聚焦工程創造力的自動化專業核心課程群建設

摘 要：新一輪科技革命和產業變革的迅猛發展對高校工科人才的工程創造力培養提出新的需求，高等工程教育改革勢在必行。以自動化專業人才培養為例，立足于專業核心課程群建設，從“雙循環”持續改進培養機制，到“六維度”“三層次”知識體系重構、螺旋遞進式全學程實踐教學和“鹽溶于水”課程思政建設等，從課程體系、教學內容、教學方法等方面對工科人才的“工程創造力”培養模式進行改革實踐，教學效果表明專業人才培養質量得到全面提升。

關鍵詞：工程創造力；核心課程群；工程教育；自動化專業；教學改革

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）34-0037-04

Abstract：The rapid development of the technology and industrial transformation have put forward new demands for the cultivation of engineering creativity of engineering talents in colleges and universities. Taking the training of automation professionals as an example， based on the construction of the professional core curriculum group， from the "double cycle" continuous improvement of the operating mechanism to the "six dimensions" and "three levels" knowledge system reconstruction， the spiral progressive full-course practical teaching and construction of curriculum ideological and political education like "salt dissolves in water"， etc.， the "engineering creativity" training mode of engineering talents has been studied and explored from the aspects of the curriculum system， teaching content， teaching methods. The teaching practice results show that the quality of professional talent training has been comprehensively improved.

Keywords： engineering creativity; core curriculum group; engineering education; automation; education reform

自動化專業人才屬于戰略性新興產業領域的急需緊缺人才，面對世界范圍內新一輪科技革命csGS5ULj/z/F/rO4qKp4sQ==和產業變革的迅猛發展，自動化工程師需要具備較強的工程創造力，才能解決“以人工智能、物聯網、大數據、機器人等為核心的新經濟、新產業”提出的科技難題[1]。大力培養“具備創造性地解決重大工程科技難題的工程人才”，才能扭轉“我國關鍵核心技術受制于人的局面”[2]。

以高校人才培養的輸出結果為視角，自動化專業畢業生在知識、能力和素養三個方面常存在以下問題。

從專業知識體系看，缺乏多學科交叉和工程技術的外圍延拓。傳統自動化專業的教學通常以控制理論為核心，導致學生缺乏對實際被控對象特性及控制系統工程應用實現的相關認識。

缺乏跨學科合作的研發能力，高階思維能力和“工程創造力”。一般高校都是圍繞學科知識這一主體開展理論課程和實驗課程的教學活動，普遍存在實驗實訓環節達不到高階性、創新性的要求，從而導致學生解決復雜工程問題的能力有待提高。

學生個人發展定位較模糊，持續進取精神和“創造力自信”不足。長期的應試教育模式下，大部分學生學習較為被動，不利于工程創造力的培養。

高校工科人才培養中存在的以上問題都制約了工程創造力的塑造和發展，只有扎實推進各專業的課程改革建設，才能真正提高人才培養質量。

本文立足于自動化專業的核心課程群建設，從頂層設計理念、課程體系設置、課程目標、教學內容和教學方法等方面，全方位對工科人才的工程創造力培養進行了改革與實踐。

一 持續完善的核心課程體系建設

關于高等教育改革，“改到深處是課程，改到痛處是教師”，可見課程改革與建設是重中之重。根據專業工程教育認證以及卓越工程師培養計劃的指導思想，專業核心課程對支撐專業培養方案中的畢業要求起到關鍵性作用，因而首先需要構建合理的核心課程體系，并具有持續完善的運行機制[3]。

（一） OBE反向設計理念及專業定位

根據OBE教育理念，“以學生為中心，以輸出為導向，持續改進”，采用“雙循環”機制進行反向設計[4]：外循環主要完成專業培養方案的修訂，為較長周期（一般為四年）；內循環主要完成課程設置的微調和課程目標及教學過程的完善，為短周期（可為一個學程或一學年），如圖1所示。

