新工科建设背景下机械电子工程专业优化研究

王美琪 张婉洁 郁洋 曹京亚

[摘 要] 在新工科建设的背景下，以石家庄铁道大学机械电子工程专业为例，介绍其在人才培养模式中的探索，包括制定具有鲜明行业特色的培养目标与培养方案;基于工程教育专业认证理念，通过分块设计、指标量化等方式设计课程体系;探索铁路行业背景下的机电类人才“产出导向”培养模式，促进专业教学质量的持续改进和提高;优化课程体系，建设特色核心课程群;以建设国家一流课程为导引，利用混合式教学资源打造精品课程;结合学校在铁路建设中的贡献，推进课程思政建设。

[关键词] 新工科;机械电子工程;人才培养;教学改革

[基金项目] 2019年度石家庄铁道大学高等教育教学研究项目“新工科背景下的机械电子工程专业优化与升级研究”（Y2019-2-12）

[作者简介] 王美琪（1988—），男，河北唐山人，工学博士，石家庄铁道大学机械工程学院机械电子工程系主任，讲师，主要从事车辆动力学与控制研究;张婉洁（1986—），女，河北石家庄人，工学博士，石家庄铁道大学机械工程学院讲师，主要从事非线性动力学研究;郁 洋（1989—），男，山东泰安人，工学博士，石家庄铁道大学机械工程学院讲师，主要从事预测控制系统研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）15-0025-04 [收稿日期] 2021-09-08

引言

为应对新一轮科技革命与产业变革，支撑与服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，教育部提出新工科建设与研究的要求。2017年形成的“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，共同构成了新工科建设的“三部曲”，开拓了工科教育改革新路径[1]。2018年3月，教育部办公厅发布《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》，新工科专业改革类项目中，与机械电子工程专业相关度较大的项目占总数的14.6%[2]。机械电子工程（简称机电）专业是在机械、电子、控制和计算机科学等学科基础上建立起来的跨学科专业，俗称机电一体化专业，智能化发展是机械电子进入新时期的重要标志。一方面，光学、通信技术等进入了机械电子，微细加工技术在机械电子中得到广泛应用，发展出了高精密的机电控制设备;另一方面，深度学习、智能优化等新技术逐渐与传统的机电设备相结合，为产业升级提供了强大助力。在未来十几年内，机电专业技术人才需求旺盛，被列为经济社会发展急需的工程技术人才之一。新工科建设是以智能制造、人工智能、机器人技术等用于传统工科专业的升级改造，而机械电子工程专业正是将机械与电子、控制、计算机等学科相融合，适合进行新工科的升级改造研究。因此，结合新工科建设背景，探索机械电子工程专业优化与升级改革具有重要的现实意义。

一、石家庄铁道大学机械电子工程专业发展现状

石家庄铁道大学机械电子工程专业源于学校的工程机械专业。1950年中国人民解放军铁道兵工程学院建校，成立了机械训练队，1954年设机械专业;1981年改设为工程机械专业，1998年根据国家颁布的新专业目录，更名为“机械设计制造及其自动化专业”，机械电子工程为专业方向之一，2003年获得机械电子工程专业工学硕士学位授予权，2017年独立招收第一届全日制本科生。机械电子工程专业办学宗旨为立足河北，服务京津冀，面向全国，紧密围绕地方经济发展和铁路建设及运营需求，具有鲜明的行业特色，以培养机械、铁路与交通三大行业及区域经济发展的工程技术人才为己任，学校在长期的办学实践中，始终坚持“严谨治学、勇于创新、精心育人、志在四方”的校风，秉承“质量第一、内涵发展、特色取胜、追求卓越”的办学理念，突出“军魂永驻，校企结合，育艰苦创业人才”的办学特色，培养具有国际视野、家国情怀、实践能力和创新精神的高素质复合型人才。机械电子工程专业在培养学生具备扎实的机械工程知识的同时，加强电子、计算机、自动化技术的教学，培养基础扎实、知识面宽、能力强、具有创新精神和较强实践能力的高级应用型技术人才。

石家庄铁道大学作为行业特色型大学，以轨道交通行業为依托，围绕行业发展，长期坚持服务国家及地方重大工程需要，面向国内外交通基础设施建设和高端交通装备制造领域的工程需求开展科技攻关、技术服务，形成了隧道掘进装备设计理论及关键技术、机械系统动态设计与优化、车辆系统动力学与控制、机械装备状态监测与故障诊断等特色鲜明的研究方向，形成了具有自身特色、相对完整的学科体系，为机械类学科的新工科建设奠定了坚实的基础。机械电子工程专业师资队伍不断扩充，教师学缘结构丰富、年龄结构合理。现有在编专任教师32人，其中教授7人，副教授9人，具有博士学位的教师26名。教师队伍中有河北省教学名师1人，河北省“三三三”人才工程3人，河北省省管专家2人;所有教师均具有工程相关经历或研究背景。拥有河北省重点学科、河北省重点实验室、河北省协同创新中心、河北省工程技术研究中心、河北省与央企合作共建重点实验室、河北省省级实验教学示范中心。本文在新工科建设与OBE理念的指引下，从课程体系和教学改革两方面提出本专业的做法及改革思路。

