數(shù)智化時代自動化專業(yè)實驗教學(xué)體系改革探索

［摘 要］ 基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)相互融合與集成創(chuàng)新，推動社會邁向人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)共享的數(shù)智化時代。在此背景下，深刻分析了自動化專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的問題與挑戰(zhàn)，提出了“一中心五融合”的實驗教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)模式，形成了“五類型、五模塊、三平臺”的實驗教學(xué)體系。通過重構(gòu)實驗教學(xué)體系，為人才培養(yǎng)提供了有力保障，將更好地服務(wù)于自動化專業(yè)實驗基礎(chǔ)建設(shè)，也為相關(guān)專業(yè)課程改革提供了一定的借鑒。

［關(guān)鍵詞］ 數(shù)智化時代；一中心五融合；實驗教學(xué)體系；人才培養(yǎng)

［基金項目］ 2021年度西安科技大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究項目“‘多維協(xié)同、多模共享’式自動化專業(yè)實驗教學(xué)改革探索”（JG21044）；2021年度西安科技大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究項目“‘人工智能’視閾下自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)體系重構(gòu)的研究與實踐”（JG21005）

［作者簡介］ 高 瑞（1991—），男，陜西榆林人，碩士，西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院工程師，主要從事計算機視覺與智能控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0073-04 ［收稿日期］ 2023-11-30

引言

以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)相互融合、集成創(chuàng)新、充分運用，推動社會邁向人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)共享的數(shù)智化時代［1］。2022年12月21日，教育部部長懷進鵬在《人民日報》撰文指出，“推進教育數(shù)字化”是新時代加快建設(shè)教育強國的總體方向和重點任務(wù)之一。高等教育作為新一代信息技術(shù)的研究主體和應(yīng)用領(lǐng)域，相較于其他教育階段，將最先迎來數(shù)智化轉(zhuǎn)型的機遇。

我國的自動化專業(yè)有比較悠久的歷史（1952年起已有70多年歷史），從自動化專業(yè)成立以來，就一直是國家急需的專業(yè)之一。在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)上，一直堅持寬口徑“通才”，這使得自動化專業(yè)成為我國工科專業(yè)中為數(shù)極少的沒有對口行業(yè)的專業(yè)之一。如今，在數(shù)智化時代背景下，自動化專業(yè)人才培養(yǎng)毫無疑問地面臨著一系列的問題與挑戰(zhàn)。

一、數(shù)智化時代背景下自動化專業(yè)實驗教學(xué)面臨的問題與挑戰(zhàn)

（一）數(shù)智化時代教學(xué)方式面臨的挑戰(zhàn)

自動化專業(yè)需要學(xué)生掌握多種知識和技能，包括計算機、通信、電子、控制等多個領(lǐng)域，然而傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往難以滿足學(xué)生的需求。數(shù)智技術(shù)賦能教育，拓展了教學(xué)方式，以更好地適應(yīng)學(xué)生的需求和時代的發(fā)展。另外，自動化專業(yè)需要培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，但傳統(tǒng)的實驗教學(xué)往往存在實驗設(shè)備不足、實驗內(nèi)容單一等問題。因此，需要引入更加智能化的實驗教學(xué)手段，如虛擬仿真、遠(yuǎn)程實驗等，以提高實驗教學(xué)的效果和質(zhì)量。最終在數(shù)智化時代，學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和特點更加多樣化，教學(xué)依舊遵循“因材施教、有教無類”的教學(xué)原則，“因材”更加注重精準(zhǔn)，推動教學(xué)方式由“以教定學(xué)”向“以學(xué)定教”轉(zhuǎn)變。

（二）數(shù)智化時代教師素養(yǎng)面臨的挑戰(zhàn)