在四年為周期的專業培養方案修訂（外循環）中，明確人才培養需求是反向設計的首要任務，專業培養目標應對標國家、社會、產業和學生個人發展等多方需求。針對本校地處“京津冀”核心地帶的特點及辦學定位，確立了面向智能制造，服務京津冀協同，培養具有深厚人文底蘊、扎實專業基礎、較強工程創造力的應用型、復合型自動化卓越工程技術人才。

圖1 反向設計及持續改進的雙循環機制

在一個學程或學年的內循環中，建立了課程達成度評價和持續改進機制，嚴格執行每個教學周期過程中的材料歸檔工作和數據統計，完成課程設置的合理性和教學過程設計的及時反饋和調整。

（二） 核心課程體系及課程目標

依據專業定位，剖析新經濟、新業態下自動化技術的新內涵，對標教學質量國家標準，自動化專業核心課程體系結構應按照大系統、復雜系統與人機系統的專業發展方向更新課程體系的內容，使之適應地方經濟發展對自動化專業人才知識、能力和素質的要求[5-6]。

在課程體系構建的過程中，調研了智能制造帶來的技術轉變和生產過程的轉變，探尋了智能制造技術與高校自動化專業人才培養模式的關聯關系，“校企融合+科教融合”升級重構了面向智能制造的自動化專業核心課程體系。核心課程體系的設置遵循自動化專業“建模、控制、優化”的主線，在通識模塊和學科基礎模塊基礎上，由“數學基礎”“控制理論”“工程應用”“高階拓展”“計算機技術”和“實踐教學活動”六個模塊組成，如圖2所示。

圖2 自動化專業核心課程體系

由數學基礎到控制理論，理論基礎課程能培養學生的數學思維和對實際問題的抽象分析能力，從而進一步形成控制系統設計的專業思維方式；工程應用模塊課程能結合生產實際中不同對象特性及控制技術，使學生能解決控制系統實施過程中所面臨的實際問題，從而具備自動化領域工程師的基本素質；在高階拓展中，涉及智能制造中的相關新技術，主動適應地方新經濟、新產業的迅速發展和自動化產品的更新換代；任何新技術的發展都離不開計算機技術，計算機技術與學科基礎模塊的電子技術共同成為各課程模塊的技術支撐；此外，理論課程的配套實驗、各類實習實訓和創新創業競賽等多種實踐教學形式，為培養“工程創造力”提供了充分的空間。

由此，構建了以數學和控制理論為基礎、以計算機技術為支撐、以工程應用和高階拓展為方向、以豐富實踐教學為抓手的自動化專業核心課程體系，能夠遵循新國標中對于知識積累、素質培養和能力提升的內在科學規律的要求。

二 “六維度”“三層次”的知識體系重構

“工程創造力”是在滿足特定功能要求和資源約束的條件下，產生多種新穎且有用的工程問題解決方案的能力[7-8]。工科學生在解決復雜工程問題時，最常見的障礙就是“知識壁壘”，受制于本專業、本領域的知識，缺乏跨學科的知識[9-10]。

（一） 自動化專業知識體系構成

傳統工程教育以學科為本位，圍繞學科知識開展教學活動，而通常學科與學科之間存在較多隔閡。例如自動化專業課程多以控制理論為核心，但缺乏對復雜實際被控對象特性的認識及控制器的設計和工程實現方法，導致大部分學生缺乏研發實際控制系統的能力。

因此，需要深入剖析專業核心課程之間相互銜接及支撐關系，關注知識的整體結構，打通課程的“前后左右上下”（六維度）關系，重塑“核心、外圍、交叉”（三層次）的知識體系，如圖3所示。