二、基于OBE理念的课程体系

课程体系的设计始终坚持“以学生为本”，以及“通识教育基础上的宽口径专业教育”与“厚基础+专业特色”的人才培养模式，密切结合机械电子行业产业发展需求和学校铁路行业特色及本专业的培养目标和毕业要求，在征询行业企业专家意见的基础上，从通识教育、专业基础和道德素养三个方面构建学生的知识结构。以2017级培养方案为例，本专业课程设置涉及以下问题。

（一）分块设计

课程体系包括四个模块，即通识与公共基础课程、学科基础课程、专业基础课程和专业课程。通识与公共基础课程中的必修课按照教育部高等学校教学指导委员会的一般要求统一设置，着重于学生综合素质的培养，包括人文与社会科学、体育和外语类课程，帮助学生拓宽视野，树立正确的历史观、人生观和价值观。选修课主要包括哲学、文学与艺术类、经济、管理与法律类、工程技术类等课程。学科基础课程包括数学类、物理类、化学类的理论和实践课程，为学生继续学习提供基础知识与基本理论，培养学生的基本能力与基本素质。专业基础课程包括力学类、电工电子类、制图类、机械基础类、管理类等理论和实践课程，为学生奠定扎实的专业知识基础。专业课程类包括专业课程、专业集中实践环节及毕业设计（论文）等理论和实践课程，培养专业学生掌握机械电子工程领域的理论知识和相应技能，知晓机械电子工程领域的先进技术和发展情况，具备解决机械电子工程领域内实践问题的知识和能力。

（二）指标量化

各个模块有对应的学分限制，并使得总体培养方案能够满足普通高等学校本科专业类教学质量国家标准与工程教育专业认证标准的最低要求。明确每门课程所支撑的毕业要求指标点的贡献，并在期末考试出题时严格按照大纲所预设的比例，考试后计算各门课程的达成度，并在下一轮授课中进行改进。

（三）课程目的

通识与公共基础课程模块中的数学与自然科学类课程主要培养学生应用数学和自然科学的能力。通识与公共基础课程中的人文社会科学类通识教育课程使学生在进行机械电子工程设计时，能够考虑经济、环境、法律、伦理等各种制约因素。学科基础类课程、专业基础类课程与专业类课程模块则是培养学生的设计和实现能力。在学科基础类课程、专业基础类课程与专业类课程模块中设置完善的实践教学体系，强调结合本专业的工程实际问题，通过与企业合作开设实习、实训，培养学生的工程意识、协作精神及综合应用所学知识解决复杂问题的能力，培养学生的动手能力和创新能力。

（四）校企合作进行课程体系设计

本专业在课程体系设计过程中，由专业任课教师及铁路行业专家共同讨论完成。行业专家根据大型工程建设、铁路车辆及大型施工机械的设计制造、运用维护等方面的人才需求，提出相应的课程体系建议，使得机械电子工程专业所培养的学生能够具备企业所需的各类知识和能力。

三、教学改革

（一）探索铁路行业背景下机电类人才“产出导向”培养模式

本专业坚持“学生为本、产出导向、持续改进”的理念，以“解决复杂工程问题”的能力为导向整合课程体系及教学模式，积极探索基于“产出导向”的铁路行业人才培养模式。从学校的定位、历史和本专业在铁路行业中的优势，以及河北省和铁路行业发展对机电一体化人才的需求进行分析，制定本专业培养目标及培养方案，培养方案中设置包括动车组概论、铁道概论、高速铁路技术、盾构和TBM、大型机电设备控制系统等一系列与铁路行业背景相关的课程。通过在导论课上的宣讲，使学生知晓本专业的培养目标;通过对毕业要求指标点达成度的分析，促进各课程支撑各项毕业要求指标点的达成;通过中国中铁、中国铁建、中国建筑、中国交通建设、中国中车等一系列用人单位及毕业生的反馈意见，采取相应措施，调整课程内容和课程体系，促进专业教学质量的持续改进和全面提高。

（二）优化课程体系，建设特色核心课程群

在教学过程中，加强专业特色课程和精品课程为引导的高质量核心课程群的建设，以点带面带动课程教学内容和方法的改革。优化理论主干课程体系结构，为防止各课程间的教学内容重复，重组现有专业课程，优化调节每学期的教学内容和学时;确定机械类与机电控制类课程的主干课程，建设包含机械原理、机械设计、互换性与测量技术基础、工程材料与成型技术基础、机械制造技术基础的机械设计基础课程群，以及包含控制工程、测试技术、微机原理及应用、机电传动控制、计算机控制技术基础、可编程控制器原理的机电控制类课程群;严格筛选教学内容，增加与铁路行业背景相关的教学内容。在限选课程中设置两个方向，大型工程机械方向包括“盾构与TBM”和“工程机械”，突出石家庄铁道大学机械工程学院在铁路领域的工程机械特色;控制方向包括“现代控制理论”“嵌入式系统设计与应用”“数字信号处理技术”，供对控制方向更感兴趣的学生选择。同时本专业是机械、电子、计算机、自动化技术综合性的专业，非常适合与智能科学及智能制造相结合，已开设了“机器人技术基础”课程，讲授机器人机械结构、传感器、驱动系统、控制技术、通信技术和电源技术，各类机器人的结构组成、工作原理与应用;开设了“人工智能应用”课程，讲授人工智能的知识表示方法和高级知识推理、人工神经网络、模糊计算、智能优化算法、专家系统、自动规划等。

