新工科背景下机类专业自动化课程教学改革与实践

张东波 李明海 李 军 席 巍 刘长青

（北京联合大学机器人学院 北京 100020）

0 引言

随着新科技革命的发展和产业变革，传统的工程教育已远远不能适应新兴产业和新经济发展对新工科人才的需求，高等工程教育面临全面和深刻的改革和创新。

在此背景下，复旦大学于2016年提出了新工科建设理念。随后，从教育部到各大高校，开始积极推进新工科建设工作。针对新工科建设目标，我国中科院院士、复旦大学副校长包信和提出“新工科就是科学、人文、工程相互交叉，就是复合型、综合型人才的培养[1]。”对于如何建设新工科，我国工程院院士、天津大学校长钟登华提出：“新工科”建设应着眼于国家“两个一百年”的战略目标阶段推进，需要重点把握学与教、实践与创新创业、本土化与国际化三个任务，实现立法保障、扩大办学自主权和改革教育评价体系[2]。

新工科教育改革包括两个大的方面，一是建设新兴的工科专业或专业方向，二是根据新工科教育范式的框架改造现有专业。对于大多数高等院校，新工科建设的主要内容就是围绕现有专业的课程改革进行展开。

姜晓坤等人提出：以应用为导向，以学生为中心，借助于持续改进的课程体系，推动新工科人才知识结构在不同知识领域交叉融合，打破学科领域固有的界限[3]。例如，北京联合大学机械工程专业的《工业自动化技术》课程涵盖计算机技术、检测技术、电机驱动、常用低压电器、可编程控制技术、网络技术和上位监控技术等内容，涉及多学科交叉及融合，其内容随着新科技革命的发展而不断更新，属于典型的新工科课程。本文借鉴人才素质培养理念，以北京联合大学机械工程专业的《工业自动化技术》课程为例，探讨新工科建设背景下现有专业课程改革。

1 融合创新范式在课程改革中的应用

新工科教育范式是新工科教育改革的核心任务之一。自20世纪90年代提出“回归工程”范式，至今已经有20多年的探索和实践。汕头大学执行校长顾佩华在参考吴爱华和李茂国等人关于新工科理论的基础上，提出工程教育从“回归工程”方式向“融合创新”范式转变，以新理念、新模式、新质量、新方法和新内容作为新工科教育基本内容，构建新工科专业或改造现有专业，培养满足学校服务的产业发展需要的工程技术人才。本文以《工业自动化技术》课程为例，按照融合创新的新工科教育范式，进行课程改革探讨。

1.1 面向产出的OBE教育模式

传统的工程教育是面向课程的教育模式（CBE），在该模式下所培养的学生远远不适应日新月异的时代发展，迫切需要使用新的教育模式替代。

新工科教育模式需要在总结国内工程教育改革经验的基础上借鉴国际成功的工程教育模式，从而创建具有中国特色的高水平人才培养模式。在工程教育新模式的探索中，汕头大学率先将面向课程的传统教育模式转换成面向产出的教育模式（OBE），并取得喜人的成果。

OBE（Outcome-based Education）也称成果导向教育、能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育，最早于1981年由Spady等人提出，现《华盛顿协议》已将其贯穿于工程教育认证标准的始终。我国目前已由汕头大学为试点向全国高等院校进行推广，而机类自动化专业的工科课程尤其适合面向产出的OBE教育模式。

1.2 “以学生为本”的教育理念

面向产出的OBE教育模式，应用“以学生为本”的教育理念，该理念贯穿整个工程教育改革各个环节。北京联合大学机械工程专业的《工业自动化技术》本科课程，就是基于面向产出的教育模式和以学生为本的教育理念进行工程教育改革。

北京联合大学根据国家发展政策和广泛调查，获得国家社会及教育发展需求，以及行业产业及职场发展需求，然后综合国际工程专业认证的要求，确定本校办学定位和人才培养目标，明确学生的毕业要求，最终制定人才培养计划和课程体系。

