“科—產—賽” 與 “理—實—創” 兩線三維的工程應用型人才培養模式探究

周萌　王晶　董哲

摘? 要：新工科背景下，針對教學存在的模式呆板內容陳舊、情景化實踐教學平臺缺乏、人才培養與社會需求脫節、創新能力培養不足等問題，高校應面向高水平應用型自動化類創新型人才培養需求，在培養過程中重基礎、重開發、重設計、重創造，探索并實踐出一條“科教、產教、賽教”與“理論-實踐-創新”兩線三維融合的工程應用人才培養模式，以創新實踐為主軸服務于教育教學的各環節，最終實現“研—學—產—用”一體化創新培養體系。

關鍵詞：新工科;自制教學平臺;虛實結合

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）07-0097-04

近年來，人工智能、大數據、工業物聯網、5G等新一代高新信息技術飛速發展，給傳統自動化專業帶來很大的挑戰與機遇，也對學生的創新意識與實踐動手能力提出了更高的要求。為全面提升目前高等教育教學人才培養模式與培養體系，2017年教育部積極推進新工科建設。新工科背景下，為全面落實“學生中心、產出導向、持續改進”的先進工程教育認證理念，我國各高校著眼高等教育創新的基本邏輯，積極開展教育改革創新，以期實現以新工科建設引領高等教育創新，以高等教育創新助力教育強國建設。在此背景下，針對自動化專業，如何探索并發展出一條全面提升學生動手應用能力，與時俱進，真正實現知識直接轉化應用的教學體系是目前各大高校面臨的重要難題[1-3]。

一、目前高等教育存在的問題

經過大量的調研與分析，本文總結出目前高校在自動化專業學生工程能力培養方面普遍存在的問題。

（一）教學模式多以內容驅動，教學內容陳舊死板

傳統的理論課堂教學模式多以教師為中心，以知識點貫穿教材，并通過教師講授的形式傳達給學生。這種以內容驅動教學的授課方式往往會導致學生所學知識碎片化，很難形成知識體系架構及工程化思維。由于自動化領域依托信息論、系統論與控制論的相關先進技術，隨著人工智能、工業物聯網、5G等高新技術的飛速發展，該領域相關技術更新換代快，一味講解陳舊的理論知識，很難培養出適應當今社會需求的人才，如何依據人才培養方案對教材等教學資源進行整理編纂是最基本且關鍵的一步[4-5]。

（二）實踐教學環節薄弱、缺乏場景化教學

“新工科”建設明確指出，實踐能力是“新工科”人才必須具備的基本能力之一。目前本科教育中實踐教學環節薄弱，主要原因如下：第一，實驗條件不足、實驗平臺造價高，大班授課模式下，很難保證每個學生都能有適合的實驗平臺。第二，實驗平臺難以與時俱進。物聯網等技術發展迅速，理論教學更新后，配套的實驗平臺很難緊貼領域發展前沿。第三，實驗平臺簡單，脫離實際應用場景。缺乏場景化的實驗平臺，使學生的學習往往停留在理論理解，而無法真正與實際應用相聯系，進而導致學生學習積極性不高、動手能力差、創新思維不能得到良好的培養。

（三）校企兩張皮問題嚴重，缺乏可行合作通道

“新工科”背景下，高校所培養的人才應且緊密結合社會需求。目前，高校本科教育普遍存在校企兩張皮問題，多數為從高校到企業的單向驅動，存在“高校熱企業冷”的現象。盡管近年來國家大力倡導校企聯合辦學與產學研用一體化，但是校企合作板塊仍然較為松散，動力不足，形式化較為嚴重，因所合作的項目缺乏良好的約束機制而步履維艱，學生的培養目標與社會企業的需求差距較大。

（四）創新能力培養不足，科教分離較為嚴重

黨的十八大以來，習近平總書記把創新擺在國家發展全局的核心位置，高度重視科技創新。創新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，但目前我國的創新教育仍存在不足，主要原因有：部分學生在長期的應試教育下，已經養成了精神上的惰性，缺乏形成創造性思維的意識與習慣;對于高校科學研究的支持與建設，很難覆蓋本科生創新能力的培養，存在科教分離;教學過程中一味空泛地談創新，無法給學生具體的指導，導致學生想創新但不知道如何創新，使創新難以落到實處。

二、理實一體化工程應用型人才培養新模式

針對上述教學問題，北京大學充分借鑒已有教改研究成果與方法，采用以“學生”為中心的培養模式，在培養過程中重基礎、重開發、重設計、重創造，探索出一條“科教、產教、賽教”三維融合的理實一體化工程應用創新型人才培養模式，全面提升學生的工程應用能力與創新能力。

（一）重組課程群，理論教學高階化

為適應新工科建設對自動化專業卓越工程人才的需要，北方工業大學自動化專業以“創新實驗班”為試點，采用分層分流策略，在大三階段將自動化專業課分為智能機器人與智能制造（智能工業控制系統）兩個專業方向，并針對這兩個方向設計相應的教學組及課程群，經過兩年實踐，現已將該培養方案推廣到全體自動化專業學生。

