新形勢下高校自動化專業實驗教學改革探析

摘 要：國家創新驅動發展戰略背景下，新工科更注重實用性、創新性和交叉融合性，自動化專業作為一門工程實踐性和應用性較強的學科，如何在新形勢下進行實踐教學改革，提高學生的工程實踐能力和科技創新能力，培養學生具備面向新工科的知識儲備和綜合素質養成尤為重要。通過文獻搜集法、案例分析法提出了建立理論與實操相容的辯證關系、將指導性實驗轉變為探究性實驗、在市場需求導向下優化實驗思維、建構具有學科交叉性的實驗項目、使學生建立自組織實驗學習系統等五個改革目標，同時指出將面對理論教學與實驗教學存在信息壁壘、探究性實驗存在技術路徑收斂難題、學生專業意識阻礙商業思維的建立、工程技術與人文元素交叉存在困難、實驗教學中的自組織學習環境缺失等五大挑戰。最后以挑戰作為問題域，提出高校自動化專業實驗的整合教學團隊增強實驗教學的正反饋效應、為學生提供多元探究性實驗的渠道和平臺、校企合作下為實驗教學構建真實工作情境、加強課程思政建設以充實人文精神教學內容、引入混合式教法重建學生的實驗學習習慣五個教學改革思路，以培養工程實踐能力強、創新意識高、國際競爭力突出的高素質復合型新工科人才。

關鍵詞：新工科;自動化專業;教學改革;混合式教學

中圖分類號：G642.0; G642.423 文獻標識碼：A DOI：10.3963/j.issn.1671-6477.2022.04.020

隨著我國“新工科”人才培養理念的提出，在新形勢下高校自動化專業實驗教學面臨著改革要求。我國在步入社會主義新時代后，為了應對全球新一輪科技革命對高端人才資源的需求與競爭，高校自動化專業實驗教學也存在著改革必要。根據《自動化專業實驗教程》的體例安排，自動化專業實驗教學內容主要由信號與系統、自動控制原理、電力電子技術、電機及拖動基礎、微機原理與接口技術、單片機原理及接口技術、可編程序控制器、DSP原理與應用、計算機網絡技術、運動控制系統、過程控制系統等專業課程組成。不同實驗教學項目之間存在著技術流程和功能原理的異質性，這就要求從整體視角出發，從總括層面尋找到自動化專業實驗教學改革的思路。

一、相關研究綜述

自動化專業著重于科技創新和實踐應用，深入影響經濟發展中的各個方面，對于社會的經濟發展有著重大作用，是現代應用型技術大學工科建設的重要內容，更是衡量國家現代化程度的重要標志。對于新形勢下自動化專業如何進行實驗教學改革，很多專家學者提出了自己獨到的見解與看法。房立存基于對新成立的應用型技術大學自動化專業建設背景的思考，闡述了在新工科背景下應用型技術大學實驗教學的探索過程與實施路徑^[1];劉曉面向機械設計制造及其自動化專業，構建了“三層次—九模塊—五結合”的實驗教學課程體系，明確了各實驗層次、實驗模塊的具體內容^[2];黃倩分析了我國應用型高校自動化專業教學所存在的局限和不足，提出了應用型高校實驗教學改革模式建議^[3];榮海林認為在新工科背景下自動化專業培養創新型人才的需求對實驗教學提出了更大挑戰，并以樣本高校自動化專業為對象，提出了實驗教學團隊需加強頂層設計，創新“授驗結合”式實驗教學方式的觀點^[4]，實踐證明，該實驗教學方式取得了良好的教學效果，對學生工程實踐能力的培養、實踐教學的發展以及學科建設都起到了強有力的助推作用;李明構建了啟發性實驗、基礎實驗、虛擬在線實驗、綜合設計實驗、創新項目、大學生競賽、應用型畢業設計等逐層遞進的實驗教學流程，分析了各個環節的教學方法和目的，構建了培養學生創新思維和工程實踐能力的實驗教學體系，試圖幫助學生實現從認識到自主設計、從提升到應用階段的遞進^[5];趙久強圍繞以學生為本、能力培養、素質提高、協調發展的教育理念，從教學內容、教學模式和評價體系等方面，介紹了自動化專業探究性實驗教學領域的改革和實踐^[6];白銳針對自動化專業的特點，以培養應用型人才為目標，提出了實驗教學的優化策略，其策略包括實驗教學體系的構建、實驗教學內容的完善和優化、實驗教學平臺的建設^[7];么洪飛在討論傳統實驗教學存在問題的同時，結合自動化專業的師資和實驗室資源，從實驗教學內容、教學時間和空間、教學方式方法及實驗的考核等方面，提出了自動化專業開放性實驗教學的構想^[8]。