圖3 知識體系的六維度關系

“前后”維度是以數理基礎、專業理論為基石構建課程的核心知識點，及延伸擴展的前沿新技術、新理論；“左右”維度為相關的實現手段和技術，包括電子電氣類設備和計算機技術兩個方面；“上下”維度中，“上”是以社會主義核心價值觀引領，融合哲學、人文及經濟法律等跨學科知識；“下”是工程實踐應用領域中常用的一些外圍知識延拓。

“核心、外圍、交叉”的課程層次關系符合工程知識體系復雜化的特點，且具有開放的知識空間，能擴展學生視野；重視專業基礎的作用，追溯來龍去脈，啟迪思維方式，學透核心知識；把原有封閉的課程內容構建成一種“遠親近鄰”的相互聯系，給學生有關學科交叉、知識相通的具體生動啟發。

（二） 知識體系的持續優化迭代

新經濟、新業態發展對人才創造力培養的迫切需求，使“校企融合+科教融合”與時俱進優化知識體系、更新教學內容成為必然。需要將科研項目及工程案例內容納入教學內容的設計，進行跨學科外延知識體系的補充。

加強教師間的科研合作交流，將科學前沿、研究成果和社會需求及時反哺到課程內容中，將教師的最新科研理論成果以及橫向課題中的先進技術充實到教學知識體系中；積極拓展與企業的對話和溝通渠道，將實際工程問題凝練為教學案例。這是時代技術發展對課程高階性和創新性提出的要求，來自企業和科研的問題都可作為實驗項目、創新競賽等活動選題，推進課程內容與形式與時俱進。

三 教學方法的改革與實踐

當前信息時代下的混合教學模式已經在大部分高校推廣應用，打破了原有單一教學模式和手段落后的弊端，但仍需加強學生的思想價值引領、增強綜合實踐能力。

（一） 多維度挖掘課程思政元素

核心課程教師團隊從職業發展、民族情懷和科技強國等多角度挖掘課程思政元素，“鹽溶于水”般將課程思政貫穿教學全過程，實現社會主義核心價值觀引領。

將素質目標和育人目標落實到每次課程教案中，通過采用介紹當地產業經濟建設、畢業生成長歷程；文獻檢索了解科技進步和科學家事跡、撰寫心得體會等手段，引導學生將個人發展與社會發展、國家發展結合起來。

課堂中，教師結合專業知識特點引導學生認識安全生產的重要性，培養學生社會責任感和職業道德；同時介紹我國工業技術的迅猛發展，增強民族自豪感，激發學生報效祖國的熱情。

（二） 全學程加強實踐教學

目前，工科院校仍然存在實踐教學環節較薄弱，缺乏綜合性的、解決復雜工程問題的實踐訓練，與目前企業人才需求存在較大差距，由此構建了如圖4所示的螺旋遞進式全學程實踐教學體系。

在“實驗教學、項目教學、實習實訓、畢業設計、創新創業”五位一體的自動化核心課程群的實踐體系中，通過整合實驗教學、校企協同聯動、實習實訓基地建設、創新創業教育和科研反哺教學等多措并舉，在各個階段都能“以學生為中心”、以提升綜合實踐能力為要義展開教學活動，強化了學生的創新意識，培養了工程實踐能力和工程創造力。

圖4 螺旋遞進式全學程實踐教學體系

（三） “雙PBL”推動工程創造力訓練

為了激發學生學習主動性，使學生積極“動腦、動手、動嘴”，采用了基于問題的學習“Prb-BL”（Problem-based Learning）和基于項目的學習“Prj-BL”（Project-based Learning）等多種教學新模式，并借助多維度立體化教學資源，進行了發散思維與收斂思維相結合、發現問題與解決問題并重的工程創造力訓練。

基于問題的學習（Prb-BL）模式能激發探究未知的興趣，例如可以利用“對分課堂”模式中“亮考幫”作為前置課堂環節，課前學生以“幫幫我”提出問題，或由教師進行質疑，提煉匯總后的問題發給其他學生進行解答或小組討論，訓練發散思維；在教師點評匯總學生的不同方案時，以啟發、探究、傳授等過程引導“收斂思維”的形成。