教師是教育數(shù)字化戰(zhàn)略得以落地、教育理念創(chuàng)新與教育模式深刻變革得以實現(xiàn)的核心力量。因此，高校教師須積極應(yīng)對數(shù)智化時代新型學(xué)習(xí)環(huán)境提出的挑戰(zhàn)，提升自身的“數(shù)智力”，從傳統(tǒng)教育素養(yǎng)向數(shù)字素養(yǎng)拓展［2］。2022年12月2日，教育部發(fā)布了《教師數(shù)字素養(yǎng)》教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，數(shù)智化時代知識生產(chǎn)模式體現(xiàn)為以應(yīng)用驅(qū)動為導(dǎo)向，體現(xiàn)了跨學(xué)科和多學(xué)科融合以及知識生產(chǎn)參與者的多樣性和異質(zhì)性，這使基于單一學(xué)科知識傳授的傳統(tǒng)教師角色面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。數(shù)智化時代學(xué)生亦是知識創(chuàng)生的主體，改變了以教師為中心的傳統(tǒng)課堂［3］，使教學(xué)成為一種以學(xué)習(xí)者為中心的動態(tài)知識建構(gòu)過程，對教師的教學(xué)能力和專業(yè)素養(yǎng)都提出了更高的要求。

（三）數(shù)智化時代教學(xué)內(nèi)容面臨的挑戰(zhàn)

自動化領(lǐng)域的知識和技術(shù)更新加快，專業(yè)知識不再僅僅來源于書本，還來自全球網(wǎng)絡(luò)與信息資源，源自工程與理論實踐知識。因此需要不斷更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)時代的要求和學(xué)生的需求。自動化專業(yè)需要多學(xué)科交叉融合，但現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容缺乏跨學(xué)科的整合和貫通。因此，需要加強跨學(xué)科的課程設(shè)置，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。數(shù)智技術(shù)賦能高等教育有助于突破傳統(tǒng)時空限制，這使得教學(xué)內(nèi)容的表征方式由靜態(tài)、平面、線性轉(zhuǎn)為動態(tài)、立體、交互，使得教學(xué)內(nèi)容的組織、呈現(xiàn)及講授向著信息化、數(shù)字化、智能化等特征知識與內(nèi)容發(fā)展。

二、自動化專業(yè)實驗教學(xué)體系重構(gòu)

借助專業(yè)認(rèn)證［4］、一流專業(yè)、一流課程、新工科專業(yè)建設(shè)［5］等高等教育新變化，對標(biāo)教學(xué)評估觀測點，夯實基礎(chǔ)，全面落實立德樹人根本任務(wù)，打造新時代一流專業(yè)實驗教學(xué)。結(jié)合學(xué)校特色優(yōu)勢，關(guān)聯(lián)礦山信息化、數(shù)字化、智能化等實際場景，嵌入本專業(yè)研究方向，更好地開展自動化專業(yè)實驗教學(xué)工作。

（一）“一中心五融合”教學(xué)理念

以往的實驗教學(xué)通常是教師講授和演示，學(xué)生被動學(xué)習(xí)。此種教學(xué)模式下，容易導(dǎo)致實驗教學(xué)脫離實際、傳統(tǒng)單一、拓展性差及學(xué)賽融合不緊密；學(xué)生缺乏主動探索和外延創(chuàng)新的意識，限制了學(xué)生專業(yè)能力的提升，在未來發(fā)展中有一定的局限性。

參照《自動化類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》與工程教育認(rèn)證的相關(guān)要求，建設(shè)“高質(zhì)量、滿意型”實驗教學(xué)體系，提出以學(xué)生為中心，多主體融合、多學(xué)科融合、多維度融合、多層次融合以及學(xué)賽融合的數(shù)智化時代“一中心五融合”的實驗教學(xué)育人新理念。通過重構(gòu)實驗教學(xué)體系，采用科學(xué)的考核評價機制反哺理念創(chuàng)新，形成健全閉環(huán)的實驗教學(xué)新模式。

（二）實驗教學(xué)新模式

教學(xué)理念的落實需要教學(xué)模式作為載體，在分析了自動化專業(yè)實驗教學(xué)存在的問題后，建立“學(xué)生自主協(xié)作”和以“學(xué)生為主體”的教師助導(dǎo)教學(xué)新模式，如圖1所示。教師啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生通過自主設(shè)計、自主創(chuàng)新和小組協(xié)作的教學(xué)模式搭配新穎的課堂教學(xué)和教學(xué)方法，從而實現(xiàn)“學(xué)中做、做中學(xué)、做中思”，全方位培養(yǎng)學(xué)生的知識獲取、認(rèn)知重構(gòu)和創(chuàng)新實踐能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的批判性和創(chuàng)新性思維，提升課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

