个性化自动化专业课程的建设

张 昕， 王 红， 杜 婧

(清华大学 自动化系， 北京 100084)

0 引言

近年来，我校自动化系以学科交叉培养、引导学生个性化成才、促进科技创新能力提升作为本科教育改革的主导理念，以此指导修订培养方案，提炼专业核心课程，建设国家级教学团队、国家精品课程和北京市专业实验示范中心等，取得了丰厚的成果，夯实了教学基础[1]。

本文在此背景下，基于我校自动化系正在开展的“丰富自动化专业课堂类型，为个性化培养创造空间”教学改革项目，重点讨论个性化专业培养的必要性、个性化专业课程建设具体内容以及拓宽个性化培养空间的教学改革项目实施效果[2]。

1 个性化专业培养的必要性

自动化专业的发展历程始终与社会重大需求紧密联系在一起，富有实践性、时代性、系统性和交叉性特征。

当今社会移动互联网的普及，改变了学生获取知识的方法；信息科技与各行各业的综合交叉，开创了全新的与自动化相关的科技与社会生活应用领域；国内信息化、工业化加速深度融合，进一步扩宽了自动化专业教学的视野；工业4.0促进企业转型，改变了工业自动化的面貌和90后的青年学子日益显现出活跃的个性化成才需求，逼使自动化专业教学必须进行更深层次的改革。尤其是进入互联网+时代，跨界能力且赋有个性化的培养成为了必然的趋势。

这种新时代要求培养的人才必须富有创新精神、批判精神，且个性化鲜明、具有求异特征、不墨守陈规、敢于挑战旧思维。如果还仅采用整齐划一、类似于流水式的培养模式和教学方法，就不能满足新时代创新人才培养的要求。因此，迫切需要积极倡导采用能体现个性化原则、注重个性化发展的培养模式和教学方法，以培养具有较强竞争力，能独特分析问题和解决问题的创新型人才。

我校自动化系一贯重视创新人才的培养，针对上述新的时代要求，充分认识到个性化培养的重要性，提出以建设在线、交叉、综合与挑战等新型课程为抓手，进一步丰富专业教学模式，向学生提供更多能满足个性发展需要的教学资源，向教师要求更能深刻适应个性化成才需要的教学内容和教学方法的改革，为个性化培养开拓更为广阔的空间[3～4]。

2 建设个性化专业课程

2.1 利用网络资源，建设在线精品课程

随着网络技术和应用的飞速发展，学生通过网络方式，根据个人的需求和知识水平，开展个性化的在线学习，已经成为越来越多在校大学生强化学习内容、扩充知识面、拓展思路的首选方式。我校自动化系在已有精品课程建设的基础上，分析了在线学习的特色，结合网络认知特点，采用“教学名师亲自担纲，教学团队分工合作，技术团队深入支持”的方式，以校内外学习者为中心，兼顾不同层次的学习需求，对原有的国家精品课程按不同难度进行分层规划，按知识点重新细分知识单元，对课程录像进行精品化制作，对教学辅助材料进行数字化加工，并发布在校内网络学堂上。以此为基础，共完成了4门在线课程的建设，包括两门在线MOOC课程和两门在线国家精品资源共享课程。

通过研究在线学习课程的特点，结合学科教学规律，在开展在线课程建设的过程中，采取以下一些措施：

(1) 共享课程以量大面广的高校公共基础课、专业基础课和专业核心课为重点，以高校教师和学生为服务主体，同时面向社会学习者，提供运用现代信息技术加工处理后，反映这些课程教学思想、教学内容、教学方法、教学过程的核心资源，不仅制成全程教学录像，还充实了教学活动必需的各种基础资源，并构建了适合在校学生及社会学习者进行在线学习和交流的网络学习环境。通过信息技术，结合网络认知特点，引导教师将课程内容按知识点重新梳理，形成碎片化结构，建立课程目录和知识点集合双重检索方式，使课程内容的共享和使用更加便捷高效。

(2) MOOC课程是互联网思维的教育应用，是一种基于网络的社会化自主学习课程。学习者在线通过课程微视频、微实验、作业、习题、考试等环节自主学习，教师及教学团队的作用转变为微课程建设和对学生在线学习的指导。这种方式对课程资源的要求很高，要符合短小精炼、高度聚焦等特点，以保证学习者收看效果。通过引导教师了解网络学习特点，与技术团队共同规划，将MOOC课程进行结构模块化设计、资源微形化划分，采用合理的媒体设计，增强表现度，减轻学习者认知负荷，提高学习质量。

2.2 结合专业特点，建设学科交叉课程

自动化学科是一门普适性科学，它不专属于任何一种工业或运动体, 但所有的现代工程都离不开自动化，然而任何自动化系统又必须与具体的工程相结合。近年自动化系在整合和优化专业课程的基础上，为学生个性化培养留出很大空间，利用多个交叉方向的科研积累，开设了“交叉项目综合训练”系统课程。该系统课程作为培养创新能力的“限选”环节，意在鼓励学科交叉发展，为学生开阔眼界，寻找感兴趣的方向，引导学生感受科研精神，体验科研训练。