上述研究所形成的觀點構成了當前的主流研究思想，其中不乏值得有本文借鑒的地方。但在這里也需要指出，當前主流研究尚未形成“新工科”背景下開展主題討論的傳統，即使已有研究提及了“新工科”背景，但仍缺乏開放的研究視野。所謂“開放的研究視野”是指，基于新一輪科技革命對工程技術類人才的培養要求，應將產業發展、崗位能力要求、學科交叉、市場人才需求等因素納入研究視野，進而使自動化專業實驗教學改革在滿足教學技術和育人規律的同時，還能明確自動化專業實驗教學改革中的人才需求指向。由此，主流研究存在的不足，便為本文的立論提供了啟示與拓展研究的空間。

二、新形勢下高校自動化專業實驗教學改革的目標定位

具體而言，基于分層原理可將實驗教學改革的目標定位如下：

（一）定位于建立理論與實操相容的辯證關系

作為基礎層級，在自動化專業實驗教學改革中需建立理論與實操相容的辯證關系。哲學范式下的辯證關系強調了事物之間的普遍聯系性，在這里則反映為理論知識研習與實操技能提升之間的關聯性。具體而言，學生所具備的理論知識構成了他們的專業意識，在專業意識的驅動下學生應有目的地展開實操活動。與此同時，學生在實操活動中所獲得的實踐認知又應助力自身專業意識的提升與再造。在二者相容的基礎上，學生最終成為理論知識與實操能力兼備的自動化工程應用型人才。確立上述改革目標，歸因于解決當前在自動化專業實驗教學中存在的理論與實操呈板塊化銜接的問題，即偏向于以實驗教學來印證理論知識，學生則在所謂標準化實操流程中證明理論知識的正確性。

（二）定位于將指導性實驗轉變為探究性實驗

隨著理論與實踐相容中辯證關系的建立，便需改變當前以實操印證理論的單向反饋模式，進而也需變革自動化專業實驗教學的價值導向。為此，這里的改革目標定位于將指導性實驗轉變為探究性實驗。所謂“指導性實驗”是指學生在規定的實操流程中完成既定的實驗任務，其實驗結果需與既定的標準結果相對照，并以對照后的答案匹配度作為評價學生實操成績的關鍵指標;而“探究性實驗”指的是聯系產業發展趨勢并結合學生目前的能力水平，圍繞預設的課題（生產任務）開展實操活動。顯然，探究性實驗的實驗結果具有不確定性，這種不確定性或者為學生團隊無法在規定時間內完成任務，或者為課題（生產任務）本身在目前還不具有完成的條件。這種轉變所帶來的紅利為學生可以從探究性實驗中形成問題意識，也能從中獲得科學精神和工匠精神的啟蒙。

（三）定位于在市場需求導向下優化實驗思維

目前，在主流研究中并未聯系市場需求來探討自動化專業實驗教學的改革議題，因為諸多研究者并不具備經濟領域中的基礎知識。在新形勢下，自動化領域中的一切研究成果都需轉為商用，才能使研究成果最終成為推動我國社會生產力發展的微觀載體，自動化專業實驗教學的改革目標在這里便需定位于在市場需求導向下優化學生的實驗思維。優化后的學生實驗思維應體現為學生能自覺根據產業發展實際選擇實驗方向，也能自覺契合企業的經濟效益目標，對如何改進技術和工藝流程來降低制造成本和制造周期進行思考。為了使學生的實驗思維得到優化，需首先打破實驗教師的固有思維，即習慣于以學生技術精進為主線的實驗教學意識。另外，還需為學生補充有關自動化研究成果的商業轉化知識。

