新工科背景下綜合性實(shí)踐課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐
——以“智能制造系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練”課程為例

曹錦江，陳 桂

（南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211167）

為了培養(yǎng)掌握新興技術(shù)的工科人才，教育部提出了高等學(xué)校建設(shè)新工科戰(zhàn)略，“中國(guó)制造2025”作為我國(guó)制造業(yè)戰(zhàn)略實(shí)施，其中智能制造工程專業(yè)是近幾年獲批較多的新興專業(yè)。如何在新的信息技術(shù)背景下，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，為新工科課程思政建設(shè)指明了新方向［1］。

一、研究背景和意義

國(guó)家正在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”等重大戰(zhàn)略，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才。因此，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，面向新工科的人才培養(yǎng)研究成為熱點(diǎn)［2］。

為此，在新工科背景下，綜合性實(shí)踐課程如何利用現(xiàn)代教育信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，以及新時(shí)代思想政治教育大背景下思想政治如何與實(shí)踐課程融合，如何提高綜合性強(qiáng)的實(shí)踐課程教學(xué)質(zhì)量，是很值得研究和探討的問(wèn)題。

迄今為止，全國(guó)260余所高校成功申辦智能制造工程專業(yè)，培養(yǎng)方案大同小異，基本包含兩方面內(nèi)容：智能制造數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造和智能制造系統(tǒng)集成。

南京工程學(xué)院在第二批次獲批智能制造工程專業(yè)，在培養(yǎng)方案中“智能制造系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練”是一門重點(diǎn)實(shí)踐課程，課題對(duì)如何在綜合實(shí)踐課程中進(jìn)行知識(shí)傳授、能力提升和價(jià)值塑造進(jìn)行了研究和實(shí)踐。

二、課程教學(xué)內(nèi)容

“智能制造系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練”課程是我校智能制造工程專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)體系中的重要骨干課程。培養(yǎng)目標(biāo)是以智能制造系統(tǒng)生產(chǎn)線為訓(xùn)練平臺(tái)，通過(guò)智能制造系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、工業(yè)機(jī)器人編程與操作、智能傳感器應(yīng)用、上下料智能單元開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)線MES管理軟件、移動(dòng)終端功能、云數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)用與虛擬仿真軟件調(diào)試等學(xué)習(xí)實(shí)踐，提高學(xué)生在工程實(shí)訓(xùn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和創(chuàng)造性地解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)學(xué)生具備系統(tǒng)集成和編程開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐能力。

三、多種教學(xué)方法融合的必要性和可行性

（一）融入課程思政

課程思政是新時(shí)代高校教育的理論創(chuàng)新，在傳授專業(yè)知識(shí)時(shí)融入思想政治內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。全國(guó)眾多高校教師都在如何將思想政治教育融入專業(yè)課程、如何挖掘思政元素等方面做了有益的探索，對(duì)推動(dòng)思想政治教育融入專業(yè)課程起到了一定的推動(dòng)作用［3］。

（二）融入新工科教學(xué)理念

教育部于2017年開(kāi)始推動(dòng)新工科建設(shè)。智能制造工程專業(yè)屬于新工科背景下對(duì)傳統(tǒng)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)和交叉學(xué)科的復(fù)合新專業(yè)，課程教學(xué)必須增加數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等智能制造工程新工科理念，融合多種學(xué)科專業(yè)知識(shí)，才能符合智能制造工程專業(yè)特點(diǎn)。很多教師對(duì)新工科背景下如何教好相關(guān)課程做了大量研究工作，拓展了以往課程教學(xué)的理念和方法，為學(xué)生專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［4］。

（三）融入混合式教學(xué)模式

經(jīng)過(guò)多年線上線下混合式教學(xué)模式的摸索和實(shí)踐，積極實(shí)施混合式教學(xué)改革，促進(jìn)了教育信息化與課堂教學(xué)深度融合，推動(dòng)了教學(xué)模式從以“教”為中心到以“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)換和“以課堂為主”向“課內(nèi)外結(jié)合”轉(zhuǎn)變。推進(jìn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有效提升了課程教學(xué)質(zhì)量［5］。

