具有行業(yè)特色的自動化專業(yè)課程體系建設(shè)與改革

摘" 要：隨著我國新工科建設(shè)的開展，高校的人才培養(yǎng)更加關(guān)注成果導(dǎo)向，強調(diào)學(xué)生能力的培養(yǎng)，特別是解決復(fù)雜工程問題的能力。為了適應(yīng)教育的發(fā)展以及社會的需求，該文以天津工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)為例，結(jié)合學(xué)校的行業(yè)背景，提出“傳承發(fā)展，多元協(xié)同”的專業(yè)建設(shè)思路，改革課程體系的建設(shè)，逐漸形成自動化與智能化相融合，新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的專業(yè)特色。同時，建設(shè)多元融合、多層次、立體化的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系，拓展實踐教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，促進學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科；人才培養(yǎng)模式；自動化專業(yè)；實踐教學(xué)；課程體系

中圖分類號：G642" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）11-0032-04

Abstract： With the development of new engineering education in China， universities are paying more attention to the outcome-based education and emphasizing on the cultivation of students' abilities， especially the ability to solve complex engineering problems. To adapt to the development of education and the needs of society， this paper takes the Automation major of Tiangong University as an example， combined with the industry background of the school， and proposes the development strategy of inheritance and development， diversified collaboration. The curriculum system is reformed， gradually forming the characteristics of the integration of automation and intelligence， the combination of new technology and traditional industry. At the same time， a multi-dimensional and multi-level practical innovation training system has been established， expanding the practical teaching mode and content， and promoting the cultivation of students' innovative abilities.

Keywords： new engineering; talent training mode; automation major; practice teaching; curriculum system

全球技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的快速變革，為各國的發(fā)展帶來了新的契機。我國的工程教育認證以及新工科建設(shè)正是這種培養(yǎng)模式變革的體現(xiàn)。各高校圍繞“以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”的新工科內(nèi)涵[1]，積極探索著新形勢下的人才培養(yǎng)模式[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展更迭，自動化專業(yè)越來越體現(xiàn)出學(xué)科交叉的特點，是新工科建設(shè)的主戰(zhàn)場[3]。而我國大多院校的自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)模式并不能較好地適應(yīng)這種變革發(fā)展的要求，主要存在以下問題。

一是傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式與學(xué)科快速發(fā)展、交叉融合之間的矛盾。近十幾年來，人工智能、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，給自動化相關(guān)行業(yè)帶來了更多的活力與機會。新工科的建設(shè)更加重視復(fù)合型、創(chuàng)新性、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。傳統(tǒng)意義上的人才培養(yǎng)模式，無法滿足寬口徑、厚基礎(chǔ)的專業(yè)培養(yǎng)要求，學(xué)生不能適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展的需求[4-5]。

二是自動化專業(yè)覆蓋的行業(yè)范圍很廣，缺乏行業(yè)背景會使學(xué)生對控制系統(tǒng)的認知和理解不足。對于具有行業(yè)背景或?qū)W科特色的院校，如何將這些特色、科研成果反哺到教學(xué)中，使學(xué)生對控制系統(tǒng)的理解具象化，加強學(xué)生能力、素質(zhì)的培養(yǎng)，是近來不少高校相關(guān)專業(yè)的探索方向[6]。

三是自動化專業(yè)對實踐能力要求較高，但是由于學(xué)生人數(shù)較多，設(shè)備更新慢等因素，導(dǎo)致了綜合性實踐以及企業(yè)實踐的缺乏，前沿技術(shù)實踐滯后等問題，嚴(yán)重制約了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)[7]。

圍繞上述現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式中存在的問題，針對國家重大戰(zhàn)略需求與新時代背景下對工科專業(yè)應(yīng)用型人才提出的新要求，天津工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)提出了“傳承發(fā)展，多元協(xié)同”的建設(shè)思路，通過對專業(yè)課程以及實踐教學(xué)體系的改革，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