基于項目學習（Prj-BL）教學模式要充分利用校企聯合設計貫穿式工程案例，開展訓練“發現問題與解決問題”的能力。改變簡單的知識復制式學習方法，促進學生認知結構的重組，引導學生在工程真實情境中完成知識內化和能力提升。可以聘請企業導師講解工業生產流程，傳授工程復雜問題和新技術，同時在職業道德、人生規劃等方面進行引導，激發學生的愛國情懷、培養工匠精神。

在教師的引導下，“以學生為中心”，通過個體認知型學習和團隊合作式學習相結合的形式，關注工程技術與社會環境的關系，進行文獻查閱，引導學生發現問題，在方案設計前期發散思維，在考慮約束因素下最終能夠解決問題，并整理出技術報告進行口頭匯報，培養學生自主學習能力、工程創造力、團隊合作精神和表達能力，實現綜合能力素質的有效提升。

（四） 課程考核方式改革

利用線上教學平臺的統計數據，科學構建多元化考核評價機制，針對課程不同特點進行了課程考核的改革，具體措施包括：建設課程試卷庫，實施“教考分離”；試題中增大綜合性、設計性題目占比；依托網絡教學平臺的數據資源，以投票、搶答、隨堂練習和分組討論等多種課堂活動形式的自動評分支撐過程性考核依據；在研究型任務和小組任務中，針對團隊合作精神、仿真程序、總結報告和答辯表達等多方面，主觀打分和客觀評價相結合融入對“工程創造力”因素的評價。

四 實踐成效

自動化專業核心課程群的改革實踐，促進了該專業的發展。本校自動化專業先后通過了“中國工程教育認證”和“卓越工程師教育培養計劃”的驗收，并入選國家級一流本科專業建設點。

同時也歷練了教師隊伍，核心課程組教師均為省級優秀教學團隊的骨干成員，2019—2023年獲得省級教學成果一等獎和二等獎各1項、校級教學成果獎3項、教學競賽獎勵4項；發表教改論文8篇；獲評省級教學名師1人。建設省級精品在線課程2門、省級混合式一流本科課程2門。其中，自動控制原理、現代控制理論和過程控制這三門主干課程均已完成網絡教學平臺建設，上線“學銀在線”慕課平臺，面向社會開放，并被選為示范教學包進行推廣，教學資源被多所高校引用。

學生的知識、能力和素質均得到顯著提高，2019—2023年，在科技創新活動及競賽中，取得了10項國家級、20余項省級獎勵的良好成績。畢業生就業率和考研率均有所提高，且畢業生的知識結構、職業素質和綜合競爭力普遍獲得用人單位和研究生培養院校的好評。

五 結束語

以提升“工程創造力”為突破口和著力點，通過剖析新經濟、新業態下自動化技術的新內涵，結合學校和地域特色，精準定位自動化專業人才培養目標。在新工科背景下，以“雙循環”動態機制對自動化專業核心課程體系進行了優化升級，并重構了“六維度”“三層次”的課程知識體系。構建了“實驗教學、項目教學、實習實訓、畢業設計5UAdDFgEKdKbI1njcTytcg==、創新創業”五位一體的螺旋遞進式全學程實踐教學體系，踐行了線上、線下深度融合的混合式教學模式，完善了多元化的考核評價機制。教學實踐效果表明該專業的辦學水平得到了全面提升、人才培養質量得到了提高、教師隊伍實現了成長。

參考文獻：

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DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.009

基金項目：2022年河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“聚焦‘工程創造力’的自動化專業核心課程群建設研究與實踐”（2022GJJG0

19）；2021年教育部產學合作協同育人項目“基于Proteus的自動控制原理研究型學習教學方法師資培訓”（202102207023）

第一作者簡介：姜萍（1971－），女，漢族，云南晉寧人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為新能源發電系統建模與控制策略。