基于專業認證理念的現場總線技術課程改革初探*

摘? 要? 為提高學生的工程素養，促進畢業要求的達成，以工程教育專業認證理念為指導，從教學內容整合、教學理念設計、教學模式探索、教學效果評價等方面著手，結合自動化專業的專業特點，充分利用相關教學工具，給出現場總線技術課程改革初步探索成果。

關鍵詞? 工程教育；專業認證；自動化專業；現場總線技術；課程改革

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0108-04

0? 引言

專業認證目前已成為國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，通過堅持“能力導向、以學生為中心、持續改進”[1]的核心理念確保國際認可的工程教育質量。近年來，國家正在積極加入專業認證的國際隊伍中，旨在提升高等教育質量和學生能力的國際認可度。在這一背景下，每門課程都需要圍繞學生能力培養開展設計和組織，即對照每門課程的畢業要求指標，因課制宜、因生制宜，不斷改革教學方法與模式，形成以學生為中心的工程教育模式。隨著我國自動化類專業認證試點工作的開展與深入，自動化本科專業教育改革成為一項迫在眉睫的任務。

南京工程學院自動化專業于2021年1月通過專業認證，在“能力導向、以學生為中心、持續改進”核心理念的指引下，不斷提升教學質量建設水平。以此為契機，開展現場總線技術課程教學改革探索。現場總線技術誕生于20世紀90年代，是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、全雙工、多節點通信手段[2]。作為一種新的工業控制技術，它通過運用公開通信標準和完全分布式結構有力改善傳統集散控制系統，由此產生的現場總線控制系統成為新一代的自動控制系統。隨著“中國制造2025”科技戰略的不斷推進和工業互聯網技術的迅速發展，現場總線技術的應用進入全新時期，應用領域越來越廣泛，現場總線技術課程也逐漸成為自動化等眾多工科專業重要的專業核心課程。因此，基于專業認證理念開展現場總線技術課程教學改革，以更好地適應新時代自動化專業人才培養需求，具有重要意義。

1? 以預期學習成效為導引，有機整合教學? ??內容

現場總線技術是面向自動化類專業的一門專業課。從工程認證的角度看，結合問題分析與設計和開發解決方案兩個畢業要求，凝練兩個期望的課程目標：一是掌握基本原理和基本知識，通過文獻分析與調研給出合理的解決方案；二是在技術因素制約條件下設計并實施完整可靠的系統集成方案。

依托課程目標和工程認證的相關畢業要求，現場總線技術課程的預期學習成效可以總結為三個維度：知識維度，掌握幾種典型的總線技術，理解數據通信基本概念和協議的基本知識基礎；方法維度，根據總線系統通信需求進行分析，設計通信解決方案；能力維度，應用總線協議，實現總線通信功能的能力。

以上述三個維度為準繩，將32課時的現場總線技術課程主講內容分解為七大塊，分別是現場總線技術概述、通信基礎與總線協議物理層、總線協議數據鏈路層、CAN總線、PROFIBUS、工業以太網和案例專題分析。其中，總線協議數據鏈路層對于現場總線系統的理解和設計具有重要作用，此部分偏重計算機方面，自動化專業學生在計算機方面略顯薄弱。為有效配合預期學習成效的達成，在教材基礎上增設該部分內容，引導學生從更底層的視角了解和認識現場總線控制技術的工作機制。

2? 以學生為中心，構建教學理念三角架構

借助我國傳統文化，構建圖1所示教學理念三角架構，三個主體分別是學生、教師、案例，學生處于頂端中心位置，其他兩個主體進行支撐，三者相互關聯、相互促進。

1）對于學生，從三個方面發力：慎思、明辨、篤行。慎思即思考原理、動機等，明確問題產生的背景是什么；明辨即辨別概念、是非，具備工程倫理、職業道德；篤行即運用、實踐，做到學以致用、知行合一。

2）對于教師，從三個方面著眼：傳道、授業、解惑。傳道，即開展德育（立德樹人、言傳身教）、思政，支撐學生明辨的能力；授業，即傳授專業知識、技能，支撐學生慎思和篤行的能力；解惑，包括學習方面、生活方面、思想方面，貫穿慎思、明辨、篤行全部。