一" 課程體系的建設(shè)思路

（一）" “傳承發(fā)展，多元協(xié)同”的建設(shè)思路

天津工業(yè)大學(xué)的紡織科學(xué)與工程為其“雙一流”建設(shè)學(xué)科。自動化專業(yè)的教師在紡織自動化領(lǐng)域有豐富的科研經(jīng)歷以及經(jīng)驗積累。根據(jù)學(xué)校的辦學(xué)特色，自動化專業(yè)相關(guān)課程中以自動化系統(tǒng)為核心，依托專業(yè)教師在紡織自動化領(lǐng)域的積淀，進行了課程體系建設(shè)。建設(shè)的思路為“傳承發(fā)展，多元協(xié)同”。傳承——在人才培養(yǎng)過程中借助行業(yè)優(yōu)勢，突出專業(yè)特色；發(fā)展——自動化領(lǐng)域的新技術(shù)、新知識與傳統(tǒng)行業(yè)的融合；多元協(xié)同——培養(yǎng)學(xué)生多元化實踐創(chuàng)新能力建設(shè)多層次的實踐教學(xué)體系。

（二）" 以一流課程建設(shè)為突破口，聚焦“兩前沿，四能力，一精神”的人才培養(yǎng)目標(biāo)

構(gòu)建以自控控制原理、傳感器與檢測技術(shù)、電機及拖動基礎(chǔ)等市一流課程為核心的專業(yè)核心課程建設(shè)。在課程建設(shè)中關(guān)注成果導(dǎo)向，融入前沿交叉知識和紡織智能制造前沿技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生分析判斷、解決問題、研究創(chuàng)新、工程實踐的能力，打造學(xué)生的工匠精神。將前沿的科研成果以案例的方式應(yīng)用于教學(xué)過程中，指導(dǎo)優(yōu)秀學(xué)生參與科研活動。引入企業(yè)導(dǎo)師，解決教師科研背景，行業(yè)、企業(yè)背景與課程教學(xué)關(guān)聯(lián)不強的問題。建立過程性的教學(xué)評價模式，重視學(xué)生分析創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

二" 具有專業(yè)特色的課程體系建設(shè)

（一）" 以紡織自動化為背景的多層次課程體系建設(shè)

圍繞解決紡織自動化復(fù)雜工程問題，以控制系統(tǒng)認知-分析-綜合-前沿技術(shù)為主線進行核心課程體系改革。

低年級的學(xué)生對控制系統(tǒng)的認知比較模糊，因此在大一的自動化專業(yè)概論以及專業(yè)認知實習(xí)課程中，通過典型紡織系統(tǒng)控制案例的介紹以及紡織企業(yè)的參觀認知，使學(xué)生了解控制系統(tǒng)的組成以及基本概念，對控制系統(tǒng)有了初步的認知，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

專業(yè)建立了紡織自動化案例庫，案例庫中共有6個典型的紡織自動化中的經(jīng)典綜合系統(tǒng)。每個綜合系統(tǒng)分解為多個模塊，例如系統(tǒng)建模、傳感器選型、驅(qū)動模塊設(shè)計和控制器設(shè)計等。各課程組對案例模塊進行統(tǒng)一規(guī)劃，作為各專業(yè)課程的教學(xué)案例。通過這些案例教學(xué)，學(xué)生能夠進一步理解理論知識，學(xué)習(xí)對實際系統(tǒng)模塊的分析方法，同時對紡織系統(tǒng)的了解逐漸深入。

專業(yè)在高年級開設(shè)了較多的綜合實踐課程。在紡織印染過程控制綜合實踐以及紡織自動化綜合實踐等綜合實踐課程中，將案例庫進行綜合，并依托天津市“紡織工藝與裝備工程實踐教育中心”及天津市“自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，完成案例庫中綜合系統(tǒng)的設(shè)計。

經(jīng)典的案例是傳承，但更需要發(fā)展。在紡織智能制造前沿課程、機器人控制技術(shù)等課程中，通過先進制造、智能控制、模式識別等最新技術(shù)在紡織行業(yè)應(yīng)用，使學(xué)生以此為窗口了解專業(yè)的發(fā)展方向。

通過以上方式，以紡織自動化為背景，建立了具有行業(yè)特色的多層次課程體系。體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1" 以紡織自動化為背景的多層次課程體系結(jié)構(gòu)圖