（三）以建設国家一流课程为导引，打造精品课程

积极推进以一流课程为目标的课程改革，开展线上线下混合式教学，自专业成立以来陆续建成了国家级线上线下混合式一流本科课程及省级课程思政示范课“专业制图”、河北省在线开放课程“CAD建模技术及应用”、河北省精品在线开放课程“工程机械”等多门精品课程，利用混合式的教学资源，线上线下相结合，学习时空不受限，培养学生主动思考和学习的能力，促进专创融合，提高学生的创新能力。

（四）推进课程思政建设

机械电子工程系开展了全员课程思政建设的活动，在教学过程中，重点培育学生踏实严谨、吃苦耐劳的品质，使其树立正确的世界观、人生观、价值观，激发其爱国情怀。2020年新增两项校级课程思政示范课，分别为“测试技术”与“微机原理及应用”。机电系教师将课程思政全面融入专业课中，利用校友亲自参与设计研发的各类装备实例进行专业课的思想政治教育，如在“大型机电传动控制”课程中引入实际案例，其中架桥机[3]、TBM[4]、盾构[5]、高铁装备[6]等这些设备的设计制造，大型基础建设的施工当中都有校友的贡献，激发学生对于国家的热爱之情和专业自豪感，也鼓励他们在学校期间充分利用时间，珍惜机会，学好本领，以便为国家的发展做出自己更大的贡献。

（五）教学改革成果

专业成立以来，激励教师进行教学研究和教学改革，2020年机械电子工程专业教学团队被评为“河北省优秀教学团队”，并获得多项教学改革项目资助与奖项，包括教育部新工科研究与实践项目、河北省高等教育教学改革研究与实践项目、河北省创新创业教改项目、河北省课程思政示范课程、河北省虚拟仿真实验项目、河北省教学成果二等奖、石家庄铁道大学课堂教学改革团体。通过上述改革举措，坚持夯实专业基础和鼓励创新实践并举，注重学生科技创新能力的培养，学生能力得到明显提高，在学科竞赛中获得了全国大学生数学竞赛全国三等奖及省级二等奖、三等奖，河北省“互联网+”大学生创新创业大赛金奖，河北省挑战杯大学生创业大赛一等奖，河北省高校三维设计大赛二等奖，河北省大学生机器人大赛三等奖，河北省力学竞赛一等奖，河北省数学竞赛二等奖，河北省物理竞赛二等奖，河北省高校制图与构型能力大赛二等奖，河北省大学生工程训练综合能力竞赛三等奖等多项国家级与省级奖项。

結语

本文根据我校机械电子工程专业人才培养现状，基于新工科理念从课程体系和教学改革两个方面提出了一些改革方法和思路，旨在优化人才培养模式，推进新工科专业建设，培养满足铁路行业需要的创新型复合型工程科技人才。

参考文献

[1]李周男，高占凤，徐红.高校创新创业教育与新工科建设的框架及其融合[J].河北农业大学学报（农林教育版），2018，20（2）：9-14.

[2]贾广飞，杨光，任有志，等.新工科背景下机电专业人才培养模式改革探索[J].科技创新与生产力，2019（2）：88-90.

[3]马建，孙守增，芮海田，等.中国筑路机械学术研究综述·2018[J].中国公路学报，2018，31（6）：1-164.

[4]《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报，2015，28（5）：1-65.

[5]李杰，付柯，郭京波，等.复合地层下盾构掘进速度模型的建立与优化[J].现代隧道技术，2017，54（3）：142-147+161.

[6]钱灵姝.石家庄铁道大学：践行协同创新建设现代装备制造研发高地[J].建筑机械，2017（11）：16-19.

Research on Optimization of Mechatronic Engineering under the Background of New Engineering Construction： Taking Railway Industry Colleges and Universities as an Example

WANG Mei-qi， ZHANG Wan-jie， YU Yang， CAO Jing-ya

（School of Mechanical Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei

050043， China）

Abstract： In the context of the construction of new engineering， taking the mechanical and electronic engineering major of Shijiazhuang Tiedao University as an example， we introduce the exploration of this major in the talent training mode， including formulating the training objectives and training scheme with distinctive industry characteristics， designing the curriculum system based on the certification concept of engineering education major， exploring the output-oriented training mode of mechanical and electrical talents in the context of railway industry， promoting the continuous improvement of professional teaching quality， optimizing the curriculum system and building characteristic core courses. In addition， guided by the construction of national first-class courses， we use mixed teaching resources to create high-quality courses， and promote the ideological and political construction of courses in combination with the contribution to railway construction.

Key words： “emerging engineering education”; mechatronic engineering; talent training; teaching reform