立足智能機器人和智能制造新工科專業方向，對自動化專業的課程體系進行全面改革，依據社會對學生能力的培養需求，將課程分為基礎層、技能層、核心層與目標層。

為了提高學生的實際動手操作能力，重點將技能層分為軟件設計課程群與硬件設計課程群，并配套相應教學團隊與教材。其中，技能層又分為基礎知識、工程技能、產品開發、系統設計等四個層面。基礎知識包含“信號分析與處理”“數字圖像處理”等課程;工程技能包含“PLC技術與應用”“電子線路CAD”“嵌入式系統開發”等課程;產品開發包括“物聯網技術與應用”“智能設備開發”“無線傳感器網絡”等課程;系統設計層包含“自動化系統設計”“計算機控制系統設計”“畢業設計”等課程。

為了便于學生將所學知識成功轉化，在教學過程中應充分考慮與科研項目緊密結合的方式。北方工業大學現場總線技術及自動化北京市重點實驗室歷年來面向工業自動化、智能交通、有色冶金、環保控制等領域，在現場總線、物聯網技術、環保儀器設備開發等方面進行了大量研究，研究所需的軟件與硬件知識均與本專業培養能力密切相關。依托現場總線重點實驗室，本課程組主要承擔了自動化專業的硬件設計模塊下的大部分課程。依據新版自動化人才培養方案，對課程群重新改組，深入分析各環節對學生能力的培養效果與實際，對硬件開發課程體系與課程設置進行了全方位的調整。

重組課程群后，在教學內容與教學方式上也進行了相應改進，為打破傳統教學模式與教學資源普遍存在的“內容驅動”的理論深、要求高，概念抽象、公式繁多、晦澀難懂、學生學習興趣不高等問題，探索并實施一種新的“任務驅動”型教學模式。

首先，將硬件設計課程群依據任務驅動，重組為“基礎知識—工程技能—產品開發—系統設計”四部分，逐步提升課程的難度與高階性。在教學內容方面也改變改以往以內容知識點貫穿的方式，依據任務驅動，對課程內容按項目任務劃分，讓學生學習一門課程完成一項具體任務為主線，每個知識點緊密圍繞這條主線，最終目標通過實際任務來驗證。按照此教學模式重新整理教學資源，新編兩部教材《施耐德Premium/M340PLC實用教程》與《羅克韋爾ControlLogix PLC實用教程》，該教材已服務并應用于多個兄弟院校。

近年來，為積極貫徹落實全國高校思想政治工作會議及《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》等重要文件精神，如何以立德樹人、育才造士為目標，有意識、有計劃、有目的地將學科文化、職業規范、道德操守、精神內涵等有機融入教學過程，實現課程思政引領教學全流程成為高等教育教學改革的重中之重。

本文深入挖掘思政元素，立足自動化專業頂層設計，依托現場總線技術及自動化北京市重點實驗室實際科研課題，圍繞國產元器件自主開發等卡脖子需求，從“理念、技術、制度”三個角度融入思政內容。

（二）虛實結合，實踐教學科研化

在理論教改的基礎上，為實現情景化教學，北方工業大學自動化專業搭建了場景化實驗室作為學生的綜合實踐基地，本教學團隊立足北京市現場總線重點實驗室，從底層設計與開發的技術層面（如嵌入式軟件開發能力、PLC操作能力、CAD畫圖能力等）服務于學生的場景化實踐能力，分別從實踐仿真平臺與虛擬仿真平臺兩方面展開研究。

一方面，針對實驗平臺老舊、與培養目標不匹配的問題，以“自制實驗設備”為創新實踐主軸，服務于教學培養主軸各環節具體需求。首先，將實驗教學儀器開發作為科研項目的重要板塊，提出了“需求分析—科研立項—自制開發—成果轉化—實踐教學—迭代更新”一體化科教融合路線。首先，課程組將任務分解，形成多個內容明確、分工合理、接口清晰、工作量相當、難度適宜的子課題，通過開放實驗室課題和畢業設計課題的方式吸納學生參與，以任務書的形式指導學生;由實驗室科研崗專職教師帶領研究生和本科生形成梯隊化培養團隊;在平臺開發完成后，由學生自主進行實驗內容的組織和撰寫，形成完整的實驗指導書和配套軟件。

為服務自動化專業課程實踐教學，依托重點實驗室項目，由實驗室專任科研教師指導學生，師生共同研制了面向工控網絡、過程控制、機器人、虛擬仿真等四大類共16種創新實驗平臺。

上述自制實驗平臺除在本校應用外，在相關企業與兄弟院校產學研也得到了大力推廣應用，分別推廣到清華大學、華北電力大學、北京電子科技職業學院、北京物資學院、北京印刷學院、北京工商大學、西安郵電大學等11所高校。