（二）" 以專業(yè)發(fā)展方向和區(qū)域產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，調(diào)整課程設(shè)置

針對京津冀支柱和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)對自動化類相關(guān)專業(yè)人才需求，以及專業(yè)“綜合性、實踐性、先進性、系統(tǒng)性”的突出特點，進行了課程設(shè)置的調(diào)整。調(diào)整后的課程強化了傳統(tǒng)專業(yè)與人工智能、大數(shù)據(jù)、智能機器人等供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的有機融合。主要表現(xiàn)如下。

設(shè)置了“智能機器人”的課程模塊。圍繞工業(yè)機器人的應(yīng)用，根據(jù)專業(yè)特點，開設(shè)了模式識別與機器學(xué)習(xí)、機器人控制技術(shù)以及自主機器人控制與實踐、智能機器人設(shè)計與控制虛擬仿真實踐等8門交叉融合的理論與實踐課程，將自動化與智能化緊密結(jié)合。

課程內(nèi)容的合理設(shè)置。為了協(xié)調(diào)新建課程群課程內(nèi)容與傳統(tǒng)專業(yè)課之間的前后續(xù)關(guān)系，解決課程間的知識冗余或知識孤島等問題，對所有專業(yè)課程大綱進行了統(tǒng)一規(guī)劃。在自動控制原理、傳感器與檢測技術(shù)、運動控制等課程的案例、習(xí)題以及實踐環(huán)節(jié)，將機器人的建模、信息檢測、控制器選擇及設(shè)計等融入，使傳統(tǒng)課程與“智能機器人”模塊課程內(nèi)容交叉融合，前者為后者的理論基礎(chǔ)，后者為前者的實際應(yīng)用，形成完整的知識體系結(jié)構(gòu)。

（三）" 強化了先進紡織自動化的理念

新工科要面向未來全面加快改革創(chuàng)新，紡織自動化也隨著新技術(shù)的出現(xiàn)帶來了新變革。在紡織智能制造前沿課程中，凸顯了先進紡織自動化的理念和技術(shù)。除此之外，專業(yè)的紡織案例庫有紡織疵點檢測與紡織巡檢、接線機器人兩個紡織智能控制技術(shù)的案例，虛擬仿真平臺中的“紡織車間物料搬運機器人系統(tǒng)”，為同學(xué)們提供了新的視野。傳統(tǒng)的行業(yè)與新技術(shù)有機結(jié)合，“智能化”促進了“自動化”的快速發(fā)展。整個課程體系呈現(xiàn)出了以行業(yè)特色為背景，并緊跟自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢的特點。

三" 完善實踐能力培養(yǎng)體系建設(shè)

本專業(yè)建設(shè)了“一個中心、三個結(jié)合和四個層面”的創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系以及“虛實結(jié)合、線上線下整合”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)。實現(xiàn)分層次立體化實踐體系建設(shè)。充分運用虛擬仿真平臺形象展示系統(tǒng)級知識，易于學(xué)生理解和掌握最新的交叉領(lǐng)域系統(tǒng)知識架構(gòu)。

（一）" 實驗實踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新能力體系建設(shè)

工科的實驗實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在長期的改革建設(shè)中，本專業(yè)逐步建立了創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，如圖2所示。該體系通過打造以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為中心，虛實融合、線上線下整合、校內(nèi)校外結(jié)合的實踐教學(xué)模式，構(gòu)建基礎(chǔ)技能層、專業(yè)提升層、綜合創(chuàng)新層、科學(xué)研究層的分層次立體化實踐體系。充分利用學(xué)院的實踐平臺，在實際解決問題中感受自動化相關(guān)技術(shù)在國民經(jīng)濟中所發(fā)揮的作用，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，滿足企業(yè)對自動化專業(yè)人才綜合實踐與創(chuàng)新能力的需求。

（二）" 構(gòu)建“虛實結(jié)合、線上線下整合”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)模式

