新工科背景下“四維一體”進階式新型教學體系

［摘 要］ 面向現代新型工程人才的社會需求，設計了成果導向的電氣控制技術方向新型教學體系，以滿足自動化專業解決復雜工程問題能力的培養要求。同時，在教學方式和教學方法上改革創新，引入企業工程實踐項目，進行項目化教學改革，課內外相結合，探索實踐了課程+項目+實習+競賽“四維一體”進階的培養模式。教學方案的實施取得了良好的教學效果，學生從中獲得了運用工程原理解決復雜工程問題的能力。

［關鍵詞］ 解決復雜工程問題；成果導向；項目化教學

［基金項目］ 2023年度大連民族大學本科教育教學改革研究與實踐重點項目“構建成果導向的電氣控制技術方向新型教學體系，培養新工科人才”（ZD202336）；2021年度大連民族大學本科教育教學改革研究與實踐項目“集散控制系統與現場總線課程線上線下混合式教學一體化設計與實踐”（YB2021061）；2020年度大連民族大學一流本科課程建設項目“集散系統與現場總線技術”（YLKC21053）

［作者簡介］ 張明君（1966—），女，吉林吉林人，博士，大連民族大學機電工程學院教授，主要從事智能控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）36-0073-05 ［收稿日期］ 2023-08-15

現代新型工程人才是推動制造業轉型升級、實現“中國制造2025”戰略的關鍵要素。地方高校作為高等工程教育的中堅力量，在新工科背景下如何培養出高素質、高水平的未來工程師，是一項重要而急迫的任務［1］。

工業4.0時代具有高度自動化、高度信息化及高度網絡化三個特征［2］。但已有的工科課程體系以傳統教學內容為主，教學更新普遍滯后于工業技術的發展速度，難以滿足新經濟背景下對新工科人才的知識結構和工程能力的要求。地方高校現有的培養方案和課程體系主要構成要素是知識，側重完整地傳授專業知識，而符合工程教育的知識與能力培養體系尚未建立［3］。雖然我國高等工程教育的規模已經位居世界第一，但要成為世界高等工程教育強國并培養出一大批卓越工程師，還任重道遠［4］。

面向新一輪科技革命和產業變革，世界范圍內的高校在廣泛探索工程教育改革的新路徑和新模式。例如，麻省理工學院的“新工程教育轉型”（NEET）計劃、斯坦福大學的技術創業項目（STVP）、康奈爾大學的AguaClara項目等［5］，都圍繞以學生為中心、回歸工程實踐和跨學科教育進行改革探索。我國部分高校在工程教育中也積極探索實踐。例如，浙江大學工程師學院將工程教育與工程實踐相結合，破除學科專業壁壘，面向以智能化為特征的產業前沿領域工程實踐問題的改革實踐，提出了工程教育創新范式［6］；北京理工大學依托核心課程、企業需求、競賽要求打造三類項目制課程，以優勢工科為代表創新智慧化、研究型、項目制課程，建立智慧教育體系新范式［5］。可見，以學生為中心、回歸工程實踐、面向產業前沿、多種課程平臺的人才培養成了現代工程教育改革的新路徑和新模式，為各高校的工程教育改革提供了參考。目前，我國高等工程教育仍存在供需矛盾、學校發展目標與模式趨同、教學體系不適應工程特點，以及對創新創業教育重視不足等問題［6］。

2016年6月，我國成為《華盛頓協議》第18個正式成員。工程教育專業認證已成為我國高等教育的重要組成部分。在工程教育專業認證框架下，高校開展有效的、深層的復雜工程問題能力培養的教學改革，以滿足工程人才勝任復雜工程活動的要求，是近年來工科專業建設的重要任務。

自動化類專業作為典型的工程教育專業，面對新興技術快速發展和不斷更新，面對制造業、機器人等關聯產業的加速升級，對工程教育的改革需求更為迫切。由于工程教育認證普遍起步較晚、專業實力不足等原因，導致地方本科高校的自動化類專業工程教育改革步伐參差不齊，仍存在一些亟待解決的問題。

一、目前教學中存在的主要問題

（一）教學內容和教學模式跟不上新技術的發展，不能完全滿足社會人才需求

智能制造產業興起、自動化技術的迅猛發展，現有的自動化朝著智能化、網絡化的方向發展。由于高校現有教學內容和實驗設備的滯后，電氣控制方向中工控網絡技術、新型人機交互技術等相關知識更新滯后技術發展，教學內容和教學模式跟不上社會發展需求，因此，出現畢業生與社會人才需求錯位。