（四）定位于建構具有學科交叉性的實驗項目

在新形勢下各學科之間的交叉貫通成為了常態，如在人工智能領域倫理學標準成為了約束技術濫用的依據。為了使學生能夠適應新形勢下自動化產業發展環境，實驗教學改革的目標還需定位于建構具有學科交叉性的實驗項目。實驗項目也可看作為實驗教學的內容，且在開發探究性實驗教學形態時，需在學科交叉中尋找靈感。同時，自動化領域本身所存在的學科交叉性特征，又從客觀上要求對實驗項目作出改革。在建構具有學科交叉性的實驗項目時，還需直面其中所存在的約束條件。其中，課程約束和實驗條件約束成為了約束條件的重要組成部分，為探究實驗教學改革的方向提供了問題域。

（五）定位于使學生建立自組織實驗學習系統

在新形勢下開展自動化專業實驗教學，還需為學生建立自組織實驗學習系統創造條件，構成了實驗教學的改革目標。“自組織實驗學習系統”可界定為：（1）學生在面對實操問題時具備專業思考的自覺，并能主動搜集與實驗項目有關的資料;（2）學生在實驗過程中能夠自覺遷移和整合理論知識，并能對實驗結果與標準結果間的差異作出反思，而不是盲目否定自己的結論;（3）學生在受到實驗啟發后，能自覺、主動地關注產業相關信息，改革實驗教學模式成為了必須。

三、新形勢下高校自動化專業實驗教學改革所面臨的挑戰

自動化專業實驗教學改革在貫徹上述目標時，會面臨以下五個方面的挑戰：

（一）理論教學與實驗教學存在信息壁壘

已知在自動化專業實驗教學改革中需建立理論與實踐兩者間的辯證關系，但在構建這種關系時卻面臨信息壁壘所帶來的挑戰。這里的“信息壁壘”指在自動化專業教學中，理論教學任務與實驗教學任務一般分由不同的教學主體承擔，這就在客觀上使理論教學與實驗教學間存在著信息壁壘。理論課教師并不具有為實驗教學定向提供知識鋪墊的主觀自覺，實驗課教師也不具備幫助學生整合、遷移、反思理論知識的主觀意識。兩類教學主體依照自己的崗位職責，基于各自的教學體例完成著自己的工作任務。

（二）探究性實驗存在技術路徑收斂難題

在自動化專業中建立探究性實驗教學形態，這可以被看作為一種實驗教學創新。然而，在打造該實驗教學形態時，卻面臨著技術路徑收斂難題所帶來的挑戰。在前面的論述中已指出，探究性實驗拋棄了封閉命題的傳統，并基于新形勢下的自動化產業發展趨勢，以開放的命題來塑造學生的科學精神和工匠精神。顯然，開放的命題所催生出的不確定性將對實驗教學管理帶來壓力。其中，實驗時間控制、實驗資源投入控制、實驗安全風險控制等，都會對實驗教學產生前所未有的壓力。

（三）學生專業意識阻礙商業思維的建立

在改革自動化專業實驗教學時，需以開放的心態來面對學生未來的職業選擇和走向。具體而言，在新形勢下學生即使在自動化領域就業，他們不僅可擔負研發生產任務，也可以承擔客戶維護、售后服務等管理工作，所以優化他們的實驗思維十分必要。然而，學生所累積起的專業意識卻阻礙了他們商業思維的建立，并在相對封閉的專業教育大環境下，學生個體因受群體意識的影響又會強化自我的專業意識，而更為排斥專業領域以外的商業知識。

