學科競賽推動智能制造課程教育質(zhì)量提升

王天磊，梅 雪，王 莉

（南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院 江蘇 南京 211816）

當今世界正面臨百年未有之大變局，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的背景下，中國邁向制造業(yè)強國之路面臨新的機遇和挑戰(zhàn)[1]。智能制造在國家制造業(yè)發(fā)展中地位顯著，是我國振興工業(yè)賦能高質(zhì)量發(fā)展的重要國家戰(zhàn)略[2-3]。目前，計算機、機械、自動化等傳統(tǒng)工科發(fā)展相對成熟，但在與智能制造相關(guān)的信息化關(guān)鍵技術(shù)和學科的融合方面尚缺乏完善的機制。科學與工程結(jié)合對于保持國家競爭優(yōu)勢的作用十分顯著。因此，加快“新工科”專業(yè)建設(shè)，探索并形成中國特色高水平工程教育體系，培養(yǎng)引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才的任務變得尤為關(guān)鍵[4]。

作為“新工科”專業(yè)的典型代表，智能制造工程專業(yè)肩負為國家培養(yǎng)智能制造產(chǎn)業(yè)高級人才的重任，是推動新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。目前，我國有許多院校開設(shè)了智能制造工程專業(yè)，或?qū)χ悄苤圃煜嚓P(guān)專業(yè)進行了改進和升級[5]，專業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。與傳統(tǒng)工科專業(yè)不同，智能制造涉及多學科交叉，其知識體系的廣度與深度都有明顯加強。現(xiàn)如今，我國各大高校對智能制造課程體系已開展了自己獨特的研究和探索，例如，上海大學的智能制造新工科專業(yè)建設(shè)探索[6]、南京理工大學的跨學科個性化培養(yǎng)模式的探索實踐[7]等，均突出了學科交叉、創(chuàng)新能力培養(yǎng)、實踐與理論結(jié)合等特點，為以智能制造工程代表的新工科專業(yè)培養(yǎng)提供了有力參考。

但同時也應看到，智能制造工程專業(yè)建設(shè)仍有很長的路要走。在科學技術(shù)知識爆炸的時代，先進制造業(yè)領(lǐng)域理論體系愈發(fā)龐大，學科滲透、交叉日益增多，在鞏固傳統(tǒng)工科知識體系的基礎(chǔ)上，融入智能制造領(lǐng)域最新的前沿技術(shù)，制訂符合行業(yè)發(fā)展趨勢的理論體系和培養(yǎng)方案，是專業(yè)建設(shè)面臨的基礎(chǔ)問題。為了適應新的知識和課程體系，須調(diào)整傳統(tǒng)的單一學科領(lǐng)域授課模式，讓學生更好更快接受并掌握多元化交融的科學和工程技術(shù)知識。此外，為了落實本專業(yè)領(lǐng)域工程人才的綜合能力培養(yǎng)要求，還需緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，推進構(gòu)建產(chǎn)學結(jié)合的培養(yǎng)模式，建設(shè)校內(nèi)外協(xié)作的教學實踐環(huán)境，培養(yǎng)能解決實際問題的高端復合型人才。

面對上述智能制造工程專業(yè)課程建設(shè)的關(guān)鍵問題，本校專業(yè)建設(shè)團隊正努力探索以學科競賽推動專業(yè)課程建設(shè)的新方法。學科競賽是課堂理論知識與實踐結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)其嚴謹?shù)目茖W思維和創(chuàng)新能力[8-9]。如今，各類學科競賽項目緊跟時代發(fā)展，將前沿領(lǐng)域生產(chǎn)中的實際問題進行濃縮和簡化，為學生相互交流、團隊協(xié)作、實現(xiàn)自我價值提供了廣闊舞臺。利用學科競賽中的工程技術(shù)知識，通過整合重組建立課堂案例模型，能夠強化和拓展課堂理論知識，將前沿技術(shù)應用到競賽案例中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，還能搭建理論到實踐的橋梁，縮短理論課程與生產(chǎn)實際的距離，幫助學生更快適應企業(yè)生產(chǎn)和社會實際需要。以學科競賽推動新專業(yè)課程建設(shè)的新方法能顯著提升專業(yè)課程教學質(zhì)量，對智能制造工程專業(yè)課程建設(shè)有著極高的價值。

1 智能制造工程專業(yè)課程面臨的挑戰(zhàn)

