智能時代新工科人才培養(yǎng)的教學組織模式研究

劉冰冰，張建成，劉 偉，趙林惠

（北京聯(lián)合大學 北京 100101）

為主動應對以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟發(fā)展需求，高等工程教育開展了“新工科”建設，以創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式?！督逃扛叩冉逃娟P于開展新工科研究與實踐的通知》倡導地方高?！皩拥胤浇?jīng)濟社會發(fā)展需要和企業(yè)技術創(chuàng)新要求，深化產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同育人，推動傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級，開展地方高校新工科研究和實踐”[1]。相比于傳統(tǒng)的工程教育，新工科要培養(yǎng)具有跨學科思維、知識整合能力，能創(chuàng)新性地解決工程實踐問題的現(xiàn)代人才[2]。面對這樣的新要求，傳統(tǒng)的工程教育就需要進行教育理念的改革、教學組織模式的探索和創(chuàng)新研究，從而實現(xiàn)創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)。

本文以北京聯(lián)合大學機器人學院為例，探索智能時代下新工科人才的培養(yǎng)模式。

1 目前教學中存在的問題

目前，高校的教學組織主要以專業(yè)為中心，完成培養(yǎng)方案的制訂、教學大綱的修訂和教學任務的安排[3]。這種傳統(tǒng)的模式是基于縱向挖掘培養(yǎng)，對于培養(yǎng)學生對專業(yè)知識體系的掌握能力較好。但是這樣的組織模式缺乏橫向練習，即學科之間的交叉、專業(yè)之間的交叉，無法培養(yǎng)出具備跨學科整合能力的新工科人才。同時，這樣的組織模式，也使得教師局限于自己專業(yè)的“一方天地”，不具備跨專業(yè)視野和跨專業(yè)知識，很難進行新工科建設和新工科人才的培養(yǎng)[4]。

2 建立新工科人才培養(yǎng)教學組織模式的思路

課程群是以特定的素養(yǎng)結構為目標，由若干門性質相關或相近的單門課程組成的一個結構合理、層次清晰、彼此連接、相互配合、深度呼應的連環(huán)式課程集群。目前大部分探索課程群的研究都是針對專業(yè)內部的課程群建設，但是課程群的建設不僅僅局限于一個專業(yè)，尤其是新工科要求專業(yè)之間進行交叉，實現(xiàn)破除專業(yè)之間壁壘、培養(yǎng)綜合型人才的目的。本研究從平臺課程建設、專業(yè)內課程群建設和綜合實踐平臺建設三個方面進行說明。

2.1 多專業(yè)需求課程——平臺課程建設

面對多專業(yè)需要的課程，在傳統(tǒng)的以專業(yè)進行教學的組織模式基礎上增加課程群組織模式，此模式可以整合各專業(yè)的資源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、協(xié)同共享的目標。但是，如何建立跨專業(yè)的課程群以及如何進行跨專業(yè)平臺課程的建設一直是課程群建設探索中的重要研究內容。北京聯(lián)合大學作為一所應用型大學，以培養(yǎng)應用型本科人才作為培養(yǎng)目標，因此一直與行業(yè)和企業(yè)聯(lián)系緊密。機器人學院通過與機器人公司進行校企合作，對機器人產(chǎn)業(yè)的人才技術需求進行了詳細的分析，將人才需求劃分成“動力機械、運動控制、環(huán)境感知、智能決策、人機交互”五個模塊，對應不同的模塊有相應的專業(yè)進行支撐，不同的模塊有強支撐專業(yè)和弱支撐專業(yè)。同時建立理論知識體系和實踐能力體系支撐專業(yè)培養(yǎng)，其中理論知識體系劃分為素質通識課程群、專業(yè)基礎課程群和專業(yè)拓展課程群，而實踐能力體系劃分為基礎型實踐專題群、進階型實踐專題群和高階型實踐專題群，學生可以在完成低階實踐專題群的實踐題目后進行更高級別的實踐專題題目。為了完成課程群的建設和運行以及課程群的優(yōu)化，除了課程群的規(guī)劃外，還包括課程群的建設機制和實施方案，北京聯(lián)合大學機器人學院在進行課程群的探索中總結出了適用于新工科學院建設的矩陣式教學組織模式、專業(yè)群建設的管理制度和運行機制，并提出了課程群教學團隊建設實施方案、工程實踐條件建設實施方案和教學改革實施方案以保證課程群的建設和實施（圖1）。