下面进一步以其中的“合成生物信息学”课程为例，说明学科交叉课程的建设思路和方法[2～3]。

合成生物信息学是生命科学与信息科学高度交叉的新兴学科，强调系统设计、建模仿真与生物学实验的有机结合，需要控制科学、分子生物学等多学科知识与技能的交叉综合。该课程要求在对生命规律认识的基础上，利用工程学思想，通过人工方式设计、制造或改造DNA等生物分子来构建和优化生物系统，理解复杂生命现象。该课程教学内容包括动态系统建模、系统仿真、基础分子生物学和分子生物学实验等环节。该课程教师的学术背景应包含有生物信息学、合成生物学和分子生物学等，课程教学团队具有交叉学科研究背景和从事信息科学与生命科学交叉研究的丰富经验。该课程除理论教学外，同时还安排相应的实践环节，包括“诱导荧光系统的构建”和“生物震荡器的设计与建模”等。通过“诱导荧光系统的构建”实践，使学生掌握基本的大肠杆菌培养、质粒提取、转化和酶切等基本实验步骤；通过“生物震荡器的设计与建模”实践，使学生掌握使用微分方程等数学工具和应用软件对生物调控回路进行设计与仿真。在实验的基础上，组织学生开展讨论，要求每位学生从自己的专业角度出发，发表对课程知识的理解，这对提升学生的理论水平和素养很有益处。

该课程还组织学生参加国际遗传机器大赛(International Genetically Engineered Machine Competition)，这是一项合成生物学领域最具影响力的国际性大学生科技竞赛。竞赛要求学生自主选题，组队合作完成相应的理论建模和生物实验，对学生独立工作能力和团队协作精神是很好的锻炼，不仅能培养学生对从事交叉学科研究的热情，而且能有效地提高综合解决问题和应对复杂问题的能力。

该课程每年11月中下旬举办宣讲会，从本科二年级学生中筛选，入选春季学期课程，优秀者才可继续选修夏季课程，少部分上年度骨干成员将留在团队中，形成以老带新的课程学习梯队。该课程的考核由春季学期考核和夏季学期考核组成。春季学期考核以掌握生物系统的建模仿真基本知识和分子生物学的基本实验技能为标准，要求必须通过相关的知识测试。通过春季学期考核并获得优秀的学生可以继续选修夏季课程。夏季学期考核以完成特定的建模和实验结果为标准，要求必须通过相关的实验测试。课程最终成绩是春季学期考核和夏季学期考核成绩的综合。

2.3 加强企业合作，建设综合实践课程

我校自动化系历来十分重视实践教学，尤其重视为学生在企业深入实践创造更多的机会，从而将自动化工程实践一线的经验、知识、资源引入校内，弥补校内专业工程教育的短板。借助学校“卓越计划”创造的条件，自动化系近年建设了一门“自动化综合实践”课程，把大三夏季小学期的“专业生产实践”和大四的“综合论文训练”衔接起来，让有志于今后在企业进一步发展的学生有机会长时间持续深入地在企业实践。这些学生完成的综合论文训练选题来自企业实际，指导也有企业工程师参与，论文平均水平较高。

要求选课的学生必须真刀真枪地加入到企业自动化工程项目中，分担任务、承担责任，要求在企业工作相当长一段时间(半年以上)。课程学习采取过程管理和目标管理相结合的办法，学生每周至少要去企业1天时间，完成课题任务的同时要求写出技术报告。

2.4 坚持理论与实践并重，建设挑战性课程

依靠国家级精品课程“自动控制原理”的资源，建设挑战性课程“线性控制系统工程”。通过课堂循序渐进展示案例分析与设计，引入基本理论和设计方法，重点组织学生分组开展课内实验案例设计项目，帮助学生建立自动控制原理频域和时域完整的知识体系，培养学生从系统理论高度剖析工程控制问题的分析能力和综合运用理论知识解决实际问题的动手能力。

该课程建设具有以下三方面特色：

(1) 建设与工程接轨的控制系统设计平台，该平台突出系统设计技术的先进性，引入应用范围广的FPGA控制器作为实验平台的主体，外设通过USB连接不同的驱动执行器，如直流电机、交流电机、视觉机器人等。由于FPGA技术无需依赖操作系统，而且能支持控制系统设计快速成型，非常有利于培养掌握核心自主知识产权的创新型工程设计人才。