實驗教學(xué)管理系統(tǒng)方面，通過遠(yuǎn)程在線管理，集多種管理和應(yīng)用功能于一體的師生共用系統(tǒng)，針對不同實驗需求開發(fā)、適配多種應(yīng)用需求和場景。教學(xué)管理要做到：（1）實驗過程全面質(zhì)量管控：從實驗到課出勤、實驗過程輔導(dǎo)檢查、實驗數(shù)據(jù)差錯分析及數(shù)據(jù)的合格驗收等方面，嚴(yán)格實驗過程的質(zhì)量保證，把實驗教學(xué)質(zhì)量落實到日常教學(xué)細(xì)節(jié)中，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下堅實基礎(chǔ)。（2）多方位成績評價：課程考核評價應(yīng)遵循全過程、多樣化、考能力的原則，成績的評定分為實驗課的出勤和實驗過程的檢查、實驗數(shù)據(jù)的合格驗收、實驗報告的完整、實驗數(shù)據(jù)的分析及課后總結(jié)思考；另外針對創(chuàng)新型、開放性題目，課前下發(fā)任務(wù)，課堂進行展示，對學(xué)生能力進行多方位的綜合評價。以此推動教學(xué)評價改革，豐富考評內(nèi)容，加強學(xué)生課堂內(nèi)外、線上線下評價［6］，強化數(shù)智化能力考查，拓展教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度。

（三）重構(gòu)實驗教學(xué)體系

針對多主體融合，可結(jié)合行業(yè)優(yōu)勢進行校內(nèi)融合、省內(nèi)外高校間融合、校企融合及各類協(xié)會學(xué)習(xí)。通過多主體共研共商共建，使實驗教學(xué)更加趨近現(xiàn)場實際和專業(yè)類發(fā)展熱點。具體有深化產(chǎn)學(xué)研校企合作［7］，與國家能源集團、陜煤集團、山東能源、平煤集團、山西焦煤集團等煤礦類企業(yè)交流商討符合數(shù)智化時代的實驗創(chuàng)新項目。例如礦井皮帶系統(tǒng)異物識別與定位抓取，煤礦智能鉆探視頻識別分析，基于機器視覺的齒輪箱齒面損傷智能檢測等實驗項目，從項目實現(xiàn)角度出發(fā)，以建模、仿真、設(shè)計、部署為實驗思路，使學(xué)生熟悉一個完整的工程項目，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

針對多學(xué)科融合，可借鑒自動化交叉課程、機器人交叉課程、智能化交叉課程等理論知識，利用電路實驗室、自動控制原理實驗室、電機與拖動實驗室、嵌入式系統(tǒng)（ARM）實驗室、集散控制（DCS）實驗室、虛擬儀器實驗室、電力電子技術(shù)/運動控制實驗室、單片機實驗室及PLC系列實驗室，開設(shè)綜合類實驗室，可實現(xiàn)跨學(xué)科課程教學(xué)實驗，集成智能測量儀器、嵌入式設(shè)計機器人學(xué)等技術(shù)，同時結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等專業(yè)知識作為新發(fā)展方向，搭載前沿深度學(xué)習(xí)框架，將多學(xué)科理論知識相融合。基礎(chǔ)平臺可用于電子電路驗證、測試測量等教學(xué)；還可以搭配更多的實驗拓展板，幫助學(xué)生掌握經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論及智能控制等知識和技能，更好地服務(wù)于自動化專業(yè)實驗教學(xué)。

針對多維度融合，采用地面—井下、本地—云端、近端—遠(yuǎn)程、現(xiàn)實—虛擬等方式助力實驗教學(xué)體系。搭載專業(yè)基礎(chǔ)實驗、模擬礦井實驗、虛擬仿真實驗、礦山數(shù)字建模以及機器人開發(fā)設(shè)計等，多維度、更精確、更高效、更節(jié)能地實現(xiàn)模型構(gòu)建和解決實際問題。如將傳統(tǒng)的自動化專業(yè)實驗教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)特性相結(jié)合，融合遠(yuǎn)程教學(xué)、多平臺訪問、網(wǎng)絡(luò)化實驗資源等形成一體化教學(xué)解決方案。培養(yǎng)學(xué)生分析與改善實驗性能的能力，引導(dǎo)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)新型自動控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計。

