新工科自动化“一体两翼”专业课程群建设的探索与实践

梁 军，侯迪波，谢颖峰，谢依玲

（浙江大学 控制科学与工程学院，浙江 杭州 310027）

新工科建设是我国高等工程教育改革的重要举措，从“复旦共识”到“天大行动”，再到“北京指南”，逐步确立了新工科建设目标、行动路线和具体实施内容。新工科建设给传统工科专业带来了多方面机遇和挑战，本科课程教学是重要一环。传统工科专业要通过新工科建设满足“新技术、新业态、新产业、新模式”要求，不仅需要对自身课程体系进行与时俱进的结构性改革，而且需要在课程体系内部根据新工科培养要求进行优化重构，两者共同完成新工科建设的“内涵和外延协同发展”。其中，专业课程群建设是重要的一项工作。

课程群教学是对培养对象相同、课程内容密切、培养功能相近的多门课程进行重组并组织实施的一种整体化教学模式，也是一种新型的课程平台。一方面，课程群教学跨越了传统的课程和知识结构边界，聚焦于跨课程的知识体系，有利于教师采用团队式和研究式等新的教育理念和教学模式，激励教师在教学过程中广泛而深度开展实验式和情景式教学。另一方面，作为多元化知识的教学体系，课程群教学也有利于在教学过程中形成既关注基本理论和知识传授、又突出多种专业能力培养的协调格局，启迪和开发学生的系统性思维和创造性思维，提高学生自主学习、研究学习和创新学习的能力。因此，课程群建设和教学广受关注，是近年来高校教学改革的热点之一。

本文以浙江大学自动化专业为实践背景，结合新工科要求，从新工科自动化“一体两翼”课程群建设和课程优化整合两方面，开展自动化专业本科课程教学改革与实践，为类似专业新工科建设积累经验、提供借鉴。

一、现状分析

浙江大学自动化专业（以下简称“本专业”）始建于1956 年，是全国高校最早建立的自动化专业之一，现依托“控制科学与工程”国家一级重点学科，建有“工业自动化国家工程研究中心”“工业控制技术国家重点实验室”“工业控制系统安全技术国家工程实验室”和“流程生产质量优化与控制国家级国际联合研究中心”等四个国家级研究平台和二个省部级平台。本专业所依托的“控制科学与工程”入选首批国家“双一流”建设学科、位列第四次学科评估“A+”学科。

本专业传承自早期的化工自动化专业，60 多年的发展历史使面向各类流程工业的控制工程成为本专业的特色方向。因此，在专业课程体系的设置上也具有很强的流程工业自动化特色，主要有以下几个课程大类：（1）自动化专业公共基础课和通识课，如数学类基础课、电类基础课、计算机类基础课、各类全校性通识课；（2）自动控制理论与系统类专业课；（3）检测仪表与执行机构类专业课；（4）控制器硬软件设计与应用类专业课；（5）多种控制对象（如石油化工、能源发电、钢铁冶金、机械电气等）对象建模、仿真与优化类专业课；（6）与计算机硬件、软件、网络知识有关的专业课；（7）专业领域拓展（人工智能、机器人及其他无人系统、工控网络安全、物联网、航空航天等）有关的部分专业课；（8）各种实验实践课程和环节。其中，前四类以必修课程为主，后四类多为拓展性、深化性选修课程。

对照新工科建设要求，尤其在开设“机器人工程”专业以后，面向“自动化”和“机器人工程”两个专业方向的培养需求，体现在课程体系层面上的主要问题包括：

（1）涵盖“自动化”和“机器人工程”两个专业方向的课程体系需要精心的顶层设计，实现两个专业方向课程的知识层融合。

经历60 多年发展，本专业在自动化专业方向上已经形成了自己的优势和特色，有健全的培养体系和课程设置、丰富的教学实践资源、完整齐全的师资力量和大量的学术研究成果，但这些优势在目前新工科建设目标下不一定能够全部转化为有利条件，例如专业方向发展上的即得固化、教学内容上的习惯性侧重、教师知识结构的单一化、教学资源上的专用性，等等。这些不足表现在本科生培养上，亟待解决的一个问题就是进行适应新工科目标的课程体系的一体化顶层设计和结构优化，实现自动化和机器人工程的知识层融合。