（四）融入虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式

較多高校利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合能夠解決傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間限制、維護(hù)成本高等問(wèn)題，促進(jìn)教學(xué)形式的多樣化發(fā)展。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，還激發(fā)了思維創(chuàng)新能力，為實(shí)踐教學(xué)提供了新的教學(xué)途徑［6］。

（五）融入信息技術(shù)的智慧教育平臺(tái)

中國(guó)慕課網(wǎng)和超星學(xué)習(xí)平臺(tái)等都是師生在線課程的有效支撐平臺(tái)，在實(shí)際教學(xué)中也使用騰訊課堂等多種平臺(tái)，讓技術(shù)和教育進(jìn)行深度融合。在現(xiàn)代信息技術(shù)支持下，教學(xué)條件具備了一定的智慧教育平臺(tái)，必將推進(jìn)當(dāng)代高等教育科學(xué)全面發(fā)展［7］。

四、實(shí)踐課程教學(xué)方法研究與實(shí)施

以我校“智能制造系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練”工程實(shí)踐項(xiàng)目為例，進(jìn)行多種教學(xué)方法融合實(shí)踐與研究，主要解決以下幾種教學(xué)方法融合問(wèn)題。

（一）課程思政與專業(yè)技術(shù)相融合的教學(xué)

通過(guò)挖掘課程項(xiàng)目中的思政元素，將立德樹(shù)人放在實(shí)踐環(huán)節(jié)首位，解決以往實(shí)踐環(huán)節(jié)只能進(jìn)行單一專業(yè)技術(shù)傳授的問(wèn)題。以“機(jī)器人編程和操作”訓(xùn)練子項(xiàng)目為例，將思政元素融入專業(yè)技術(shù)實(shí)踐當(dāng)中。

1.通過(guò)工業(yè)機(jī)器人使用功能，體現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)給社會(huì)帶來(lái)的便利性和效率性，利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)掌握發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題和創(chuàng)造性地為社會(huì)解決問(wèn)題的能力。

2.通過(guò)安全要素教學(xué)，提醒學(xué)生注意使用機(jī)器人時(shí)的安全，操作必須嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)“機(jī)毀人亡”事件，懂得科學(xué)使用設(shè)備，珍愛(ài)生命。

3.通過(guò)國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)對(duì)比分析，樹(shù)立遠(yuǎn)大理想，增強(qiáng)學(xué)生技術(shù)強(qiáng)國(guó)的使命感和責(zé)任感。

4.通過(guò)工業(yè)機(jī)器人編程操作教學(xué)，體會(huì)通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)編程的實(shí)踐勞動(dòng)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、一絲不茍的工作作風(fēng)。

在課程實(shí)踐當(dāng)中，還有許多思政元素，都可以認(rèn)真挖掘并潤(rùn)物無(wú)聲地融入專業(yè)技術(shù)當(dāng)中，對(duì)當(dāng)今大學(xué)生進(jìn)行價(jià)值觀塑造有所助益。

（二）線上和線下相融合的教學(xué)

在教學(xué)過(guò)程中，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，進(jìn)行線上和線下混合式教學(xué)。

1.利用學(xué)習(xí)通放置公共教學(xué)資源。我校建設(shè)了一條智能制造生產(chǎn)線，設(shè)備資料也很多，不可能將所有技術(shù)資料紙質(zhì)稿通讀，因此，將實(shí)踐中涉及生產(chǎn)線的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、智能傳感器、AGV、控制系統(tǒng)等資料存儲(chǔ)在學(xué)習(xí)通的“資料欄”，學(xué)生就可以不受時(shí)空限制隨時(shí)查閱需要使用的技術(shù)資料。在線下輔導(dǎo)環(huán)節(jié)，教師輔導(dǎo)學(xué)生利用線上提供的素材的方法，通過(guò)這種方法，減少了大量技術(shù)資料印刷成本和線下輔導(dǎo)時(shí)間，將教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐環(huán)節(jié)的組織者和協(xié)調(diào)者，“授人以魚(yú)不如授人以漁”，教會(huì)學(xué)生如何學(xué)習(xí)。