針對多層次融合，利用基礎(chǔ)實驗基地、工程實訓(xùn)基地、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)基地和科研實驗室，滿足不同階段、不同層級的實驗設(shè)計需求，滿足學(xué)生四年專業(yè)方向階梯式學(xué)習(xí)，同時可助力部分?jǐn)M攻讀研究生的學(xué)生進階研究。提高學(xué)生的實踐能力、工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，為實現(xiàn)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)復(fù)合型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)提供支撐，同時輸送一批具有開拓創(chuàng)新能力的研究生隊伍。

針對學(xué)賽融合，在實驗課題中融入近年來學(xué)科競賽的各類題目，分組分類匹配實驗內(nèi)容，同時鼓勵學(xué)生參加全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、中國機器人及人工智能大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽、全國大學(xué)生嵌入式芯片與系統(tǒng)設(shè)計競賽等，達(dá)到以賽促學(xué)、延伸拓展的目的。

通過以上方式升級實驗教學(xué)內(nèi)容，打破實驗教學(xué)壁壘，整合優(yōu)化貫通實驗教學(xué)內(nèi)容，圍繞工程能力培養(yǎng)、工程思維養(yǎng)成和實踐應(yīng)用訓(xùn)練等，形成“五類型、五模塊、三平臺”實驗教學(xué)體系，如圖2所示。結(jié)合實驗教學(xué)模式、實驗教學(xué)管理以及教學(xué)體系實施，達(dá)到自動化專業(yè)人才全面閉環(huán)培養(yǎng)。

同時依托“兩性一度”“金課”理念［8］，以“專+思+創(chuàng)”為引領(lǐng)，在專業(yè)教育中融入課程思政，推進多學(xué)科知識交叉融合的新課程建設(shè)。思政鑄魂，包含家國情懷、科技前沿、工匠精神和專業(yè)關(guān)注等多方位思政元素［9］。加強學(xué)生學(xué)習(xí)自動化專業(yè)實驗課程，堅定學(xué)生從事數(shù)智化時代下的自動化相關(guān)行業(yè)的信念。

結(jié)語

綜上分析，數(shù)智化時代正在不斷重塑經(jīng)濟社會和高等教育的形態(tài)，加快了知識和技能的淘汰與更新，引發(fā)了知識獲取方式和傳授方式、教學(xué)關(guān)系的深刻變革。在此時代背景下，文章深刻分析了自動化專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的問題與挑戰(zhàn)，提出了實驗教學(xué)新理念、實驗教學(xué)新模式，并對實驗教學(xué)體系進行重構(gòu)。希望通過本文的分析，能夠為自動化專業(yè)實驗教學(xué)改革或是相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)方法和模式改革提供一種新思路。

參考文獻(xiàn)

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Exploration on Reform of Experimental Teaching System of Automation Specialty in the Era

of Digital Intelligence

GAO Rui， DU Jing-yi， HAO Shuai， ZHOU Qi-xun

（College of Electrical and Control Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an， Shaanxi 710054， China）

Abstract： Based on the internet， big data， artificial intelligence and other new-generation information technology integration， to promote the society towards the era of digital intelligence of human-machine collaboration， cross-border integration， co-creation and sharing， we have deeply analyzed the problems and challenges faced by automation professional talent training， put forward the experimental teaching concept of “one center and five integration”， and optimized the teaching mode to form the experimental teaching system of “five types， five modules and three platforms”， which can provide a better solution to the problem of human-machine collaboration， cross-border fusion， common creation and sharing. The experimental teaching system reconstruction can provide a strong guarantee for talent cultivation， better serve the experimental infrastructure construction of automation specialty， and provide some reference for the reform of related professional courses.

Key words： era of digital intelligence; one center five integration; practical teaching system; talent cultivation