(2) 配置体现工程背景的案例设计单元，尽管控制原理有通用性，控制系统的设计与实现，却与拟解决的实际工程问题密切相关，其中对被控对象和控制系统的各个环节进行合理的抽象，并建立适合于控制系统设计的数学模型是学生需要具备的基本能力之一。案例充分反映典型工程背景的若干控制对象实体单元，为不同专业背景的学生提供选择的余地。案例的对象实体设置也为学生结合实际背景讨论控制系统设计方案、控制系统元件的选取等提供支持。初步规划的6个案例包括直流电机调速和位置控制、电力电子与交流调速控制、新能源系统控制、欠驱动机器人手臂控制和移动机器人平衡控制等。

(3) 编写引导学生开展案例设计指导书，为配合课程教学，改进学习控制原理的方法，该课程广泛参考国内外有关优秀教材和资料，编写课程指导书，以便学生课后自学。重点编写了贯穿课程教学全过程的移动机器人平衡控制演示案例，结合理论和方法的应用，详细示范控制对象的数学建模、性能指标选取、控制方案设计、控制器选择、控制方案比较及闭环控制系统实现，仿真与实验结果比较与分析等。

3 实施效果

我校自动化系自开展“丰富自动化专业课堂类型，为个性化培养创造空间”教学改革项目以来，收到很好的成效[2～3]。

3.1 建成共享课程，促使教学模式多样化

本科31门核心课程完成教学辅助资源数字化，并发布到校内网络学堂平台上，实现了基于数字资源的混合式教学。每年课程累计学习人数超过4000余人，每年课程总浏览次数超过25万次。两门精品课“电子技术基础”和“自动控制理论”，通过资源重组与结构化设计，通过了教育部精品资源共享课立项，为进一步促进校际资源共享奠定了基础。两门MOOC课程“模拟电子技术基础”和“线性系统理论”均作为清华大学面向全国开展的MOOC课程，发布在学堂在线网站上，为同类高校大学生和社会大众提供课程学习机会。

3.2 建成交叉课程，激发学生科研兴趣

“交叉项目综合训练”课程结合学生课外科技赛事开设了智能车、无人机、工业设计、合成生物学、仿人机器人学、空中机器人及大数据处理等多个方向的课程，从学生受益的角度看，主要效果有：

(1) 课程受众广泛，每学年有来自汽车系、工物系、计算机系、机械系、美术学院、数学系、交叉信息学院、生物系、化学系以及自动化系等十余个院系50余名学生选修该课程，体现了学科交叉特色。

(2) 初步建立了交叉课程团队，团队成员有来自计算机系、自动化系、工物系、汽车系、物理系、美术学院等多个院系的教师、助教和选课学生，还包括一些对科技活动非常热衷的老教授。与国内其他同类团队相比，交叉课程的团队具有涉足面广、研究深入、创新能力强等特点，具备冲击高水平赛事的软硬件基础和条件。

(3) 在高水平的交叉学科竞赛中取得许多优异成绩，曾获得ROBOCUP国际比赛人形组季军、国际空中机器人大赛Best target detection award和Freescale杯全国大学生智能车大赛华北赛区二等奖，以及国际遗传工程机器设计竞赛亚洲区金奖与亚太区“最佳任务完成奖”和“最佳静态展示奖”，并代表亚洲区赴美国麻省理工学院(MIT)参加iGEM世界总决赛。

3.3 建成综合实践课程，加强工程训练

“自动化综合实践”课程主要面向大三、大四的学生，每学期控制参加的学生数(20人左右)，在西门子(中国)研究院、金蝶国际软件集团有限公司、神州数码(中国)有限公司、京北方科技股份有限公司等处设有相应的综合实践基地。该课程将“专业实践”、“自动化综合实践”和“本科综合论文训练”三项实践环节紧密地结合起来，对培养学生综合实践能力起到积极的作用。

3.4 建成挑战性课程，激励学生学习志趣

开设的挑战性课程“线性控制系统工程”每学期接受学生30人左右，通过课堂循序渐进地展示案例分析与设计过程，重点组织学生分组开展课内实验案例设计，帮助学生建立完整的自动控制原理知识体系，培养学生从系统理论的高度分析复杂工程控制问题，引导学生运用理论知识解决实际问题。

4 结语

我校自动化系通过多渠道建设个性化专业课程，引导教师开展混合式教学、学生自主在线学习以及探究类教学活动，拓展学生的知识体系，为学生构建综合性复合型专业背景，发掘学生的学术志趣，引导学生开展研究性学习，为学生提供国际化学习和交流机会，培养学生的国际化视野，使人才的培养空间更加宽阔，教学模式和方法更加多样，学生收获也更为丰富，由此深深体会到个性化专业培养带来的效力。

通过这项教学改革实践，充分意识到专业人才培养要坚持“以人为本”的原则，要重视学生的主体性，强调个性化和多样化培养。

不同的学生有不同的成才发展空间，因此，我们深刻地认识到要加大课程的选择性和灵活性，以满足学生各自的兴趣、能力和志向的需求，有条件的话甚至可以量身定做个性化培养计划，包括依托实验室培养学生的动手能力和创新思维。