在新時代新工科建設(shè)和新型人才培養(yǎng)需求背景下，南京工業(yè)大學（以下簡稱“我校”）制造工程專業(yè)以新工科和工程教育認證要求為基礎(chǔ)，堅持落定立德樹人根本任務，融合了計算機、機械工程、自動化、測控技術(shù)與儀器等多專業(yè)技術(shù)，針對未來制造業(yè)面臨的突出問題，力求培養(yǎng)充分滿足當下信息化驅(qū)動的高新技術(shù)制造業(yè)發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才。專業(yè)構(gòu)建了豐富立體、多元融合的課程體系基礎(chǔ)，積極探索應對包括課程體系改革、教學方法優(yōu)化、理論與實踐結(jié)合、創(chuàng)新性思維培養(yǎng)等方面的諸多挑戰(zhàn)。

1.1 多學科交叉下課程體系的構(gòu)建

傳統(tǒng)工科專業(yè)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，課程體系較為完善，培養(yǎng)方式相對成熟。智能制造工程專業(yè)部分基礎(chǔ)課程借鑒有相似背景的傳統(tǒng)工科專業(yè)經(jīng)驗開展基礎(chǔ)教學，為學生打牢基礎(chǔ)。在專業(yè)課方面，重視突出學科交叉性，借助學科融合和所在學院的專業(yè)優(yōu)勢，針對性解決目標行業(yè)的人才基礎(chǔ)問題。但目前由于專業(yè)建設(shè)時間尚短，對智能制造的研究和應用經(jīng)驗尚淺，專業(yè)定位尚需更加清晰化，課程體系和培養(yǎng)方案是否能緊跟行業(yè)企業(yè)需求、順應新型制造業(yè)發(fā)展潮流尚需時間檢驗。

1.2 課程理論與智能制造產(chǎn)業(yè)實踐結(jié)合

如今產(chǎn)業(yè)升級換代節(jié)奏加快，對專業(yè)人才的理論實際結(jié)合能力提出了更高的要求。我校智能制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案制訂借鑒了許多傳統(tǒng)工科的成熟經(jīng)驗，但面對日新月異的信息化產(chǎn)業(yè)需求，仍需不斷加強學生動手實踐能力的培養(yǎng)，應以就業(yè)為導向，匹配智能制造專業(yè)對人才的各項需求。目前，專業(yè)與企業(yè)、行業(yè)的長期反饋評價機制尚未完全成熟，如何進一步加強與新制造業(yè)產(chǎn)業(yè)實踐的結(jié)合，以實際需求引領(lǐng)課程體系改進，是智能制造工程專業(yè)課程建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。

1.3 面向產(chǎn)業(yè)信息化的學生創(chuàng)新性思維培養(yǎng)

產(chǎn)業(yè)信息化的加強是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的最重要特征之一。信息技術(shù)的爆炸式發(fā)展帶來了許多新的不確定性，也把許多產(chǎn)業(yè)帶到了發(fā)展的重要十字路口。行業(yè)的發(fā)展離不開人才的驅(qū)動，而人才的發(fā)散性和創(chuàng)新性思維則是投身高新技術(shù)制造業(yè)的必要素質(zhì)。目前，智能制造還沒有完全跳出傳統(tǒng)工科的課程體系框架，各實踐創(chuàng)新平臺和創(chuàng)新活動缺乏充分融合，只有充分發(fā)揮學科交叉平臺的創(chuàng)新能力培養(yǎng)優(yōu)勢，才能培養(yǎng)具有寬視野、多技能的高層次智能制造工程人才。

2 學科競賽在教育教學中的優(yōu)勢

2.1 從需求出發(fā)培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新思維

學科競賽項目的總體出發(fā)點是廣泛利用現(xiàn)有技術(shù)解決實際問題。有別于傳統(tǒng)課堂理論知識授課模式，學科競賽中的思維過程包含“為什么―怎么做―做什么”的完整閉環(huán)，更注重“從實踐中來，到實踐中去”的實踐思維培養(yǎng)。良好的學科競賽機制可以作為傳統(tǒng)課堂教學的良好互補，實現(xiàn)了對學生分析推理、問題解決與創(chuàng)新創(chuàng)造等高階思維能力的培養(yǎng)[10]。充分發(fā)揮學科競賽在新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的工程實踐作用，可以構(gòu)筑校園專業(yè)學習與當下科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展實踐需求的橋梁。

2.2 學以致用培養(yǎng)學生的工程技術(shù)和動手能力

本科生參與的學科競賽是本科階段培養(yǎng)學生動手能力、讓學生近距離接觸科技前沿和實用技術(shù)的有力手段[11]。智能制造工程專業(yè)組織學生參與的學科競賽以機器人類和智能生活設(shè)備類競賽為主，既結(jié)合了專業(yè)優(yōu)勢和特色，又符合相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人才培養(yǎng)需要，而且貼近學生生活日常，寓教于樂，能夠激發(fā)學生的濃厚興趣。學生在學科競賽中需要在充分吸收理論課程知識的前提下，拓展學習工程技術(shù)，并且學以致用，化理論為實踐，在不斷試錯和總結(jié)中成長。