（二）解決復雜工程問題能力培養的教學目標不能有效落實

新技術的更新不是一兩門課程能解決的問題，能力培養需要不斷的實踐訓練和強化。傳統課程體系的設計，將每門課程視為一個個相對獨立、完整、邊界清晰的知識單元，弱化了知識單元之間的聯系，導致學生在解決復雜工程問題時，難以實現對不同學科知識的交叉融合和綜合應用［7］，從而導致培養體系中知識學習與解決問題的關聯性不明確，各門課程及實踐環節銜接不夠緊密。針對解決復雜工程問題能力培養的畢業要求指向性不強，支撐度不夠，難以形成持續改進機制。

（三）面對教學的新挑戰性，亟待教學方式的轉變和教學方法的創新

隨著新技術的不斷更新，教學內容在不斷增加，但專業課程的學時卻不斷壓縮減少，教學要求和教學目標在不斷提升，學生缺乏學習興趣與學習動力的問題也普遍存在。因此，亟待解決教學手段和人才培養模式的改革創新問題，以激發學生的求知欲和學習熱情，提高學生的獲得感和知識應用能力，提升教學效果。

（四）需要進一步提高實踐教學針對性，突出成果導向性

目前，實踐課程大多是精準對應專業課程的知識點，跨學科的綜合性實踐項目偏少，缺乏融合性強的實驗平臺，且實驗平臺升級慢［8］。現有教學中，教學方法與教學目標不匹配，重知識、輕能力，重理論、輕實踐，實踐教學針對性不強，成果導向性不強的問題依然存在。

（五）需要課程思政與專業教育進一步有機融合

新工科人才培養不僅要面向社會需求、提高解決問題的能力，還要融入新的價值觀、工程倫理、人文藝術素養等人文素質指標［9］。我們需要逐漸轉變目前以知識傳授為主的一元化教學方式，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一。因此，專業教育的內涵需要不斷提升，課程思政與專業教育需要進一步有機融合，高素質的應用型專門人才的高素質特征培養才能有效落實。

針對上述問題，需要各高校在工程教育改革中，有針對性地、系統性地加以解決，才能從根本上提升工程教育質量，提高人才培養質量。

二、新型課程體系改革探究

現代新型工程人才的培養要求以及工程教育專業認證的推進，都要求高校在教學內容、教學方法手段和教學模式方面不斷探索，以適應新經濟環境下產業升級對工程人才的需求。針對上述問題，大連民族大學自動化專業以解決復雜工程問題能力培養為教學目標，瞄準自動化技術的智能化、網絡化的發展方向，借鑒以學生為中心、回歸工程實踐、面向產業前沿、多種課程平臺的人才培養的現代工程教育改革的新路徑和新模式，對電氣控制方向課程群進行教學改革，構建基于OBE教育理念的教學方案，探索實踐“四維一體”進階的培養模式，形成多門課程有機一體的、階梯漸進的電氣控制專業方向教學體系。

（一）面向網絡化、智能化綜合自動化控制領域，構建新的課程體系

為解決傳統課程體系的滯后問題，使專業教學跟隨新技術發展，大連民族大學自動化專業在課程體系構建過程中，首先面向智能制造產業增長點，瞄準自動化技術的智能化、網絡化的發展方向，加強工業控制網絡技術、新型電氣控制技術、信息技術應用相關知識和實踐訓練內容，使人才培養各環節融會貫通，內容上不斷疊加，能力訓練上不斷強化升級（教學項目從獨立設備控制到組網控制，再到形成集散控制系統），各門課程和實踐環節緊密銜接，形成有機整體。以解決復雜工程問題能力培養為教學目標，設計安排教學內容、開展教學活動、進行評價。按照從簡單到復雜，從小規模到大規模，循序遞進，構成體系［10］。設計構建了從電氣設計基礎、工業控制網絡技術，以及人機交互技術的進階式教學方案，最終形成面向網絡化、智能化綜合自動化控制系統的教學體系，與解決復雜工程問題能力培養的人才培養目標指向性一致，教學針對性更強。