（四） 工程技術與人文元素交叉存在困難

在主流研究中已有研究者基于“新工科”背景提出了學科交叉議題，他們在對實驗教學改革的建議中也意識到學科交叉的客觀必要性。然而，主流研究提出的學科交叉觀點仍具狹隘性，未能將工程技術與人文元素間的交叉融合納入研究視野，這一研究現象與工程技術與人文元素在交叉中所存在困難存有關聯。需要強調的是，學生若缺乏人文關懷精神和敬畏社會倫理道德的心理，在未來的職業生涯中，單純以一種“工具理性”來驅動自我的專業技術發展，而無法成為心系國家和人民福祉的工程技術人員。

（五） 實驗教學中的自組織學習環境缺失

當前，主流研究并未對實驗教學中學生自組織學習系統的建設問題展開討論，而這確是一個重要問題。另外，筆者在構建學生自組織學習系統時，卻發現實驗教學中存在著自組織學習環境缺失的現狀。我們在上文中已指出，實驗課教師依照教學體例完成教學任務，使實驗教學活動難以延伸至課后。另外，實驗教學評價以學生所提交的實驗報告為主要依據，這又抑制了學生延伸實驗學習活動的主觀意愿。由此，因存在由自組織學習環境缺失所帶來的挑戰，便難以使自動化專業實驗教學改革獲得一種全新的面貌。

四、新形勢下高校自動化專業實驗教學的改革思路

根據以上所述，新形勢下高校自動化專業實驗教學改革思路構建如下：

（一）整合教學團隊，增強實驗教學的正反饋效應

在新形勢下需要建立高水平的自動化專業教學團隊，針對理論教學和實驗教學分別組建師資隊伍具有其內在的合理性，但仍需通過整合教學團隊來增強實驗教學的正反饋效應。在不改變師資教學職能的前提下，整合教學團隊的重點應為：建立信息交互和共享機制，使理論教學師資能夠為實驗教學定向進行知識鋪墊，實驗教學師資也能為理論教學引導學生反思實驗結果。為了使教學團隊在整合中獲得制度保障，可以根據“課程群”組建包含理論教學師資和實驗教學師資在內的教學團隊。如，可將“可編程序控制器、計算機控制系統、DSP原理與應用、計算機網絡技術”作為課程群，組建該課程群的教學團隊，教學團隊圍繞著建立理論教學與實驗教學間的辯證關系，共同研討能夠使理論與實驗相容的教學體例，進而增強實驗教學的正反饋效應。

（二）為學生提供多元探究性實驗的渠道和平臺

在新形勢下需要激活學生在實驗中的創新性思維潛力，所以應為他們提供多元化的探究性實驗渠道和平臺。首先，可通過改革現有的實驗教學管理模式，為學生課題小組開放實驗室資源，并在指導教師的協助下為學生提供開展探究性實驗的渠道和平臺。其次，隨著學生進入高年級，可以將部分優秀學生吸收到教師的課題組之中，通過讓學生從事文獻搜集、實驗結果分析，并參與實驗流程設計等工作，使學生獲得探究性實驗的渠道和平臺。最后，在“雙創”活動中對具有商業價值的自動化設計項目提供孵化平臺，讓學生創新團隊能夠借助學校、企業、政府等多方力量，獲取探究性實驗的渠道和平臺。在為學生提供上述條件時，高校需對學生進行分類、分層管理，即為了提高實驗資源投入的產出比值，應重點為具有創造性思維能力的學生提供上述渠道和平臺。

（三）校企合作下為實驗教學構建真實的工作情境

比較而言，讓自動化專業學生形成商業思維較為困難，其原因上文已經作出了分析。但在新形勢下，高校需要培養具有綜合素養的自動化專業人才，且這也有助于拓寬學生的就業門路。根據“實踐—認識—再實踐—再認識”的邏輯進路，高校應在校企合作框架下為實驗教學構建真實的工作情境。如，由企業方提供商業案例，案例可涉及自動化設備研發時的成本控制議題，以及簡化技術工藝流程以提高自動化設備產能的議題。在實驗教學前期，教師應在向學生介紹案例的同時，對其中所蘊含的商業原理作出分析，如向學生解釋為何需要控制研發成本，以及一般采取怎樣的方式來簡化技術工藝流程。這樣一來，學生便能在知其然并知其所以然的思想狀態下逐步獲得理性的商業思維能力。