（2）各门专业课程间的知识冗余和知识“孤岛”必须打破，按照新工科自动化培养要求建设知识主线型课程群。

一方面，新工科的建设为各专业带来了众多的新技术、新知识和新产业，使专业课程需要传授的知识点有了很大增加，具体表现为需要设置大量的新课程，对原有课程和新课程的取舍形成了较大压力。另一方面，在现有的课程教学模式中，各门课程大都独自开课，相互之间缺乏协同，造成不同课程间的知识冗余或知识“孤岛”，知识“点”居多、知识“线”不够、知识“面”缺乏，使学生无法形成完整的知识体系结构，制约了学生后续学业发展。因此，根据顶层设计的课程体系，按照知识主线建设课程群就成为解决这一问题的有效办法之一，不仅能够聚焦核心知识点、提升教学效果，也能够按知识主线提高学生自主学习、研究学习和创新学习的能力。

（3）教学内容需要优化整合和推陈出新，教学方法需要不断改进，以适应新工科提出的更高要求。

科学进步和国家战略需求，将高等学校人才培养目标提升到了一个新高度。具体到基层的教学活动，课程教学内容和教学方法的革新是达到这个新高度的基本手段。以本专业核心课程“传感技术与检测仪表”为例，面向流程工业的五大仪表（温度检测、流量检测、压力检测、液位检测、分析检测）在新的培养体系下要增加面向智能机器的视觉检测、运动检测、位置检测等，教学内容需要更新。同时，教学内容的更新和教学手段的进步（信息化、互联网、仿真技术等）也推动教学方法的不断改进。

经过多年持续不断的努力，已经完成了课程体系的顶层设计和规划重构，并在此基础上完成了课程群的建设工作。目前正在步步向前推进的是课程教学内容的优化整合及教学评价和质量保障体系的完善。本文将重点介绍课程群建设和课程优化整合中的一些探索与实践工作。

二、“一体两翼”课程体系下的专业课程群建设和课程内容优化整合

（一）重构“一体两翼”的课程培养体系，构建适应新工科人才培养要求的新平台

针对自动化专业具备多学科交叉、多领域应用的横断学科特点，及传统自动化控制向数字化、网络化、智能化发展的趋势，通过对专业培养方案进行重构修订，构建了以“控制理论与工程”为主线，以“人工智能与大数据”和“机器人与智能系统”为两翼的全新课程体系，在强调培养学生具备扎实自动化专业核心基础知识与能力的同时，具备融合新兴技术进行实践创新的核心竞争力，如图1 所示。

图1 新工科自动化专业的“一体两翼”培养体系

（二）建设“一体两翼”体系框架下的专业课程群，形成科学配置课程体系、打造强力教学团队的新机制

课程群建设是课程群教学的基础，是以多门相近或相关课程为基础，采用“结构整体有序、内容穿插嫁接”的逻辑思维和结构化改造方式，对各门课程的教学目标、教学内容和教学方法等进行一体化整合和内容优化的过程，为“培养富有创新精神和实践能力的创新型、应用型、复合型优秀人才”提供一个完整的课程培养体系和有力的课程资源保证，是进一步塑造专业内涵及专业特色、人才培养定位的重要支撑。

基于“一体两翼”课程体系，建立了如图2 所示的9个专业课程群。其中，控制理论课程群、控制工程课程群、控制系统课程群、传感检测课程群、软件与算法课程群主要服务于自动化控制（“一体”）的课程需求，人工智能课程群、网络与安全课程群主要侧重于人工智能与大数据（“一翼”）的课程需求，机器人课程群、智能硬件课程群主要侧重于机器人与智能系统（“一翼”）的课程需求。各课程群的课程设置主要包括：

