新工科背景下地方高校自動化專業核心課程改革與實踐

陳奕梅 李紅利 田慧欣

摘要自動化專業是一門多學科交叉的工科專業。由于在課程體系中普遍缺乏行業背景及相關的專業應用，學生對專業的學習以及知識結構缺乏系統的認知和理解。在新工科建設背景下，文章以天津工業大學自動化專業為例，結合學校的行業特色，以控制系統認知―分析―綜合―前沿技術為主線進行核心課程體系改革。同時，建設了科教創新實踐平臺，豐富了實踐教學模式和教學內容，提高了自動化專業的人才培養質量。

關鍵詞 新工科；課程體系；自動化專業；實踐平臺

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.008

隨著經濟全球化的深入發展，新一輪科技革命和產業變革加速進行。為了在全球經濟和科技競爭中取得優勢，“新工科”這一概念自2016年提出之后，高校就新形勢下的傳統高等教育提出要探索更加多樣化的人才培養模式[1]。自動化專業是“新工科”建設的主要內容之一，提升自動化專業的人才培養質量具有重要意義[2]。在新形勢下我國地方工科院校自動化專業傳統的人才培養模式主要存在以下問題：

①自動化專業具有寬口徑、寬背景的特點，并且有大量的學科交叉存在，而傳統自動化專業由于在課程體系中普遍缺乏行業背景及相關的專業應用，理論與實際不能緊密結合，學生對專業的學習以及知識結構缺乏系統的認識和理解[3]。

②隨著“新工科”建設和工程教育的開展，高等教育更加關注學生能力的培養，特別是解決復雜工程問題的能力。但是由于教學設備缺乏更新，系統性不足，無法開展更多的創新性、設計性實驗[4]。

③不斷更新的新知識、新技術使自動化技術進入到快速發展的軌道。對于傳統工科專業來說，不僅在縱向上要求培養體系要有與時俱進的結構性改革和內容性更新，而且在橫向上要進行適應新興科學技術和新產業革命的擴

展和融合[5]。

本文介紹了天津工業大學自動化專業在“新工科”建設背景下，依托學校的行業特色與優勢，對自動化專業建設進行的改革與創新，為類似專業的新工科建設積累經驗、提供借鑒。

1具有專業特色的核心課程體系建設

1.1以行業特色為核心課程體系的主線

天津工業大學為國家“雙一流”建設高校，“紡織科學與工程”為其“雙一流”建設學科。學校的自動化專業始建于1972年，2021年入選國家級一流本科專業建設點。根據學校的辦學特色，自動化專業相關課程中以自動化系統為核心，依托專業教師在紡織自動化領域的積淀，將紡織自動化的各個環節按照“新工科”工程認證模式，逐步融入課程中。在近幾年多次培養方案的修訂中，逐漸形成了以系統認知―系統分析與設計―系統綜合為主線，以紡織自動化技術為特色的課程體系。

1.2強化“自動化”與“智能化”的融合，調整課程設置

近年來，人工智能、機器人等技術的快速發展也給自動化行業帶來了機遇與挑戰，專業的培養必須以學生為中心，以社會需求為導向。通過近幾年課程設置的調整，逐漸實現了“自動化”與“智能化”相融合，新技術與傳統產業相融合的課程特色。

①建設了“智能機器人”的特色課程群。根據專業特點，開設了“智能控制技術”“模式識別與機器學習”“機器人控制技術”“模式識別與機器學習實踐”等課程。

②打破知識“孤島”。為了解決新建特色課程相互之間缺乏協同，造成不同課程間的知識冗余或知識“孤島”等問題，專業課程中也進行了內容統一調整及規劃。例如“機器人控制技術”課程的教學，學生由于缺少機器人學科等相關基礎知識，在課程學習中存在不少困難。根據課程的前后關系，在“自動控制原理”“電機及拖動基礎”等課程中，分別通過內容的調整或案例教學等形式，將機器人運動學模型、環境感知、驅動與控制等知識融入課程，使學生具備學習機器人控制技術課程的理論基礎，形成完整的知識體系結構。

③傳統的紡織自動化與新技術結合。“智能化”促進了“自動化”的快速發展，紡織自動化也隨著新知識、新技術得到了快速發展。在“智能機器人”課程群相關的課程中通過紡織工程中的案例教學，強化了先進紡織自動化的理念。

2以紡織自動化為背景的多層次課程體系建設

圍繞解決紡織自動化中的復雜工程問題，從底層課程體系的紡織行業背景及認知實習、中層課程體系中的紡織自動化基礎知識以及典型案例教學、高層課程體系中的紡織自動化的綜合設計到畢業設計中相關工程問題的解決，并通過紡織行業的生產實習，將行業優勢融入課程體系，使學生對紡織自動化有了完整的認知，同時也具有了將知識舉一反三，拓展到其他行業的能力，最終對自動化專業的知識和應用有了系統完整的理解。課程體系建設技術路線圖如圖1所示。

①系統認知。在大一課程“自動化專業概論”中通過對織布張力控制系統工作原理的分析，使學生初步了解系統的工作方式。接下來的“專業認知實習”在紡織企業完成，學生通過現場參觀，再結合之前的課堂內容，對控制系統有了直觀的認知，明確了今后的學習內容和目標，以及在學習中的重點與難點。

②系統分析與設計。在專業課程的學習中，通過案例教學的方式，對課程中所涉及的紡織自動化系統中的相關模塊進行分析、理解。例如，在“自動控制原理”課程的學習中，圍繞張力控制系統，對系統原理進行了分析，在此基礎上，建立了數學模型，分析PID控制器的原理及參數整定，并設計出相應的控制器。

