評。