根据办学定位，北京联合大学机械工程专业确定的培养目标是：面向国家及首都经济社会发展需要，培养术德兼修、知行合一，实践能力强、工作作风实，具有较强的社会责任感、创新创业精神和可持续发展能力，具有较宽厚的基础理论和较扎实的机电产品创新设计、自动控制、智能化技术等方面的专门知识，能在机器人、智能装备等高新技术成果转化、技术转移和技术服务领域从事设计、生产运行、科技开发及技术支持与服务等方面工作的符合国际化标准德才兼备的高素质应用型专门人才。

为了真正体现“以学生为本”的教育理念，在培养目标的基础上，进一步明确了机械工程专业的毕业生在各个方面的具体要求。例如，对于《工业自动化技术》课程，要求学生完成该课程学习后能够应用所学理论知识分析工程领域内复杂工程问题；能够运用科学方法针对复杂工程问题进行研究，并得到合理有效的结论；能够针对复杂工程问题设计解决方案和工艺流程，体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素；能够使用现代工程工具和信息技术工具对复杂工程问题进行模拟，并能够理解其局限性；具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任；能够在团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色；能够就工程问题与他人进行有效沟通和交流、撰写报告、陈述发言、清晰表达；具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

1.3 项目驱动并引入微课资源的教学方法

在面向产出的OBE教育模式和以学生为本的教育理念指导下，根据培养计划，制定详细的课程内容和学习结果，形成《工业自动化技术》的教学大纲。根据教学大纲课程内容和学习结果的要求，整合教学资源，采用恰当的教学方法和先进的学习工具，完善机械工程专业的人才培养体系。

OBE教育模式要求以学生为中心，主动学习，根据学生的反馈结果，不断持续改进教学和学习过程。基于此，《工业自动化技术》课程采用以项目驱动为主的教学方法，即课程教学过程中，围绕具体项目实例，由教师布置项目分解任务和要求，学生以小组为单位主动学习相关知识并按要求逐一完成项目分解任务，通过课堂或网络等途径反馈学习结果和项目成果，教师以指导和评价为主，最终完成整个项目任务，同时也完成了课程教学。

在教学过程中，按照新工科人才培养模式，《工业自动化技术》课程面临课时严重不足的现状。对于这种情况，林健[6]曾提出，要将课堂教学和课外学习作为人才培养环节互为补充的两个部分，一方面通过线上学习和课下学习提高课堂教学的有效性，另一方面要鼓励并创造条件引导学生利用社团活动、科技竞赛、创新产业实践、专业社会实践等多种方式进行理论联系实际，开展实践能力、应用能力和专业素养的培养。

对于《工业自动化技术》课程改革，课堂教学侧重课程背景、课程所涉及的概念和原理以及工业自动化项目设计流程及注意事项的输出，引导学生独立完成自动灌装生产线项目。教师将课程所涉及的内容和自动化项目实例设计过程以微课资源的形式提供给学生，而学生在课外则通过微课资源的深化学习，并利用实验室所提供的设备，按照项目设计步骤逐步完成分解任务，从而完成整个工业自动化项目设计过程。在课堂上，学生按小组展示任务完成情况，教师给予点评和引导。

通过这种改革，课程教学不再局限于课堂上教师的讲授和学生的被动接受，而是将课堂与课后融在一起，充分发挥学生的主观能动性：教师在课堂上引导并提出问题，学生通过课后微课资源的学习、小组讨论和课后实践完成任务并解决问题；学生通过课堂上展示课后完成的任务及成果，再由教师给予点评并加以引导。如此循环递进，大大提高了学生学习的效率和工程实践能力。

1.4 与实际工程项目设计接轨的教学内容

由于教学大纲所确定的教学内容是通过广泛调查相关产业领域的社会需求和职业需求而确定的，故实际教学过程中所传授的课程内容直接与企业工程项目接轨，可将知识点直接融合到某一实际工程项目中。例如，《工业自动化技术》课程以自动灌装生产线项目设计为主线，按照项目设计的步骤，循序渐进地逐一实现分解任务，最终实现整个项目功能。该课程的教学设计思路如下：