為進一步優化實驗平臺，形成學生能力培養閉環，達到持續更新，與時俱進的效用，針對上述教學實驗平臺的后續改進，借鑒PDCA教學模式，構建了“高校—學生—企業—兄弟院校”四方聯合評價機制。圍繞自制教學儀器，由教師帶領學生研發更新，學生通過參與課堂配套實驗的方式實際應用到所開的平臺，進而對該平臺形成反饋意見;研制的平臺通過與企業進行成果轉化，企業對其形成綜合評價意見;此外，合作的兄弟院校使用該平臺后亦會形成相應的評價，通過調查問卷與調研等方式，收集多方意見，對產品進行改造升級，最終實現該培養模式與自制平臺的全方位反饋滾動優化。

在虛擬仿真平臺建設方面，基于自動化專業課程實驗特點，本著為自動化系統設計和開發類課程的實踐教學環節提供創新實驗平臺的目的，開發了基于半實物仿真的虛擬-實體實驗對象及快速原型控制器，設計了基于機器人、機械臂等創新實驗對象的硬件在回路實驗系統，開發了基于快速原型（RCP）技術的網絡化控制器與實驗設備。該設備為學生提供實體設備和虛擬設備兩類被控對象，實體設備有實際的控制對象，虛擬設備則相反，通過虛擬化的三維模型替代實體實驗對象進行控制，通過可視化界面對控制對象的運行狀態進行實時觀察和監測，直觀地展現其控制過程和控制效果，讓學生能針對典型實驗對象快速實現自己的設計目標，通過圖形化的方式對機器人、機械臂等綜合實驗對象進行控制和監控，在線調節參數。

（三）賽教融合，第二課堂創新化

為全面提升學生的創新、創業、創造能力，課程組以興趣為導向，以國內外重要學科競賽為依托，結合本專業在自動化、人工智能、工業物聯網領域的優勢，圍繞實踐基地建設、第二課堂建設、指導教師團隊建設、訓練制度建設、競賽平臺建設以及“師、生、研、本”多方傳幫帶競賽機制等方面，鼓勵學生動手，強調工程教學的實踐化，營造了良好的學科競賽氛圍，力爭達到通過“創業教育課、大學生創新項目、科技競賽、創業孵化”，全面提升學生的創新創業創造能力。

成立了西門子Campus-Hub校園學習中心、鋼鐵俠協同育人創新中心以及珞石產學研實驗室，依托中國機器人大賽、“挑戰杯”、西門子智能制造挑戰賽、飛思卡爾智能汽車大賽等大學生科技競賽平臺，為學生配備專任科技競賽指導教師，提供無人機、無人車、智能機器人、機械臂等參賽設備，提供充足的實驗經費;完善多種激勵與獎勵措施，將競賽獲獎成績作為獎學金評定與保研資格評定的重要指標，極大地激發學生參與競賽的積極性;在競賽過程中重視學生對高水平研究、發明專利提煉等能力的提升，鼓勵學生從科研項目中提煉競賽方案，通過競賽的經驗提升學生的科研創新能力，最終引導學生自主設計并實現復雜的控制系統，形成閉環。

綜上，依托現場總線重點實驗室科研項目，通過“理實結合、虛實結合”，采用創新實踐主軸服務于教學培養主軸的方式，最終形成了“研—學—產—用”一體化培養模式，主要體現在：

1. 研：在校內科研基地（北京市重點實驗室）立項并組織實施，將需求分解為內容明確、難度適中、接口合理的多個子任務，通過開放課題、競賽、畢設、實習等形式吸納學生投入研發過程，培養創新實踐能力。

2. 學：將研制的實驗設備服務于教學、實驗、競賽、畢設等教學培養主軸各環節，鼓勵學生積極參與，形成閉環。

3. 產：以產品示范、校外實習、輸送優秀畢業生到合作企業就業等形式與產學研基地合作，實現成果的轉化和推廣。

4. 用：對自制實驗設備進行產品化，在兄弟院校推廣應用;基于應用組織的反饋對自制教學產品迭代優化，對學生能力進行評估，最終實現滾動式發展。

三、結語

近年來，高新信息技術得到了迅猛發展，傳統自動化專業迎來了更大的挑戰與機遇，兼具創新意識與實踐動手能力的高素質創新型人才的需求日益突顯。在此背景下，針對自動專業教學中存在的模式呆板內容陳舊、情景化實踐教學平臺缺乏、人才培養與社會需求脫節、創新能力培養不足等問題，如何探索并發展出一條全面提升學生動手應用能力，與時俱進，且能真正實現知識直接轉化應用的教學體系成為各高校亟待解決的難題。

本文面向新工科建設，為全面提升自動化專業高水平應用型人才培養質量，提出了一種“科—產—賽”與“理—實—創”兩線三維的工程應用型人才培養模式。首先分析了目前自動化專業人才培養存在的主要問題，依托北京市重點實驗室，探索并實踐出一條以自制實驗設備為創新實踐主軸，服務于教學培養主軸各環節具體需求的培養方式，通過“科教、產教、賽賽”三維高度融合，提升理論與實踐相融合的層次與水平，實現“研—學—產—用”一體化的培養效果，為新工科人才培養提供借鑒與參考。

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（責任編輯：胡甜甜）