整個教學體系以學科教育為基礎，以課程思政為支撐，由專業基礎訓練教學平臺、工程實踐及創新訓練教學平臺、綜合設計訓練教學平臺逐級進階。學生能力培養效果通過階段性成果體現學生的工程實踐動手能力進階式階段性評價，并針對各培養階段的教學目標進行持續改進。該體系為學生提供更加系統的知識體系，將系統知識體系與重要的工程實踐領域對接［8］。

（二）創新教學方式和教學方法，探索成果導向的課程+項目+實習+競賽“四維一體”進階的培養模式

在教學體系改革的同時，進行教學方法和教學模式改革創新。以OBE工程教育認證理念為指導，完善培養方案，形成以學生為中心、成果導向的課程+項目+實習+競賽“四維一體”進階的人才培養模式。

1.教學方法。課堂講授+MOOC學習翻轉課堂+案例教學+任務驅動+實操訓練+小組討論。

2.教學模式。根據教學內容采用多模式結合：課程+項目+實習+競賽。每個教學階段都有階段性項目和實踐成果，實踐促進理論升華，使能力培養顯性化，評價多元化。

3.項目化教學。以電氣控制技術課程設計為例，約32個真實工程項目，學生自主選做。以學生為主體，開展學生“自主設計+教師引導提問+討論+調試答辯”方式的實踐教學活動。學生自主分析、查閱資料、方案論證、設計和編程、現場調試。訓練學生綜合運用多門課程知識解決復雜環境中的工程問題。教師負責關鍵原理、方法引導，檢查學生項目設計的可行性，驗收實驗結果，提問答辯等環節。

4.教學手段。利用信息技術、互聯網技術和仿真技術等教學手段，促進教學方法的不斷改進。

（三）在實踐教學中引入企業項目，進行項目化教學改革

針對實踐教學內容更新滯后、實踐教學平臺不完善、教學手段不豐富等問題，設計了新的實踐教學方案，增加了實踐的難度和訓練度。引入羅克韋爾和西門子多種新型PLC和組態軟件設計任務和實操訓練項目，強化信息化集成控制方面創新能力和工程實踐能力訓練。設計系統化的教學項目，讓學生在實踐中學到新技術、掌握新方法、接觸新設備，形成進階提升的實踐訓練體系。

具有工程背景的企業項目設計，可以調動學生的求知欲和學習主動性。通過項目設計將創新思維和工程實踐能力培養落實到教學環節中，緊跟知識和技術更新的步伐。企業最新的技術、設備和理念呈現在學生眼前，學生在項目任務驅動下進行原理學習、工程設計、實操調試，進而有效地縮短教學與企業技術進步之間的差距。學生在完成項目的過程中，不斷培養提升面對問題的自主學習能力、規劃與組織實施項目的能力、尋找所需知識并綜合運用的能力以及解決復雜工程問題的能力［1］。

新的教學模式和教學體系，建立了從理論學習、動手實踐再到探究學習的教學鏈條，項目設計貫穿實踐教學全過程，實現理論教學與實踐教學交叉螺旋進行，能力培養不斷線，從而形成未來工程師的綜合品質和工程能力，有益于對學生創新意識、科學素養、實踐精神和團隊合作精神的培養。

（四）完善實踐教學平臺，課內外相結合，形成人才培養新途徑

近兩年，大連民族大學自動化專業建設或完善了多個實踐教學平臺（見表1），建設教學資源庫、教學案例庫。建設了通用技術集團大連機床有限責任公司、奇瑞汽車股份有限公司大連分公司等多個校外實踐基地，與羅克韋爾自動化有限公司、美國國家儀器（NI）有限公司、上海ABB工程有限公司、沈陽新松機器人自動化股份有限公司、固高科技（深圳）有限公司、北京力控元通科技有限公司等公司簽訂了校企合作協議，開展項目式教學。

同時，課內外相結合，發揮教師工作室的培養作用，以教師科研課題、大學生創新創業項目、學科競賽以及學生自發創意、自主創新項目為驅動，教師帶領學生參與科研項目研發，開展課外創新實踐活動、各級各類學科競賽，開闊學生視野，提升實踐能力，形成人才培養新途徑。

（五）專業教育融合課程思政，實現高素質人才培養目標

現代復雜工程問題不再是單純的工程技術問題，還包括人類自身的生存環境、健康安全、工程倫理、可持續發展等問題。因而在解決復雜工程問題時，要綜合考慮和統籌協調與工程相關的社會、經濟、文化、環境、倫理以及道德等方面因素，培養工程與環境、工程與社會協調一致、和諧發展的理念［11］。