（1）通过展现实际工业自动化领域的具体工程项目，引出工业自动化技术所包含的三大方面：可编程控制器技术、工业网络技术和上位监控技术。

（2）结合所给项目实例，给出工业自动化项目设计主要步骤：项目分析、项目总体方案设计、硬件系统设计、软件程序设计、上位监控系统设计、联机调试、项目归档。其中，硬件系统设计、软件程序设计和上位监控系统设计还融合了网络通信设计内容。每一主要步骤又包含了具体的详细步骤和注意事项。

（3）以自动灌装生产线项目为例，提出项目设计目标及功能要求。学生分组完成项目分析和总体方案设计，教师给予指导和评价。

（4）根据项目设计步骤和项目功能分解，制定循序渐进的小任务，小任务中既包含基本功能要求，又包含高质量标准要求，以适应不同程度学生。学生每完成一项功能，就能收获一份成就感，从而激发学生过关斩将般完成课程学习，最终达到良好的学习效果。

1.5 虚拟仿真实验和实操训练结合

机类自动化专业的专业课程通常都是实践性比较强的课程，《工业自动化技术》等课程更为典型，要达到教学目标，教师演示指导和学生进行项目设计等环节，均依赖相应的自动化实验装置。由于实验装置和实验场地有限，无法完全满足学生使用实验装置进行学习和项目设计的需求。而目前网络技术快速发展，智能软件开发水平不断提高，不断涌现出符合实际工程的虚拟仿真软件。故可以借助虚拟仿真软件模拟实验装置，发挥虚拟仿真实验的优势，并与实际实验装置进行功能互补，实现虚实结合、线上和线下混合教学，则可以充分利用有限资源，提高教学效果，达到教学大纲对人次培养的要求。

1.6 体现工程教育质量标准的质量评价

对本科毕业生在分析、研究、设计、职业规范、沟通、团队合作和学习等方面的要求，制定相应的体现工程教育质量标准的质量评价体系。

本课程对学生的质量评价包括过程评价和考核评价。

过程评价主要体现在以项目引导和任务驱动的教学过程中，学生以小组为单位完成分解任务后，在课堂上展示成果，教师针对学生分析和研究工程任务的方法和结果，针对设计的解决方案和工艺流程进行评价和指导（涵盖创新、社会、健康、法律、安全、文化、环境、人文社会科学素养、社会责任感、职业道德规范等因素）。

2 结束语

本文在顾佩华提出的“融合创新”的新工科范式的基础上，结合北京联合大学机械工程专业，以《工业自动化技术》课程为例，从新理念、新模式、新质量、新方法和新内容方面谈现有专业的新工科课程改革，从而满足产业发展对工程技术人才培养的数量和质量要求。

课程改革应用“面向产出”的OBE教育模式，使用以项目引导和任务驱动的教学方法，并借助于微课资源的教学形式，将传统教学中学生被动学习完全转变为学生课上课下主动学习，真正体现“以学生为本”的教育理念。

利用微课资源，学生可以随时重温和深入学习课程内容，使教师不再为课堂上单向的知识传授而劳累，而是针对不同层次的学生给予不同程度的引导，真正发挥答疑解惑的功能。

教学内容以实际工程项目设计为主线，培养学生运用所学知识和方法解决实际问题，考虑工程问题细致而全面，通过实际工程项目设计，提高学生的工程素养，培养学生项目分析、设计、创新、实践、团队合作、沟通交流、文档书写等能力。

在实验和实践环节，利用相关虚拟仿真软件完成实验和实践环节的仿真实验和项目设计，并利用实际实验装置和设备进行实操、项目调试和技术维护，使教学资源得到了有效利用，并培养了学生理论联系实际、工程应用、诊断维护和工程创新等各方面综合能力。

通过对照毕业生要求进行的项目设计考核方式，对每一位学生进行严格把关，从而使顺利毕业的学生能快速满足社会和产业发展需要。

通过上述的课程改革，北京联合大学机械工程专业的自动化类课程教学效果明显好于传统教学，学生的工程应用、实践和创新等能力得到很大提高，并得到用人单位的一致好评。