3）對于案例，服務于慎思、明辨、篤行、傳道、授業、解惑等六個方面的要求，包括但不限于思政元素、具體分析案例、設計任務等。以現場總線技術課程中數據編碼一節為例，首先回顧前一次課程關于通信性能指標的內容，然后用2018年出品的俄羅斯科幻影片《天際行者》作為過渡導引，引出數據編碼的重要性，逐步過渡到編碼本質、編碼策略（差分碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼）等內容。

3? 多措并舉，基于閉環控制思想探索持續改進教學模式

結合教學理念的三角架構，提出圖2所示閉環控制思想，探索持續改進教學模式。

課程伊始進行上一次課程內容的回顧，采用教師講解+提問學生回答結合（回答結果作為平時考核的一部分）的方式。在回顧的末尾拋出或提煉出新的問題，導引到當前課程的內容上來。

在課堂教學過程中，結合教學內容和教學安排，采取知識講授、案例教學、課堂實戰和分組討論等不同的教學策略：知識講授以PPT或板書為主；案例教學范圍較廣，習題課+實例分析等都算在其中；課堂實戰由教師出題、學生完成，請1～2名學生到黑板上演算；分組討論需要提前布置總線相關的話題，讓學生收集資料并整理，進行交流討論。

在課堂教學結束后，會采用任務設計、課后練習、專題調研等方式延續教學活動，作為課堂教學的補充，一方面鞏固學習效果、深化概念，另一方面鍛煉學生的分析設計能力、動手能力、收集整理能力和合作溝通能力。

為了檢驗這些補充環節（后課堂活動）的效果，引入形成性評價過程，即對錯題、設計難點、匯報效果進行互動評價，根據評價結果調整或改變回顧內容和導引重點，從而構成一個閉環控制系統。這個閉環系統的運行可以有效支撐持續改進工程認證理念的實現，使學生鍛煉認知能力、運用能力、調研能力和表達能力。

3.1? 線上線下混合授課，提升信息化水平

線上在教學平臺學習通發布教學內容視頻、布置學習內容、發布討論話題、布置課后作業，促進學生自主學習，通過QQ課程群加強與學生的互動交流。在線下課堂教學過程中穿插視頻學習效果考核的提問，對重點內容及學生視頻學習中的問題進行講解，結合具體案例組織學生進行討論，將枯燥抽象的知識融入工程應用中，加深學生對知識的理解。

3.2? 分組討論，增強學生思辨能力

給定現場總線技術相關話題，要求學生2～3人為一組，圍繞話題自主選題并利用兩周時間開展資料搜集、分析和整理。為保證公平性，通過抽簽方式決定各組展示順序。每組展示結束后，其他組進行組間互評。為盡量避免過于主觀的評分，教師對互評過程進行二次監督——對給出明顯高分或明顯低分（這里相對平均值而言）的學生予以一定懲戒措施，體現在該打分學生的個人成績上。獎懲一方面為了盡量提高組間互評的客觀性和公正性，另一方面對學生施加必要的壓力，只有認真聽完他組展示才最有可能給出合理的評價。通過這種方式讓學生明白，尊重別人就是尊重自己。

各個隊伍除線下自行組合外，還需在學習通上建立線上小組，并要求各組確定小組名稱和針對此次分組討論活動的“行動代號”。各組可以自由發揮，決定各自的名稱和代號，一方面彰顯個性，另一方面可以增加分組討論的趣味性。此外，每位學生的打分將直接進入被打分學生平時分的計算中。通過以上方式間接讓每位學生都有機會當一回“小老師”，某種程度上也是提升學生上課參與度的一種可行舉措。

3.3? 靈活運用思維導圖，豐富學生思維模式

在某一章或某一大節的課程內容講授結束后，針對該章或該節的內容繪制思維導圖，將相關知識點通過線條、符號、圖案、顏色等豐富多樣的手段進行有機整合和關聯，起到提綱挈領的作用，使學生看完之后一目了然，也讓教師對內容的把握更加深刻，授課時成竹在胸。這一方式可以讓學生多了解一種學習的工具，也可以對學生的思維方式產生積極影響。如在學生最終提交的大作業報告中，有的學生在寫作中熟練運用思維導圖進行輔助思路的闡述。