隨著課程體系改革發(fā)展，實驗室的設(shè)備不足以支撐更多的創(chuàng)新性、綜合性的實驗。虛擬仿真平臺的建設(shè)有效地解決了上述問題[8-9]。本專業(yè)在天津市“自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的基礎(chǔ)上，不斷地開發(fā)建設(shè)平臺功能，從深度和廣度上都拓展和補充了現(xiàn)有實驗實踐教學(xué)內(nèi)容。

虛擬仿真實踐教學(xué)平臺從專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)課程實驗、專業(yè)綜合訓(xùn)練及前沿技術(shù)三個不同層次的教學(xué)環(huán)節(jié)入手，形成“演示認知型實驗-分析驗證型實驗-創(chuàng)新設(shè)計型實驗”的自動化專業(yè)虛擬仿真實驗實踐教學(xué)新模式，如圖3所示。

1" 紡織自動化虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗教學(xué)中心開發(fā)了“基于印染前處理生產(chǎn)過程”的自動化虛擬仿真教學(xué)平臺。將紡織生產(chǎn)過程的生產(chǎn)工藝技術(shù)、設(shè)備運行技術(shù)和生產(chǎn)過程管理技術(shù)等進行集成，模擬實際生產(chǎn)流程，并實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測、控制及優(yōu)化。圖4為印染前處理設(shè)備運動控制虛擬仿真系統(tǒng)，可以完成收放布卷張力控制綜合實驗、多軸同步跟隨控制實驗、糾偏控制實驗等。構(gòu)建了“虛實結(jié)合”的自動化工程實驗實踐教學(xué)模式。

在虛擬平臺上，從專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)、專業(yè)設(shè)計與應(yīng)用實驗教學(xué)、專業(yè)綜合訓(xùn)練及前沿技術(shù)實驗教學(xué)三個不同層次的教學(xué)環(huán)節(jié)入手，部署相應(yīng)的自動化虛擬仿真實驗教學(xué)資源，形成“演示認知型實驗-分析驗證型實驗-創(chuàng)新設(shè)計型實驗”的自動化專業(yè)虛擬仿真實驗實踐教學(xué)新模式，有效加強了對學(xué)生在工業(yè)生產(chǎn)自動化及相關(guān)領(lǐng)域的實踐和創(chuàng)新應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

2" 智能機器人設(shè)計與控制虛擬仿真平臺

為了配合“智能機器人”課程群的建設(shè)，專業(yè)還建設(shè)了“智能機器人設(shè)計與控制虛擬仿真平臺”，并基于此平臺建設(shè)了智能機器人設(shè)計與控制虛擬仿真實踐課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生理解并掌握機器人設(shè)計的基本方法，掌握機器人運動控制、語音交互、深度視覺、激光SLAM以及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)核心技術(shù)，通過完成項目內(nèi)場景綜合實驗項目，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。最終學(xué)生能夠根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗方案，利用仿真軟件完成實驗全過程，并驗證實驗方案的合理性，得到合理有效的結(jié)論，提高解決自動化和人工智能領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。

此外，該平臺通過構(gòu)建虛擬的ROS服務(wù)機器人和實驗場地，為教師提供實驗課程和教學(xué)管理平臺，為學(xué)生提供完全在線的學(xué)習(xí)和實驗環(huán)境。學(xué)生可以在線學(xué)習(xí)ROS系統(tǒng)機器人的組成、結(jié)構(gòu)、組裝以及重要組成部件的基本知識。同時提供SLAM建圖、導(dǎo)航規(guī)劃、機器人避障、機器人集群等多種開發(fā)場景，為學(xué)生課外活動、學(xué)科競賽、科研招募等提供了優(yōu)秀的平臺環(huán)境。

（三）" 課內(nèi)課外相結(jié)合，助力工程教育認證與新工科建設(shè)

虛擬平臺的開發(fā)及建設(shè)不僅對于課上實驗、實踐環(huán)節(jié)提供了有力的支撐，同時，同學(xué)們可以遠程通過網(wǎng)絡(luò)進行實驗實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，以及課外實踐活動，大大拓展了使用的廣度。隨著虛擬仿真平臺的不斷開發(fā)與完善，自動化專業(yè)的實踐教學(xué)將線上線下資源互補，充分利用了各自的優(yōu)勢。利用虛擬仿真教學(xué)資源開展線上實驗教學(xué)，讓學(xué)生在逼真工業(yè)場景中對所學(xué)知識進行運用，同時可以不受時間、空間以及設(shè)備的約束，有效提高了實踐教學(xué)的質(zhì)量及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與效果。