圖1 跨專業(yè)平臺課程建設方案

2.2 單獨專業(yè)需求課程——專業(yè)內課程群建設

單獨專業(yè)課程也可以進行課程群建設，目前專業(yè)內課程大部分為一門一門的課程，忽略了課程知識之間的銜接，使得學生在學習后不能有效地運用所學的知識，同時，有些課程的內容有部分重疊，而有些課程的內容又缺乏前導課程，使得學生在學習過程中對聽過多遍的知識缺乏興趣，對缺乏前導課程的內容又較難以接受[5]。在專業(yè)內部建設課程群可以將專業(yè)知識更好地融匯在一起，使各課程內部之間相互連接的部分能夠更加清晰地呈現(xiàn)，同時剔除掉彼此重復的部分使得課程更加緊湊，也使得多余的學時可以用于綜合項目的練習，促使學生加強對所學知識的理解和應用。

2.3 綜合實踐平臺的建設

學科實踐是學生應用所學習理論知識進行實際工程項目，進一步理解所學理論知識的重要環(huán)節(jié)，而實踐平臺就是提供應用場合的重要基礎，新工科要求學生具有學科交叉的能力，那么在進行實踐平臺搭建的時候也需要綜合考慮如何進行學科交叉[6]。由于工科專業(yè)彼此之間有相互交叉的部分，可以在建設時進一步整合，建設課程群；同時，也需要考慮構建能夠支撐多專業(yè)教學任務的實踐平臺，減少重復建設，有效地進行資源配置；以各類競賽為基礎，促使教師積極進行知識拓展，實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的目標。

3 具體實施及效果

3.1 多專業(yè)課程群

下面以工程制圖課為代表說明多專業(yè)平臺課的建設。工程制圖平臺課覆蓋四個工科專業(yè)，包括機械類專業(yè)如機械工程、機器人工程專業(yè)，以及近機類專業(yè)如自動化、電子信息工程專業(yè)，建設內容主要包括以下兩部分。

3.1.1 模塊化建設

根據(jù)各個專業(yè)的教學計劃及授課情況，進行工程制圖平臺課模塊化建設。工程制圖平臺課分為四個模塊，其內容逐層遞進，逐步提高學生對工程圖樣的讀、識、畫能力。

模塊一（基礎知識）：基礎理論、基本技能和專業(yè)技術基礎；

模塊二（技能訓練）：專業(yè)技術、專業(yè)技能訓練；

模塊三（技能應用）：計算機輔助繪圖（二維和三維）；

模塊四（實踐操作）：測繪和拆裝平臺。

3.1.2 重構課程體系

根據(jù)各個專業(yè)的教學計劃及后續(xù)課程的銜接情況，重構以機械工程專業(yè)為主體的“工程制圖”課程體系，并輻射相關專業(yè)，完成相應線下課程資源建設，包括大綱修訂、課程實施方案設計、重要知識點課程教學創(chuàng)新設計范例建設等。具體內容包括教學內容整合、教學方法教學手段創(chuàng)新、以賽促建等。

3.2 單專業(yè)課程群

以機械類課程為例進行課程群建設。機械類課程之間具有很強的相關性和先后順序性，本研究以機械類課程群的建設說明單專業(yè)課程群建設的具體實施。

3.2.1 課程群的建立

由于課程群是由幾門課程共同組成的，因此確定課程群中所包含的科目是課程群建設中需要解決的一個重要問題。根據(jù)課程群的定義，首先，課程群針對的是特定素養(yǎng)的培養(yǎng)，因此在本研究中以機械工程專業(yè)畢業(yè)目標為指導，確定課程群所需培養(yǎng)的素養(yǎng)。比如機械類專業(yè)其中重要的一個分支就是機械設計類，其培養(yǎng)目標是機械設計師。其次，需針對培養(yǎng)目標對所需能力進行細化。針對機械設計師的培養(yǎng)目標，需要學生能夠針對需求提出方案、分析受力關系、進行具體結構設計、進行關鍵零件校核并形成三維圖紙和二維圖紙。最后，根據(jù)能力確定課程群的組成課程。確定課程群的相關課程須包括互換性與技術測量（公差內容）、工程材料基礎、工程力學、機械設計基礎（包括機械原理和機械設計內容）、機械制圖。由以上三個步驟確定機械設計課程群中所需包括的課程，為后續(xù)的工作奠定基礎。