3.4? 充分運用數據庫資源，開展雙語教學，開闊學生學習視野

現場總線技術教學環節涉及數據通信、控制網絡，如FF總線、PROFIBUS、Lon Works、Control?Net、World FIP、ASI控制網絡等。此類技術均有英語專業術語、專業化的操作路徑等，應用雙語教學有利于大學生更為直接地了解現場總線技術的內容。借助圖書館的相關書籍安排適當課時的雙語教學，彌補單一的漢語教學可能存在的概念理解偏差[3]，開闊學生視野；給學生提供相關的最新外文文獻，或者發動學生自行檢索下載相關外文文獻，從源頭上理解，提高知識點的精確性和全面性。

3.5? 結合自動化專業特點，有機融入課程思政元素

自動化專業人才在我國工業和國防建設中發揮著重要作用。隨著世界格局和國際形勢加速演進，特別是在教育部新工科建設背景下，新時代自動化專業人才不僅應具有過硬業務能力與強大創新能力，還必須志存高遠、敢于擔當，具有為祖國奉獻一生、“甘坐冷板凳”的崇高精神。如何通過課程思政培養德才兼備的新時代人才，成為自動化專業改革的首要目標與核心任務[4]，也是在高校課程教學中實現智育和德育全面發展亟待思考和解決的問題，課程思政提供了一個難得的渠道。這里的課程思政是廣義的，即除了思政課程外，在其他專業課程教學中以靈活的方式挖掘和倡導社會主義核心價值觀。如工科專業中隱藏的嚴謹求實、追求真理的科學精神，甘于奉獻、運用科學和技術造福人類的科學倫理等思政元素，都值得深入挖掘和展示[5]。

基于上述分析，自動化專業背景下的現場總線技術課程思政元素主要以“中國制造2025”和新一代信息技術與制造業融合為背景，立足于兩個著眼點：一是激發學生的愛國情懷，以現場總線技術領域內的佼佼者浙大中控為例，講述浙大中控自主研制工控機等一系列關鍵信息設備，打破國外壟斷，有力維護國家安全和利益的事例，激發學生愛國情懷；二是堅定學生立志報國的理想，在介紹工業互聯網時，適時地向學生講述當前5G、人工智能等新技術不斷發展的背景下，工業互聯網在我國大有市場也大有可為，讓學生漸漸篤定逐夢新時代的勃勃雄心。

4? 理論實踐雙管齊下，優化提升考核體系

傳統的考核評價方式重結果、輕過程，現在已經無法滿足客觀反映學生實際學習效果的需求，集形成性評價和期末考核/考試為一體的綜合考核方式成為主流。然而，后者所指的綜合考核方式雖然已經在一定程度上提高了評價結果的客觀性和科學性，但在具體的評價方式上仍有較大的改進空間。具體來說，形成性評價目前依然主要以平時作業、隨堂測試或階段性測驗等書面考核的形式體現，而期末考核/考試大多采用筆試形式。不難發現，由于缺乏對實踐環節的充分考查和對學生學習過程中相互依賴傾向的有效約束，這種明顯偏重筆頭的考核方式依然無法真正展現學生的實際能力和學習效果，不利于培養學生的獨立思考意識和能力以及自行分析解決工程問題的能力。高分低能的問題同樣未得到有效解答，無法契合以培養一流應用型本科人才為己任的高校的培養目標。

受到上述問題的啟發，對現場總線技術課程的考核體系進行優化提升，以考核學生對課程目標的達成為主要目的，以學生對課程各知識點的掌握程度為重要內容，成績評定分過程考核（占最終成績的40%）和結課大作業（占最終成績的60%）兩部分。過程考核主要考查學生出勤、課堂表現、作業，各環節占課程總成績的權重分別為5%、15%、30%；結課大作業主要考核學生對現場總線技術基礎知識的掌握和解決基于現場總線的工程應用問題的能力。