③系統綜合。在專業綜合實踐課程中，將專業課中案例模塊進行綜合，并完成獨立被控對象的系統實現。同時，針對紡織綜合自動化實現的具體要求，完成方案分析、元器件選型、系統分析、系統設計的全過程。

④系統前沿。新的課程體系中也對專業課程的設置進行了合理調整，突出“智能化”的理念。同時，傳統的紡織自動化要與新技術結合，例如，在“模式識別導論”中，引入紡織車間疵點檢測技術等。同時，在新的培養方案中增設了“紡織智能制造前沿課程”，使學生以紡織自動化為窗口了解專業的發展方向，強化先進紡織自動化的理念。

3升級完善實驗實踐平臺

實踐課程教學的目的是幫助學生建立本學科的知識體系，并將所學知識運用于實際生活和工作中。為此，本專業建設了“虛實結合、線上線下整合”網絡教學資源建設，建立了“課內實驗、綜合實踐、實習實訓”相結合的實踐教學體系。

3.1“虛實結合、線上線下整合”的網絡教學資源建設

專業實驗室面積共1909平方米，擁有設備985臺/套，8個本科實踐平臺，擁有天津市“自動化與電氣工程實驗教學示范中心”。同時，依托虛擬現實、多媒體等信息化技術建有天津市“自動化虛擬仿真實驗教學中心”。中心可面向學生預約開放，以充實學生課外實踐活動內容，同時也使實驗活動的時空環境得到擴充。

隨著紡織自動化課程體系的建設，專業的“紡織自動化綜合實踐”等綜合實踐課存在設備更新換代慢，元器件易損壞，實驗較難滿足綜合性、創新性要求等問題。針對此問題，教學中心進一步開發了“紡織自動化虛擬仿真平臺”。在平臺上，學生可進行控制系統建構、控制算法的反復實驗以及創新嘗試，從仿真平臺實時讀取各環節參數，能夠直觀感受實驗的實際運行情況，達到傳統實驗方法不可及的教學效果。

“紡織自動化虛擬仿真平臺”在建設中逐漸完善，已經為專業的多門課程提供了支撐。2022年的課程基本是以線上教學方式進行，其面臨的最大問題就是實驗實踐環節無法正常展開，因此虛擬仿真平臺得到了更廣泛的應用。例如，過程控制和過程控制綜合實踐課程所有實驗實踐環節都是在該平臺上完成。在實驗中，學生接觸到實際的系統運行環境與直觀形象的系統運行過程，線上實踐教學收到了良好的反饋和預期的實驗效果。

3.2加強校內外實習基地建設，改革實踐教學模式

除在校內開展實踐教學外，學校還與企業合作，建立了校外實習基地，以多基地分布式實習模式開展實習、實訓。目前專業與6家企業合作共建了實習和實訓基地，采用“課程實習（集中實習）+認知實習（集中實習）+畢業實習（分散實習）”三位一體的方式，提升了本專業學生在不同學習階段的工程能力。

在實習基地的基礎上，打造“產學合作、協同育人”的人才培養模式，構建基礎實驗和專業實驗相銜接、課內實踐和課外實踐相結合、校內實習和校外實習相配套的實踐教學體系。同時，積極推行企業科技特派員制度，有效地提升了教師的工程經驗與技術實踐能力。為了將教學與實踐較好地結合，在實踐環節同樣會突出紡織行業的應用。①與天紡投資控股有限公司、天津紡織工程研究院等多家企業簽署“產學研合作協議”，開展校企聯合人才培養工作。②建立天津市“紡織工藝與裝備工程實踐教育中心”，為自動化專業學生的工程實踐能力提供“零距離”環境。

4結語

新工科背景下的本科教學改革是一項艱巨、長期的系統工程，改革的目的是使學生的培養質量滿足新工科人才培養要求和社會對專業人才的新需求。我校自動化專業建設在借助行業優勢，突出專業特色的同時，進一步將自動化領域的新技術、新知識與傳統行業融合，并打造了培養學生多元化實踐創新能力的實踐教學體系，使學生的知識結構盡可能滿足社會需求，同時在校期間能夠受到良好的工程實踐鍛煉，具有較好的解決復雜工程問題的能力，為學生走上工作崗位打下堅實的實踐基礎。

基金項目：中國紡織工業聯合會高等教育教學研究改革項目（2021BKJGLX660，2021BKJGLX707）；天津市本科教學質量與教學改革研究計劃（B231005804）；教育部高等學校自動化類專業教學指導委員會教改研究項目（202111）。

參考文獻

[1]蔡銘，黃林，沖梁燕.新工科背景下人才培養模式改革的研究與探索[J].科教導刊，2022（2）：16-18.

[2]文春明，李尚平，黃天星.新工科背景下提升自動化專業人才培養質量的策略[J].高教論壇，2021（3）：65-67.

[3]李衛軍，邢延，蔡述庭，等.面向多學科融合的自動化類人才培養模式探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021（6）：31-37.

[4]劉肖燕，左鋒，張玨，等.新工科背景下面向復雜工程問題的自動化實驗教學改革實踐[J].實驗室研究與探索，2020， 39（9）：188-191

[5]梁軍，侯迪波，張光新.新工科背景下自動化專業課程教學體系的優化重構[J].中國大學教學，2019（9）：15-21.