3 學科競賽推動智能制造工程專業(yè)課程教學質(zhì)量提升

結(jié)合我校智能制造工程新專業(yè)建設(shè)中面臨的困難和挑戰(zhàn)，本文以本專業(yè)學生參與的學科競賽為切入點，在總結(jié)競賽特點、優(yōu)勢和發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，從學科競賽入手，把競賽技能和課堂知識有機融合，探索智能制造工程專業(yè)建設(shè)的新方法。

3.1 學科競賽案例助力學生學習多元化理論知識學習

智能制造的多元化知識體系不僅提高了學生的學習難度，而且增加了教師的教學難度，傳統(tǒng)教學經(jīng)驗和手段常常難以發(fā)揮作用，難以保證教學質(zhì)量。針對這種情況，本專業(yè)建設(shè)團隊將學科競賽知識融入課堂，按照技術(shù)類型精心拆解提煉學科競賽中的知識點，然后根據(jù)不同課程內(nèi)容特點，將分解的競賽技術(shù)重新整合凝練成為課堂案例，與課堂內(nèi)容相匹配。進而在課堂上配合理論知識拓展講解，由淺入深，幫助學生更好地理解相關(guān)內(nèi)容。

以工業(yè)感知技術(shù)課程為例，其課程內(nèi)容組織模式如圖1 所示。傳統(tǒng)的授課方法以傳統(tǒng)傳感器技術(shù)課程知識為基礎(chǔ)，從數(shù)學模型、物理原理、數(shù)據(jù)融合算法等方面講解各類傳感器原理，知識點較為零散，不同類型傳感器的原理之間欠缺系統(tǒng)性聯(lián)系，學生聽課難抓重點，且缺乏直觀體會，容易在課程中段逐漸失去學習興趣。本專業(yè)教師以水下機器人和無人機競賽中的機器人樣機為例，在課堂展示競賽作品實體樣機，從競賽任務需求和功能出發(fā)，剖析其中各類傳感器的原理，分析其傳感器數(shù)據(jù)采集處理、多傳感器數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，進而闡釋傳感器與航行器的執(zhí)行器之間的功能關(guān)系。學生普遍反饋表明，采用新的授課方法不僅加深了學生對課堂理論知識的理解，同時還激發(fā)了學生對參與競賽、拓展課外學習的興趣。

圖1 學科競賽與理論課程融合模式

該方法的另一個應用案例是機器視覺與智能識別課程。該課程涉及理論較為深入的計算機視覺、人工智能等技術(shù)，深入的理論原理與其他專業(yè)課跨度較大，較為難懂，若僅僅側(cè)重理論教學，學生的聽課積極性會大受影響。本專業(yè)教師以魔方機器人、智能小車等競賽項目為例，對相關(guān)競賽搭建的機器人中的機器視覺識別模塊進行剖析，在課堂上舉例講述其工作原理，并以大作業(yè)形式讓學生組隊設(shè)計部分算法框架、識別程序等，將抽象的數(shù)學公式具體化，加深學生對理論知識點的理解。同時，提供機會讓學生近距離了解所學知識在學科競賽中的具體運用，提升學生對學科競賽的參與度和認可度。

3.2 關(guān)注前沿領(lǐng)域，培養(yǎng)發(fā)散性思維

近年來，許多學科競賽重視競賽內(nèi)容的更新?lián)Q代，力求與產(chǎn)業(yè)界接軌，與工業(yè)新技術(shù)、新理念相結(jié)合，充分發(fā)揮學科競賽的人才培養(yǎng)功能。因此，本專業(yè)教師在帶領(lǐng)學生參與學科競賽、探索新技術(shù)新方法的過程中，充分注重發(fā)散性和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)，并不一味局限于講解現(xiàn)有通用技術(shù)在競賽項目中的應用，而是以傳統(tǒng)技術(shù)應用案例為出發(fā)點，結(jié)合前沿領(lǐng)域的新知識、新技術(shù)，以課堂討論、頭腦風暴、課后作業(yè)等形式，引導學生開展創(chuàng)新設(shè)計，培養(yǎng)發(fā)散性思維。以制造業(yè)信息化導論課程為例，其基本模式如圖2 所示。

