新工科形势下自动化专业实践教学的分层次培养模式探究

夏静萍,吴庆宪,姜 斌

(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106)

“创新驱动发展”、“一带一路”、“中国制造2025”等一系列国家重大战略对工科人才培养提出了新的需求[1].为此，教育部在“卓越工程师教育培养计划”的基础上，提出了新工科概念.随之而来的 “复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”进一步明确了新工科建设三部曲，以培养多元化、创新型、复合型的高素质工程人才为目标，开拓了工程教育的新路径[2-6].

南京航空航天大学自动化专业于2012年和2013年先后被评为江苏省和教育部卓越计划建设专业，2016年通过“工程教育专业认证”，一直在践行工程教育[7].在新工科的形势下，自动化专业的实践教学，作为工程教育的关键环节，面临着全新的挑战和机遇.钟登华院士指出“新工科必须把培养时代和未来的创新型卓越工程人才摆在更加突出的战略位置”[1].而传统的实践教学采用“一刀切”式的培养模式，不利于提高型和创新型学生的培养.因此，以学生为本，推行实践教学的分层次培养模式势在必行.

1 确定多元化培养目标

在探索分层次培养模式时，首先基于OBE(Outcome based education)的先进教育理念，以学生为中心，从培养目标出发，对实验教学环节进行反向设计和改革[8-10].

传统的实验教学忽略学生之间的个体差异，采用统一的培养模式，培养目标更注重对理论基础的夯实，动手能力的培养等方面.而在分层次培养模式下，教学更加灵活，既兼顾了学生个体间的差异，又能够对学生的设计能力和思维能力提出了更高的要求.依据学生每个阶段知识掌握程度和能力差别，将培养目标划分为：“基础型”、“提高型”、“创新型”.并从“实践能力”、“设计能力”和“思维能力”三方面都提出了不同的要求，细化目标如表1所示.通过建立多元化的培养目标，有利于满足不同层次和不同学习阶段的学生需求，尤其是为优秀学生能力提升指明了方向.

2 整合实践教学资源

实践教学资源是开展实验教学的必要保障.依托优势学科，整合多元化实践教学资源，打造“研教结合、虚实并进”的综合实践环境，最大限度发挥在学生实践能力培养、科技创新引导等方面的作用.目前已有的实践教学资源包括三大类：①示范实验中心：包括电工电子和电气工程和自动化在内的2个国家级实验教学示范中心及部分省级示范中心等.利用实验中心，重点打造本专业基础课程的实践条件[11-12]；②重点实验室：包括先进飞行器导航、控制与健康管理技术等多个省部级重点实验室.基于重点实验室，为教师将科研成果转化为教学资源提供了平台，促进科研资源向教学资源转化，也为本专业的学生专业素质和实践能力培养提供了有力的支持；③实践基地：发挥产学研优势，共建7个创新实践基地、创新实践工程，为培养学生创新实践能力提供平台.同时与国内外知名企业合作，共建校企联合实验室/实训基地，促进了培养与需求的对接；④虚拟仿真实验平台：如飞行控制模拟仿真平台，飞行器与实体实验平台相互补充、相互衔接，进一步拓展教学领域，丰富教学内容.

表1 多元化培养目标

3 构建“夯实基础、提升设计、启发创新”的递进式实践教学体系

在丰富的实践教学资源的基础上，构建“夯实基础、提升设计、启发创新”的递进式实践教学体系，如图1所示.依托国家电工电子实验示范中心和电气工程和自动化国家级实验教学示范中心，开展“电路、模电、数电”等系列基础实践系列课程、“自动控制原理”等专业核心课程实验及航空航天特色实验巩固学生的理论基础，强化基础实践能力的培养；基于专业重点实验室开展“自动控制原理课程设计”、“专业综合设计”等综合实践课程进一步实现学生的综合设计能力的提升；利用开放实验室、科创基地、实践基地等实验资源，将“科创活动”、“科技竞赛”纳入实践课程体系，体现新技术、多学科融合，为学生提供自由探索和自主研学的平台，以赛促学、以赛促练，使学生的创新实践能力得到大幅提升，在全国电子设计大赛和挑战杯大赛等科创竞赛中取得佳绩.

4 实践分层次实验教学模式

实践教学的分层次培养的关键是要尊重学生之间的差异性，打破统一培养模式下，学生按照既定的实验目标、实验方法和实验步骤即可完成实验.因此，针对课程实验，突出工程背景，以学生为本，打造了基础型-提高型-创新型分层次实验教学模式，如图2所示.在传统的基本技能培养和强化的基础上，以问题牵引的方式，引导学生分析并解决实验问题.而提高型的授课层次，则在强化设计能力的基础上，在教学中赋予学生更多的自主性，让学生参与到实验方案的设计中，通过自主设计、提出实验方案，进一步提升思维能力.而在创新型授课层次，则是基于工程实践平台，以工程问题作为导向，启发学生的创新思维，拓展学生的工程思维能力和创新能力.

以专业实验课程“自动控制原理实验”为例，该课程以不同实验设备为载体，面向普通班、卓越工程师班和培优班3个层次的学生，量身打造了基于MATLAB软件的“数字仿真实验”、基于模拟学习机的“模拟仿真实验”和基于电机伺服系统的“物理系统实验”的多元化递进式的实验内容[13-14]，如图3所示.利用MATLAB软件开设数字仿真类实验，培养学生对控制系统的数字化设计能力；进一步，开展模拟仿真实验，让学生设计、搭建并分析控制系统的仿真电路，锻炼学生的动手操作能力，帮助学生初步建立工程意识；而物理系统实物型实验则为学生提供了解决实际工程问题的实验平台，切实培养学生的工程实践能力和工程意识.学生根据自身能力和兴趣自选实验设备及配套实验内容，如“数字仿真+模拟仿真”、“数字仿真+物理系统”、“数字仿真+模拟仿真+物理系统”等多种实验组合.教学中配合以任务驱动式和PBL相结合的教学方法[15-16]，通过设置切实可行的实验任务和实验问题，引导学生探究并完成实验，既激发学生的求知欲，又满足了不同层次学生的需求.

5 结语

新工科建设的背景下，以自动化专业的实践教学为例，以学生为中心，正视学生个体的差异性，从培养目标、实践资源、培养体系和教学模式4方面着手，探索了对分层次实践教学新培养模式，形成了“夯实基础、提升设计、启发创新”的新思路.摈弃“一刀切”式的分层次培养模式，能够有效提升人才培养的新高度，为创新型、卓越工程型人才培养打通了渠道.