（四）加強課程思政建設，充實人文精神教學內容

在自動化專業實驗教學中需主動實踐課程思政，從上文的論述中可知，課程思政主要起到培育學生人文精神的作用。由于自動化專業所面向的行業十分廣泛，不同行業所面臨的技術與人文間的沖突也不盡相同。根據自動化專業實驗教學內容，筆者將沖突歸納為：自動化技術與社會人倫間的沖突，如人工智能技術;自動化技術與個體隱私保護間的沖突，如人臉識別技術;自動化技術與勞動力就業間的沖突，如工業機器人對勞動力就業產生“擠出效應”等。在實驗教學中，教師需要對上述沖突的表現、生成原因、解決辦法逐一向學生闡述，并告誡學生在應用自動化技術時需關注人的需要，并在進行自動化功能模塊設計時需重視其所發揮的人文關懷的需要。

（五）引入混合式教學方法，重建學生的實驗學習習慣

在整合教學團隊的基礎上，還需引入混合式教學法來重建學生的實驗學習習慣。其中，應重視線上共享教學平臺的建立。如根據課程群組建了教學團隊后，教學團隊可在“釘釘”App上建立課程實驗交流群，學生可以在群中表述自己在實驗中的疑惑，理論教學師資和實驗教學師資都可對學生的疑惑進行回應與答疑。對于學生提出的具有探究性特征的實驗問題，兩類師資可以發揮各自的教學優勢與學生在群中進行討論。為了幫助學生構建自組織學習系統，高校還可以建立導師制，以導師團隊與學生團隊建立在線信息交互和共享，以導師團隊的終身學習風采去感染學生，以起到激勵學生團隊形成自組織學習行動的自覺。

在新形勢下需要建立高水平的自動化專業教學團隊，所以針對理論教學和實驗教學分別組建師資隊伍具有其內在的合理性，但仍需通過整合教學團隊來增強實驗教學的正反饋效應。在新形勢下還需要激活學生在實驗中的創新性思維潛力，所以應為學生提供多元化的探究性實驗渠道和平臺。根據“實踐—認識—再實踐—再認識”的邏輯進路，高校應在校企合作框架下為實驗教學構建真實的工作情境。在自動化專業實驗教學中需主動實踐課程思政，課程思政主要起到培育學生人文精神的作用。在整合教學團隊的基礎上，還需引入混合式教學法來重建學生的實驗學習習慣。

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[8]么洪飛.自動化專業開放性實驗教學模式的構想與探究[J].高師理科學刊，2016（8）：81-84.

（責任編輯 文 格）

University Experimental Teaching Reforms on Automation in the New Situation

WANG Yi-lin， YANG Xu

（School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

Abstract：The emerging engineering focus on practicality，innovation and cross-fertilization under the background of national innovation-driving development strategy.As a strong engineering practicality and application major，it is crucial to reform the experimental teaching strategy in the new situation to improve the practical and scientific innovation ability.Five reform goals are proposed through literature collection and case study methods：establishing a dialectical relationship between theory and practice，transforming guided experiments into inquiry experiments，optimizing experimental thinking under the guidance of market demand，constructing experimental projects with cross-discipline，and enabling students to establish a self-organized experimental learning system.Five challenges that will be faced are also mentioned：the existence of information barriers between theoretical and experimental teaching，the difficulty of convergence of technical paths in exploratory experiments，the establishment of business thinking hindered by students’ professional consciousness，the difficulty of intersection of engineering and humanistic elements，and the lack of self-organized learning environment in experimental teaching.Integrating teams to enhance the positive feedback effect of experimental teaching，providing students with multiple channels and platforms for exploration experiments，constructing real working situations for experimental teaching under the cooperation between universities and enterprises，strengthening the construction of curriculum thinking and politics to enrich the content of humanistic teaching，introducing blended teaching methods to rebuild students’ learning habits，through these five teaching reform methods，the new engineering talents with high quality and compound professional knowledge will be cultivated.

Key words：emerging engineering; automation; teaching reform; blended teaching