4.1? 考勤模式網絡化

在疫情防控大形勢下，線下模式隨時可能轉換為線上模式。為適應這種變化，同時有效積累教學數據，借助學習通這一高效的線上教學工具，采用“學習通簽到+線下點名”雙重模式。學習通簽到提供四種基本模式，通過隨機變化簽到模式在一定程度上可提升出勤率，通過增加約束條件（比如簽到有效時間為一分鐘）等方法適度創造緊張環境，有利于學生更快進入上課狀態。

4.2? 課堂表現層次化

為了更加及時、客觀地評價學生實際學習情況，在形成性評價機制中充分體現學生在課堂教學中的主體地位，主要通過課堂活動表現和課堂練習考核。課堂活動評價的具體形式會根據教學內容進行調整，力爭做到合理、可信、可操作。用課堂討論、分組任務等形式，重點培養學生信息搜集整合、團隊協作互助、高效溝通的能力。

4.3? 平時作業隨機化

對線上發布作業的方式進行優化，如分成幾個不同類別的題庫，或者對題目出現的順序隨機編排，沒有獨立完成的學生必然會答非所問。通過這種篩選機制對學生平時的參與情況和學習態度進行有效評估。

4.4? 結課作業實戰化

結合課后作業的任務，布置基于總線應用的設計任務（包括硬件電路設計、軟件程序設計和設計報告撰寫），根據任務完成情況和報告完成情況給出成績。要求學生基于某一類總線協議設計相應的總線通信的網絡節點，實現基于現場總線的具體對象控制的方案以及實現對對象控制的協議；給出詳細的硬件設計過程或者方案流程，提供詳細的原理圖和軟件框圖；給出詳細的軟件程序；最終按照詳細的格式規范撰寫報告。

對應評分過程要給出具體的細則，與上述要求逐一對應，即：原理敘述是否正確，內容是否翔實，方案設計是否正確、清晰；硬件設計過程是否詳細，原理圖是否完整正確；軟件設計過程是否詳細，流程圖是否完整正確；寫作是否條理清晰，內容是否完整正確，是否規范。

通過結課大作業這一設計型的任務，為學生提供現場總線技術理論知識的實戰機會，可以有力彌補現有考核體系中實踐環節的缺失。總之，理論實踐雙管齊下，能夠更好地檢驗學生的學習能力和學習效果。

5? 結束語

課程改革是支撐工程教育專業認證目標的有效舉措。開展現場總線技術課程改革，既為自動化專業認證的持續改進提供新鮮素材，又給學生提高工程素養構建可用平臺。在開展課程改革過程中，應始終以能力導向為總綱，以學生發展和需求為中心，持續探索和改進，通過不斷反饋、優化、再實施以達到工程認證下的課程教學效果。與此同時，應深入挖掘課程與專業之間的內在聯系，一方面通過課程教學促進學生對專業的認知和理解，另一方面通過對專業領域內新興技術的充分理解促使學生認識專業核心課程的重要支撐地位，從而提升學習的熱情和興趣。

參考文獻

[1] 易玉枚，董子文，易燦南，等.專業認證背景下安全工程專業流體力學課程教學改革[J].中國教育技術裝備，2019（22）：82-83，88.

[2] 趙新蕖，張士磊.新工科背景下現場總線技術課程應用型“金課”建設的探索[J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（5）：91-93.

[3] 王雅璐.基于現場總線技術的雙語教學改革創新探討[J].科技視界，2021（24）：3-4.

[4] 周純杰，何頂新，張耀，等.新工科背景下自動化專業實踐課程思政的設計與實施[J].高等工程教育研究，2022（4）：31-37.

[5] 田小敏，楊忠，邵妍.自動化專業課程思政建設方案的探究與實踐[J].高教學刊，2022，8（14）：54-57.

*項目來源：南京工程學院高層次引進人才科研啟動基金“基于不可靠數據傳輸的跳變系統有限時間控制”（基金編號：YKJ202018）；江蘇省配電網智能技術與裝備協同創新中心開放基金“事件觸發下電力CPS的安全控制：一種切換系統法”（基金編號：XTCX202206）。

作者：陳海洋，南京工程學院自動化學院，博士，講師，研究方向為跳變系統、網絡化控制系統、事件觸發控制（211167）。