2.利用公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)分享學(xué)習(xí)資源。鑒于課程項(xiàng)目當(dāng)中有部分屬于通用技術(shù)知識(shí)，如FANUC機(jī)器人編程與操作和康耐視軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用等，在視頻網(wǎng)站有很多相關(guān)視頻，可將視頻推薦給學(xué)生學(xué)習(xí)，同時(shí)讓學(xué)生了解如何通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查找所需的學(xué)習(xí)資源，也符合培養(yǎng)具備自學(xué)能力和終身學(xué)習(xí)能力的畢業(yè)目標(biāo)。對(duì)有些公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)沒(méi)有的教學(xué)資源，比如：RFID智能傳感器與PAC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等學(xué)習(xí)視頻，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)自行錄制，放在學(xué)習(xí)通的“資料欄”，供學(xué)生分享學(xué)習(xí)。在線下輔導(dǎo)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師只需點(diǎn)評(píng)線上資源重要知識(shí)點(diǎn)。這種線上線下混合教學(xué)方法，改變了以往依靠指導(dǎo)教師提供單一教學(xué)資源的狀況，學(xué)生可以充分利用社會(huì)公共優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)知識(shí)的渠道和視野。

3.利用公共教育平臺(tái)提高教學(xué)效率。指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)充分利用現(xiàn)有的公共教育平臺(tái)，比如利用“學(xué)習(xí)通”完成考勤簽到、作業(yè)布置與任務(wù)提交、通知、問(wèn)卷調(diào)查等，將以往線下答辯調(diào)整成線下和線上答辯相結(jié)合的模式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，將口頭答辯的共性問(wèn)題利用學(xué)習(xí)通的考試模塊實(shí)施，不僅減少了答辯時(shí)間，也全面考查了學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)習(xí)知識(shí)的掌握情況。還可以利用考試模塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，分析學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)知識(shí)的掌握情況，線下答辯只保留各個(gè)學(xué)生差異性的問(wèn)題。

（三）虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)

目前我校只有1條智能制造生產(chǎn)線，如何讓每名學(xué)生都能掌握現(xiàn)有智能生產(chǎn)線專業(yè)知識(shí)，是我校專業(yè)教育中亟須解決的問(wèn)題。依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了“智能制造生產(chǎn)線控制與調(diào)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，該平臺(tái)可用于掌握生產(chǎn)線組成與流程操作、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)置方法、機(jī)器人上下料調(diào)試、并聯(lián)機(jī)器人分揀功能驗(yàn)證、裝配機(jī)器人協(xié)同裝配調(diào)試等環(huán)節(jié)的教學(xué)，開(kāi)發(fā)的軟件部署在校園網(wǎng)服務(wù)器中，學(xué)生可以不受時(shí)空限制學(xué)習(xí)操作和調(diào)試，減少線下實(shí)物因操作生疏引起安全風(fēng)險(xiǎn)較高及課時(shí)有限的教學(xué)弊端。

通過(guò)虛實(shí)結(jié)合方式教學(xué)，提高了實(shí)物生產(chǎn)線教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)了“1+X”生產(chǎn)線實(shí)習(xí)效果，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜生產(chǎn)線的難度，增加了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和信心，拓寬了學(xué)生的先進(jìn)技術(shù)視野，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用是線下實(shí)物教學(xué)平臺(tái)的有益補(bǔ)充。

（四）理論和實(shí)踐相融合的教學(xué)