圖2 學科競賽與理論課程協(xié)同培養(yǎng)發(fā)散創(chuàng)新思維

以往高校的通識和導論類課程容易被學生忽視，學習積極性和專注度普遍不及專業(yè)課，教學效果也因此大打折扣。本專業(yè)教師以機器人創(chuàng)意大賽等競賽案例為例，在講解傳統(tǒng)機器人設(shè)備原理的同時，加入人工智能、柔性電子、物聯(lián)網(wǎng)等最新前沿技術(shù)的原理介紹，讓學生結(jié)合新技術(shù)新方法充分發(fā)揮發(fā)散性思維，不局限于設(shè)計的正確性和可行性，而是突出創(chuàng)意和創(chuàng)造性，將抽象的導論內(nèi)容具體化，提升課程教學質(zhì)量。與此同時，課堂發(fā)散性思維培養(yǎng)對學科競賽的發(fā)展起到促進作用。目前，不少主流學科競賽經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，技術(shù)方法有固化的趨勢，其創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用有待進一步提升，原因之一在于學生缺乏扎實理論基礎(chǔ)支持下的創(chuàng)新性思維培養(yǎng)，缺乏在競賽中嘗試新技術(shù)的能力和膽識。將課程體系和學科競賽融合，能在鞏固學生理論知識的基礎(chǔ)上，拓展其創(chuàng)新思路，激發(fā)其創(chuàng)新潛能，促進學科競賽和課程學習的相輔相成。

3.3 促進實踐課程與智能制造產(chǎn)業(yè)接軌

智能制造工程專業(yè)是緊密結(jié)合國家及地方經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級對人才的需求而建立的新專業(yè)，因此，結(jié)合產(chǎn)業(yè)界實際需求，將人才培養(yǎng)落到實處是培養(yǎng)目標的重點之一。我校一向重視學科的產(chǎn)學研融合發(fā)展。本專業(yè)培養(yǎng)方案中設(shè)置了大量的實踐教學環(huán)節(jié)，學校在課程建設(shè)中，一方面充分利用學校和學院實踐教學資源，不斷改進和豐富實驗課程內(nèi)容和教學手段；另一方面與相關(guān)企業(yè)緊密合作，創(chuàng)建實習實踐基地，開展“協(xié)同育人”等項目，充分發(fā)揮企業(yè)和學校“1+1>2”的協(xié)同作用。

在傳統(tǒng)課程體系下，理論課程內(nèi)容與實踐項目所需技能存在差距，學生普遍存在內(nèi)心抵觸、實踐參與度不夠、實踐技能掌握較慢等問題。本專業(yè)建設(shè)團隊在實踐中以學科競賽為中間橋梁，總結(jié)優(yōu)秀學科競賽案例，融入實踐教學任務，面向?qū)嶋H鍛煉學生的實踐能力，在潛移默化中拉近實踐課程與產(chǎn)業(yè)實際技能的距離，促進課程體系與智能制造產(chǎn)業(yè)更好接軌。例如，在與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的理論課程中，學生通過學科競賽實例演示初步了解了相關(guān)實用技能，在配套的實踐課程中，教師總結(jié)、提煉和改進學科競賽任務模型，以此為基礎(chǔ)結(jié)合生產(chǎn)實際需求，設(shè)計大作業(yè)和實踐項目，鍛煉學生的工程技能。在深入企業(yè)進行的認識和生產(chǎn)實習課程中，以學科競賽為基礎(chǔ)的實踐技能儲備能夠向生產(chǎn)實際快速轉(zhuǎn)化，幫助學生更快地理解所見所聞，掌握所學知識，更好地融入企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，提升學習效果。最大限度發(fā)揮實踐類課程的作用，加深學生對企業(yè)生產(chǎn)實際的理解，更有利于學生在畢業(yè)后盡快融入社會，實現(xiàn)自我價值。

4 結(jié)語

本文著眼于智能制造工程專業(yè)課程建設(shè)中的關(guān)鍵問題，從本專業(yè)學科競賽特點和優(yōu)勢作用入手，結(jié)合實際課堂經(jīng)驗，分析了學科競賽推動專業(yè)課程質(zhì)量提升的新方法。通過提煉學科競賽中的關(guān)鍵技術(shù)，歸納成為課堂案例模型，盤活課堂理論知識。將前沿技術(shù)注入競賽案例，培養(yǎng)學生的發(fā)散性創(chuàng)新思維，同時協(xié)同提升競賽水平。以學科競賽任務模型提升實踐課程參與度，搭建理論到實踐的橋梁，縮短理論課程與企業(yè)生產(chǎn)實際的距離，進而幫助學生更快融入企業(yè)和社會。本文提出的學科競賽推動課程質(zhì)量提升的新模式對同類型學校和相關(guān)專業(yè)均有借鑒意義。