3.2.2 教學團隊建設

教學團隊是指為滿足專業(yè)或課程群的建設需要，以既能互補又能互相溝通、相互協(xié)作的教師為主體，以教學改革為途徑，以專業(yè)建設和系列課程為平臺，為提高教師教學水平和學生學習效果而組建的教學業(yè)務組合[7-8]。在課程群的團隊建設中需要合理配置團隊的成員，以教學能力強、教學經(jīng)驗豐富的教師作為教學團隊的負責人，在專業(yè)方面、年齡方面、職稱方面都要考慮，從而建立合理的教學團隊，同時，為了提高教學團隊的實踐能力，還可增加校外企業(yè)人員，促進校企深度合作。

3.2.3 教學資源優(yōu)化

課程群建設的優(yōu)勢在于課程內容的彼此連接，同時可以在進行課程建設時優(yōu)化掉彼此之間相互重復的課程內容，增加實踐部分，提高學生對課程群內容的理解和應用，從更加系統(tǒng)和完整的角度掌握專業(yè)知識。因此，對于教學資源的整合和優(yōu)化是其中必要的環(huán)節(jié)[9-10]。在機械設計課程群的建設中，首先進行課程群的規(guī)劃，調整課程教學內容，修訂教學大綱；其次，增加實踐學時，以項目作為牽引，引導學生在學中做、做中學，同時提供分層次的項目，使學生能夠根據(jù)自己的水平逐步提高設計水平；最后，建立線上資源及虛擬資源，包括線上課程、云班課及虛擬實驗室等。

3.2.4 教材建設

教材是課程群建設中的重要因素，由于目前機械設計課程群內各門課程均單獨開課，教材也是由任課教師自行選擇，因此會出現(xiàn)教材銜接不好或有部分重復、綜合性例子少，而且任課教師選擇的教材有些屬于經(jīng)典教材，不適用于基礎差的學生，因此教材建設也是課程群建設的重要部分。在進行教材建設時要根據(jù)課程群的培養(yǎng)目標，以新工科要求為基礎，開發(fā)有特色、綜合性強、實踐性強的教材。

3.3 實踐平臺搭建

以機器人競賽作為載體搭建實踐平臺，整合課程內容，增開新技術課程群，以賽促建，通過實際任務驅動新工科人才建設多專業(yè)共享、分層次的實踐專題群等途徑實現(xiàn)綜合性實踐平臺的搭建[11-12]，具體措施如下：

3.3.1 課程內容整合

在進行實踐平臺搭建時綜合考慮五個人才需求模塊與專業(yè)間的支撐關系，保留專業(yè)基礎、兼顧專業(yè)特色，整合內容相近或技術關聯(lián)度較高的課程和訓練項目，組建理論課程群和實踐專題群，增設新技術課程群，如人工智能課程群等，實現(xiàn)課程內容的整合和提升。

3.3.2 跨專業(yè)實踐任務

以各類學科競賽為契機，鼓勵學生跨專業(yè)組隊參加智能車競賽、機器人競賽等，通過各類競賽提升學生的綜合應用能力。

3.3.3 建立多專業(yè)共享的實踐專題群

梳理支撐各專業(yè)培養(yǎng)目標的能力要素，構建“基礎型、進階型、高階型”三個層次的實踐專題平臺，對復雜性、綜合性、創(chuàng)新性的要求逐層遞增，專題涵蓋多學科的專業(yè)知識，通過逐步添加項目任務，使不同層次的專題項目具有一定的連續(xù)性，逐步提升學生的工程實踐能力，形成遞進式、跨學科、跨專業(yè)的工程實踐能力培養(yǎng)。

4 結論

新工科人才的培養(yǎng)強調跨專業(yè)能力，傳統(tǒng)的縱向專業(yè)授課具有一定的局限性，因此通過增加橫向的課程群授課從而形成矩陣式的教學模式可以實現(xiàn)專業(yè)之間的有機融合。

本文以北京聯(lián)合大學機器人學院為例，通過跨專業(yè)課程群建設、單專業(yè)課程群建設和實踐專題群建設三大方面實現(xiàn)了矩陣式人才培養(yǎng)模式，實踐證明，此種教學組織模式可以有效地實現(xiàn)跨專業(yè)人才的培養(yǎng)。