在此項教學改革中，突出了課程思政在高素質培養上的育人作用。通過深入挖掘課程中思政元素，系統化設計課程思政與專業教育的融入點和教學案例，將社會主義核心價值觀、工程倫理、邏輯思維、創新思維、創新精神與專業教育有機融合，實現高素質人才的培養目標。在實踐項目設計中，要求學生樹立工程設計與社會協調一致、和諧發展的工程設計理念，須有節能、綠色環保等相關設計元素或考量，要從綠色發展的角度提出可行的設計方案，以此培養學生的綜合素養。

三、改革成效

改革方案瞄準了自動化技術的智能化、網絡化的發展方向，對電氣控制類課程群進行了系統化改革，形成了有機一體進階的電氣控制專業方向教學體系，探索實踐了“四維一體”進階的培養模式。新的教學體系與教學模式被應用于大連民族大學自動化專業課程教學中，學生學習的主動性和積極性明顯提高。據雨課堂統計，學生課程參與度在三個學年中提高近20個百分點，學生在各階段學習成果質量也逐年提高。根據學生、學校、企業、社會評價機制統計，應屆畢業生畢業要求的達成度連續三年達到優良以上，畢業生就業率一直保持在90％以上。用人企業反饋評價，畢業生在電氣控制技術領域具有較高的實踐能力和競爭力。

以OBE理念為基礎，成果導向的課程+項目+實習+競賽“四維一體”進階的人才培養模式實施，學生參與感、成就感普遍提高，受到學生廣泛認可和歡迎。新型的人才培養模式增強了學生工程實踐經驗和工程應用能力、創新能力、解決復雜工程問題能力。2019—2021年，自動化專業學生高水平學科競賽中的獲獎數量、參與人數和獲獎比例不斷上升，先后在中國“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽、全國大學生電子設計競賽、中國機器人大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰賽等20余項高水平學科競賽中獲得競賽獎勵122項，其中獲得國家級競賽獎勵42項，參與人數200多人次。

新型教學體系的建設、企業工程項目的引入，也帶動了實踐教學平臺建設和更新，進一步提升了專業辦學實力。

結語

工程教育的改革需要系統化的設計教學方案，遵循螺旋上升的學習規律，通過進階式的學習與訓練，不斷提升學生的綜合能力，才能達到解決復雜工程問題能力培養的教學目標。應對新技術的挑戰，地方高校不僅需要不斷更新教學內容，還要與企業建立有效的技術共享渠道，及時把企業技術轉化為教學項目，才能跟上新技術的發展。教學模式和教學方法上也要與教學目標、教學內容相匹配，調動學生的主體作用，多種教學模式有機結合才是工程能力培養的有效途徑。

課程體系改革本身是一項非常復雜的系統性工程，很難一蹴而就。大連民族大學自動化專業面向解決復雜工程問題的人才培養要求，在人才培養上做了積極改革探索，形成了課程與實踐環節有機一體進階的教學體系，探索實踐了課程+項目+成果+競賽“四維一體”進階的新工科教學模式，從教學效果來看，改革激發了學生的學習興趣和動力，使學生的學習能力和解決復雜工程問題能力得到了提高，取得了很好的教學效果。

參考文獻

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Exploration and Practice of Engineering Education Reform in Electrical Control Technology Diection under the Emerging Engineering Education Background： A Four-in-One Advanced Teaching System

ZHANG Ming-jun， WANG Yu-zhe， LIU Chang-hong

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Dalian Minzu University，

Dalian， Liaoning 116605， China）

Abstract： To meet the social needs of modern new engineering talents， a new results-oriented teaching system on electrical control technology is designed for training requirements of solving complex engineering problems of automation majors’ ability. Furthermore， reforms in teaching methods and teaching methods are practiced by the introduction of enterprise engineering practice projects in teaching， implementing Project-based teaching practices and the combination of inside and outside the class. Finally the Four-in-one advanced training mode that includes “course + project + practice + competition” is carried out. The above mentioned teaching method has been implemented and good teaching effects have been received. From the project， students obtained the ability to solve complex engineering problems by engineering principles.

key word： solve complex engineering problems; results-oriented; project-based teaching