面向新工科的機械電子工程專業分段互補式實踐體系探索

丁少虎，穆春陽，鞏 鑫，張春濤

（1.北方民族大學機電工程學院 寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學先進裝備制造現代產業學院 寧夏 銀川 750021）

傳統工科專業的轉型、改造和升級成為新型工科專業的建設途徑之一，而傳統工科專業的改造升級不僅需要改變人們的教學觀念和育人模式，更需要突破學科邊界和專業壁壘[1]。

新工科專業具有多學科交叉融合的特點[2]，專業建設需要根據社會經濟發展和行業企業人才需求，探索亮點鮮明的辦學特色，為國家培養高素質應用型機械創新人才。機械電子工程是工程科學中的一個跨學科專業，在機械制造、控制工程和計算機科學等學科的基礎上建立起來的，對其進行在“新工科”理念下的專業升級改造和培養模式研究是極其必要的。隨著“人工智能”和“中國制造2025”的持續推進，對機械電子工程專業人才培養有了更迫切的要求。

1 機械電子工程專業新工科理論課程（群）建設與實施

專業建設是新工科與實踐的關鍵問題[3]，北方民族大學機械電子工程專業主要以機器人工程為專業特色主攻方向，以人才培養機制、人才培養方案、課程體系、課程建設、實踐平臺、師資培養、教學質量監督與評價為建設途徑，改造升級傳統的機械電子工程專業，探索出一條適合民族院校長期發展的品牌特色專業建設路徑。以機械電子教學團隊教師為主要師資力量，對機械電子工程專業實施“改造”，開辟新工科專業方向——“機器人工程”，采用1 年機械大類培養、2 年專業課程教育和1 年企業實踐培養的校企聯合“1+2+1”卓越人才培養模式，校企合作共同實施人才培養，企業深度參與人才培養方案制定、課程體系構建和理論實踐教學等環節，突出工程化教育的生命周期完整性，使工程實踐教學環節與理論知識學習緊密結合，實現知識學習過程與能力培養過程的一體化。

推進產教融合、校企協同育人是新工科建設的基本任務[4]。課程體系以工業機器人技術為主線，瞄準機器人工程師基本職業能力要求，在機械電子工程本科專業課程體系基礎上制定機器人工程方向課程體系。在專業課程體系構建上，遵循北方民族大學現行的“通識教育平臺+專業教育平臺+綜合應用平臺”課程體系結構框架。依托基層教學組織實現跨學科、跨專業的新工科理論課程（群）建設與實施機制（圖1 所示）。通識教育平臺的課程教學主要由承擔通識教學平臺的相關學院等承擔。專業教育平臺包括三大類課程群，一是學科基礎課，主要由機械基礎教學團隊、高等數學教學團隊、大學物理教學團和電工電子教學團隊按課程建設歸屬分別獨立實施；第二類是專業主干課，主要由機電工程學院各教學團隊負責實施；第三類是專業拓展課，由機械電子教學團隊聯合企業師資隊伍按課程獨立實施。綜合應用平臺主要由畢業實習、畢業設計和創新創業實踐課程組成，由校企聯合教師隊伍按課程各自獨立或聯合實施。

圖1 新工科理論課程（群）建設與實施

2 構建分階段立體化“互補式”產學融合實踐教學體系

面向創新人才的培養，實踐教學的教學設計要充分體現對工程創新能力的培養[5]。針對機械類專業改造和創新人才培養模式實踐中存在的問題，穆春陽等人提出了基于“三層次、三平臺”實踐教學體系構建方法[6]。北方民族大學機電工程學院圍繞自治區產教融合示范專業“機械電子工程（機器人工程方向）”人才培養工作，考慮工業機器人的技術發展和應用領域，對標教育部普通高等學校本科教學質量保證標準，在機械電子工程專業核心課程設置基礎上，融合工業機器人集成應用方向，構建專業知識框架體系，合理設置專業基礎課，精選專業主干課，優化專業選修課，在機器人工程特色方向上，開設“機器人學基礎”“機器人系統集成技術”“圖像處理與機器視覺”“移動機器人導航與定位技術”“機器人”等理論課程。為凸顯應用型人才培養，提高學生綜合實踐水平，在課程體系中設置三分之一的實踐課程。通過課程內容的歸類與合并，設置集中性和綜合應用性課程模塊，集中教學環節占總實踐課程的三分之二。在專業主干課程上，構建理論與實踐互補的課程模式，理論教學建立專業知識結構，課程設計強化理論分析能力，集中實踐拓展知識應用，現場實習深化崗位適應能力的理論和實踐分段“互補式”教學課程體系（表1 所示）。

表1 分階段“互補式”實踐教學課程體系

為更好服務地方經濟社會發展，匹配企業對應用型人才的需求，在培養方案修訂中引入企業資源和企業元素，在實踐教學環節中，以OBE（Outcome based education）理念為導向，通過工程認知實踐、工程專業實踐、工程綜合訓練、工程創新能力逐級提升，逐步提高學生工程實踐和創新能力，推進學生理論知識、實踐能力和職業素質的協調發展，夯實培養應用型人才基礎，形成產學融合的機械電子工程專業新工科實踐課程體系，校企協同合作聯合培養智能制造產業轉型急需的機器人工程方向高素質應用型人才。