對(duì)實(shí)踐前理論課程未完全涉及的知識(shí)或涉及了但沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)踐的知識(shí)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)都進(jìn)行了補(bǔ)充。比如，智能傳感器（RFID和智能相機(jī)）在理論課程未詳細(xì)講解特別具體的智能傳感器如何使用等，因此在綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)補(bǔ)充了生產(chǎn)線中涉及的巴魯夫RFID工作原理和具體使用及與理論課程的聯(lián)系，使學(xué)生做到理論課程與實(shí)踐知識(shí)的無(wú)縫銜接，使學(xué)生將理論和工程實(shí)踐知識(shí)融會(huì)貫通，加強(qiáng)了理論知識(shí)教學(xué)效果，提高了學(xué)生的綜合動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力。

（五）工程化項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)相融合的教學(xué)

“智能制造系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練”實(shí)踐課程不是常規(guī)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`，而是我校大力推崇的工程化項(xiàng)目教學(xué)試點(diǎn)課程，工程化項(xiàng)目教學(xué)是我校為提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的一種教學(xué)模式，按照“工程化項(xiàng)目教學(xué)環(huán)境、團(tuán)隊(duì)式指導(dǎo)、協(xié)作式學(xué)習(xí)”的原則實(shí)施工程化項(xiàng)目教學(xué)。因此，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了圍繞教學(xué)大綱知識(shí)點(diǎn)的10余個(gè)工程化項(xiàng)目，除現(xiàn)有生產(chǎn)線和虛擬仿真軟件外，還為每個(gè)工程化項(xiàng)目搭建了4個(gè)工程化的實(shí)踐單元平臺(tái)，這些平臺(tái)既可以做完整的工程化項(xiàng)目開(kāi)發(fā)調(diào)試，也可以驗(yàn)證智能傳感器工作原理等實(shí)驗(yàn)，滿足了工程化項(xiàng)目教學(xué)和一般實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證教學(xué)方法融合的要求，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

經(jīng)過(guò)綜合實(shí)踐實(shí)施，構(gòu)建的生產(chǎn)線和虛擬仿真軟件及實(shí)踐單元為學(xué)生有條不紊地開(kāi)展課程實(shí)踐打下了良好的實(shí)習(xí)基礎(chǔ)。整個(gè)實(shí)習(xí)過(guò)程學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較高，主動(dòng)性較強(qiáng)，大家分工明確，各自承擔(dān)團(tuán)隊(duì)和個(gè)人責(zé)任，未發(fā)生任何安全事故，項(xiàng)目完成質(zhì)量高，最終成績(jī)優(yōu)和良合計(jì)占比達(dá)68.42%，通過(guò)實(shí)踐確實(shí)提高了學(xué)生的動(dòng)手能力及編程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力，學(xué)生在報(bào)告總結(jié)體會(huì)中都能對(duì)思政元素與專業(yè)技術(shù)融合發(fā)表個(gè)人感想，深刻體會(huì)到肩負(fù)的為中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)承擔(dān)的壓力、動(dòng)力及信心。

結(jié)語(yǔ)

課題以“智能制造系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練”課程為例，系統(tǒng)地分析了在新工科、現(xiàn)代教學(xué)信息技術(shù)及新時(shí)代思想政治教育的大背景下多種教學(xué)方法融合的必要性和可行性，并進(jìn)行了五種教學(xué)方法的融合研究和實(shí)踐。實(shí)踐證明，新工科背景下綜合性強(qiáng)的實(shí)踐課程必須融合多種教學(xué)方法，才能緊跟時(shí)代發(fā)展步伐和培養(yǎng)社會(huì)所需的合格人才，才能進(jìn)一步提高實(shí)踐類課程教學(xué)質(zhì)量，課程實(shí)施的教學(xué)方法可為類似綜合實(shí)踐課程教學(xué)提供一定借鑒。