針對新設(shè)置的“智能機器人”方向，在課內(nèi)可以充分利用學(xué)院的智能車實踐平臺、機器人實踐創(chuàng)新平臺、科研創(chuàng)新平臺開展自動化專業(yè)相關(guān)的檢測、控制、模式識別相關(guān)的四層次實驗實踐教學(xué)活動；在課外結(jié)合智能機器人設(shè)計與控制虛擬仿真平臺可以選擇更多的綜合性設(shè)計實踐，促進了學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

隨著校內(nèi)外實習(xí)實踐基地建設(shè)的完善，天津市實驗教學(xué)示范中心、天津市自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心等投入使用后，為學(xué)生的學(xué)習(xí)搭建了更好更專業(yè)的實踐平臺，有助于啟發(fā)式、探討式教學(xué)，增強了師生之間的互動，學(xué)生實驗課的積極性和效果明顯提高。尤其是開展分層次教學(xué)以后，以學(xué)生為中心，根據(jù)各自特點培養(yǎng)，100%的同學(xué)完成基礎(chǔ)技能層的學(xué)習(xí)；75%的同學(xué)獨立完成能力提升層的學(xué)習(xí)，其余25%的同學(xué)在老師的指導(dǎo)下完成；65% 的同學(xué)通過團隊協(xié)作或老師的指導(dǎo)下完成綜合創(chuàng)新層的學(xué)習(xí)；借助科研招募計劃、師生合作項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等，近30%的同學(xué)能夠參與到科學(xué)研究層的工作。多層次的培養(yǎng)模式，既滿足了基本能力的培養(yǎng)，又滿足了同學(xué)個性化的需求，其成果也得到了多方的認可和大力推廣[10]。

四" 結(jié)束語

天津工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)在新工科建設(shè)和工程教育認證的背景下，以社會需求為導(dǎo)向，逐漸形成“自動化”與“智能化”交叉融合、新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相融合的專業(yè)特色。通過虛擬仿真平臺建設(shè)，將印染前處理生產(chǎn)線搬進實驗室，用逼真的真實場景做支撐，將生產(chǎn)實際與理論教學(xué)緊密結(jié)合，突破了傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)的限制。校內(nèi)外實習(xí)實踐基地建設(shè)的完善，支撐工程教育認證與新工科建設(shè)，助力學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 蔡銘，黃林，沖梁燕.新工科背景下人才培養(yǎng)模式改革的研究與探索[J].科教導(dǎo)刊，2022（2）：16-18.

[3] 文春明，李尚平，黃天星.新工科背景下提升自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的策略[J].高教論壇，2021（3）：65-67.

[4] 邵波，史金飛，鄭鋒，等.新工科背景下應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新[J].高等工程教育研究，2023（2）：25-30.

[5] 李衛(wèi)軍，邢延，蔡述庭，等.面向多學(xué)科融合的自動化類人才培養(yǎng)模式探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021（6）：31-37.

[6] 張紹杰，姜斌，陳謀，等.航空航天特色自動化專業(yè)人才融合創(chuàng)新培養(yǎng)與實踐[J].控制工程，2024，31（9）：1668-1674.

[7] 高東，吳重光，李大字，等.化工背景自動化專業(yè)實踐類課程智能化教學(xué)方法研究與實踐[J].高等工程教育研究，2024（2）：97-102.

[8] 張慧琴，李中凱.近十年我國高校虛擬仿真實驗教學(xué)研究發(fā)展述評[J].實驗室研究與探索，2024，43（8）：77-82.

[9] 夏宇棟，吳啟東，祝紅梅，等.虛實結(jié)合的計算機控制系統(tǒng)課程實驗平臺開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2024，43（10）：48-53.

[10] 劉丁，季瑞瑞，李少遠，等.自動化類專業(yè)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實施情況分析與思考[J].高等工程教育研究，2020（2）：76-80.