加快落實校企合作開展新工科專業建設和應用型人才培養，邀請企業專業技術人員參與課程體系建設和學生培養工作，提高新工科應用型人才培養質量。充分發揮企業優勢，做好課程資源開發利用，實現提高學生培養質量和提升教師教學能力的雙重功效。要把校企合作落到實處，立足互惠互利，從教學融合、師資融合、教管融合和學分融合上深度開展校企融合，共同探索機器人工程新工科專業人才聯合培養模式，共同開展課程資源開發，共建共享線上課程體系，互建實訓基地，切實提升人才培養效果。例如，通過校企雙方共同探討，確定《機器人系統集成及應用》《工業機器人綜合實訓》《智能工廠綜合實訓》《生產實習》《畢業實習》等理論課和實踐課程由校企雙方共同協作完成。同時與企業聯合開展實踐教學，學生可在實習實踐階段直接到企業獲取以后工作崗位上所用的知識，彌補理論教學的不足。

3 依托導師工作室，構建教學與競賽相融合的創新實踐教學模式

“項目驅動+工作室”模式的導師工作室是培養大學生實踐創新能力的重要教學方式[7]。構建“導師工作室—創新團隊—項目團隊—學科競賽”創新實踐教學模式，依托導師工作室，突出機器人工程特色方向，在工業機器人、農業機器人和服務機器人方面開展學生創新理念和實踐能力培養。機械電子工程專業優秀本科生和“學業困難”學生進入“機電系統智能控制創新工作室”和“先進裝備關鍵零部件及系統創新工作室”學習，在導師工作室教師指導下提升“學優生”創新實踐能力，增加“中等生”的實踐應用能力，助力“學困生”的專業基本技能。依托兩個校級創新團隊，“智農源創新團隊”和“工業機器人應用與綜合創新團隊”，通過選拔學生進入導師工作室參加一系列工程實踐訓練，將專業培養、科研訓練、創新創業訓練、學科競賽等與新工科人才培養有機結合，實現課內實踐教學與第二課堂創新活動的無縫對接，構建完善和可持續發展的創新教育體系，為學生創新創業和學科競賽提供產業支撐，如圖2 所示。將工程實踐創新教育納入人才培養全過程，把課程學習與實際工程項目結合，提升大學生工程實踐能力，實現課程教學、實踐教學與學科競賽中的知識和能力要素緊密結合，系統提升學生創新實踐能力，形成校企合一、教研合一、學賽合一的綜合化培養模式。

圖2 項目導師工作室團隊培養模式

4 完善專業實踐教學平臺建設

當前教育改革背景下，培養面向企業需求的專業型復合人才，其著力點是校企合作構建與產業需求相結合的實踐教學平臺[8]。在實訓實踐條件方面，學院加強產學研相結合的校內外實訓實踐條件建設。結合專業課程特點，進一步加強搭建校內實訓教學平臺，如機器人工業級實驗教學平臺、機械裝備與PLC 控制系統實訓平臺、工業機器人綜合實訓平臺、機器人拆裝實訓平臺，在校內實驗實踐中心應盡量模擬企業工廠的實際工作環境，實現對學生的工業級訓練。

積極探索校、企、地多領域全方位育人模式，通過校企聯合申報自治區“先進裝備制造卓越工程師實踐基地和協同創新中心”，構建工廠級實訓場景，從企業文化、崗位需求、基本技能等產業內容出發培養學生，提高學生工程實踐能力。同時與企業聯合開展實踐教學，企業擁有實踐基地和實踐技術人才，學生在實習實踐階段可以在企業直接學習到工作以后要應用的知識，能夠彌補理論教學的不足。企業專家在機器人工程方向的本科人才培養中主要承擔參與實踐類課程（含實習實訓），包括機電系統設計與控制綜合實訓、機電裝備與PLC 控制技術實訓、工業機器人綜合實訓、工程訓練（校企聯合）、生產實習、畢業實習及畢業論文（設計）指導等工作。通過校企深度融合拓展學生的實踐能力和創新思維，實現實踐教學對學生實踐能力培養的目的，激發學生積極性和主動性，提升工程實踐能力。主要采用以下措施開展企業參與實習實踐教學工作：①實習前校企教師協同制定教學內容，做好實踐課程教學設計，發揮企業產線優勢，提煉工程一線實際問題；②采用校企雙導師聯合指導，企業導師作為主要指導老師開展實習實踐課程的指導、討論、答辯等過程；③開展過程性和終結性考核，按項目執行情況開展過程性評價。校企教師組成答辯組對學生進行分組答辯考核，校內教師綜合過程性評價、答辯和實習日志、報告的質量，進行最終成績評定。

5 結語

通過構建新工科背景下人才培養實踐教學體系，北方民族大學機械電子工程專業在新工科專業建設和學生培養上取得了一些成績。近5 年，本專業獲省級教學成果獎4 項，校級教學成果獎3 項，獲批教研項目和課程建設項目30 余項，其中省部級項目10 余項。本專業有3 門課程獲批省部級一流課程，10 余門校級一流課程和核心課建設項目，出版教材3 部，所有基礎課和核心課建立了超星慕課，實施混合式教學。教師指導各類創新創業項目50 余項，學生獲得省級以上創新創業大賽獲獎60 余項，取得學科競賽獲獎40 余項。構建“工作室”+“項目”+“導師”+“團隊”四個層次的導師工作室體系，確定“課程育人”+“科研育人”+“實踐育人”+“管理育人”四種形式的三全育人工作方案，解決了重理論輕實踐，重“智育”輕“德育”，重“教書”輕“育人”問題，提高畢業生能力與用人單位需求的契合度，在對104 名畢業學生（占總畢業學生近一半）的隨機抽樣調查中，學生對學校的總體滿意度在99%以上，對所學專業的滿意度為96.2%，對專業教學和核心課程設置的滿意度分別為97.1%和95.1%，其中89.4%的學生從事本專業對口工作或與本專業有一定聯系的工作，且80.7%的學生對目前從事工作表示滿意。