图2 新工科自动化专业的课程群结构

（1）控制理论课程群：自动控制理论（甲）、现代控制理论、信号分析与处理、先进控制基础、自动化前沿交叉技术讲座、自动控制理论（乙，微辅修）。

（2）控制工程课程群：系统建模与仿真、过程控制、智能控制技术、智能供配电技术、智慧新能源技术、过程控制（微辅修）。

（3）控制系统课程群：计算机控制系统设计与实践、电气控制技术、智能制造与企业自动化、工程管理专题讲座、测控系统综合实践、自动化综合创新实践。

（4）传感检测课程群：传感与检测、生物传感器技术、公共安全检测技术、微流体控制与检测技术、传感与检测（乙，微辅修）。

（5）人工智能课程群：人工智能与机器学习、数字图像处理与机器视觉、大数据解析与应用导论、数据驱动建模与应用、深度学习、机器人与智能系统综合实践。

（6）机器人课程群：机器人建模与控制、运动控制、机器人导论、智能移动技术、空中机器人、物流自动化概论、机器人导论（微辅修）、人工智能与大数据综合实践。

（7）智能硬件课程群：嵌入式系统、智能仪器设计与开发、智能电子设备开发、DSP 系统设计、FPGA 系统原理与应用、嵌入式系统高级实验。

（8）软件与算法课程群：数据结构与算法分析、面向对象的编程技术（C++）、面向对象的编程技术（JAVA）、数值计算方法、软件技术基础、运筹学、决策支持系统。

（9）网络与安全课程群：计算机网络与通信、信息物理系统安全、物联网与大数据实践、物联网安全、物联网技术与应用。

课程群建设是一个系统工程，不仅仅是将几门课程进行简单的捆绑，它是以学生的能力培养为主线、以课程的逻辑联系为纽带、以教师团队合作为支撑、以提升教学质量为目标的课程建设模式。本专业学生在四年的培养期内，其课程学习按照课程群的设置，遵循知识层级的循序渐进和创新实践能力的逐步提高完成学业，如图3 所示，各课程群课程依次递进、前后连贯，形成上下有序、左右融合的完整课程体系。

图3 依次递进、前后连贯的课程群培养流程

课程群的建设围绕着“科学配置专业课程、有利于提高教学质量和人才培养、打造强有力教学团队、持续深入教育教学改革、密切结合教师的责权利”的目标进行。为此，构建合理的课程群架构、完善课程群相关工作制度、制定课程群相关管理办法，是保持课程群长效机制的重要手段。在课程群架构方面，设立“总体组”“课程群”“课程组”“任课教师”四级架构。其中，“总体组”由学院教学院长和所有课程群组长组成；“课程群”负责人为课程群组长，成员为本课程群所有任课教师；“课程组”负责人为某课程责任教师，成员为同一课程下所有任课教师（含平行班教师）；“任课教师”为个体教师自身。相关工作职能方面，主要包括：开展课程群建设，制订课程群工作制度和管理办法；进行课程群工作的组织和协调；对国内外高校自动化专业进行调研和提出教学改革建议；对课程知识点进行梳理和优化，完成培养方案和课程大纲的修订工作；进行教材、教辅资料、课件、题库、网站等多种形式教学资源的建设，不断更新教学内容，改进教学方法与手段；进行新开课教师的审查和培训，建立起课程群教学团队；以课程群为单位，常态化地开展教研活动、集体备课活动、教学观摩活动，等等。

经过几年的课程群运行实践，通过课程群平台优化组合起了若干支人员结构稳定、教学效果好、教学能力强的高水平教学团队，持续深入、高效优质地完成了相关课程的教学和教改工作。

（三）优化整合课程教学内容，布局兼容并蓄、逻辑合理完整的课程知识新框架

在目前的课程体系中，许多课程在本专业已经开设了许多年，如自动控制理论、过程控制、传感与检测、计算机控制系统、信号分析与处理等。由于历史的原因，目前这类课程的教学内容多偏重流程工业过程的控制工程，不能很好地符合“新技术、新业态、新产业、新模式”要求，教学内容趋于“陈旧”，课程知识点趋于固化。以自动控制理论和传感与检测两门课为例分析。自动控制原理的主要知识点包括控制系统的数学模型、控制系统时域分析、控制系统稳定性分析、根轨迹分析、频域响应分析、线性离散系统、线性系统状态空间模型等，现行的课程方案中，从原理到方法再到案例，基本是以流程工业过程作为应用背景，与机器人中需要的机电系统建模、运动规划与机电伺服控制相去甚远。在目前的传感与检测课程中，主要以流程工业中常见的温度、流量、压力、液位、成分分析为检测对象，而智能无人系统中急需的位移、速度、加速度、转速、力矩转矩、视觉信号和雷达信号等则较少涉及。因此，在若干课程中补充、扩展与新工科需求有关的内容，实现教学内容上新、老工科的兼容并蓄是必要的。

另一方面，独立开课、相互间缺乏内容整合的相近课程，往往存在课程内容“重叠”或知识点“空白”的情况：一种情况是，同一个知识点在多门课程中都有提到，但都没有讲透彻；另一种情况是，随着时代和科技发展，新的、必要的知识点尚没有补充进来。因此，也需要对课程内容进行优化整合，对专业知识点、知识体系进行顶层设计，构造完整的知识框架，然后按框架的知识逻辑关系在各个课程群和课程中优化配置，减少“重叠”，不留“空白”。

针对上述问题进行课程内容优化整合的主要措施是，一是“升级改造”一批需要进行知识范围拓展和内容更新的专业基础和核心必修课程，补充一些符合新工科需求的教学内容和知识点；二是“优化组合”一批内容重合度高、教学目标相近的选修课程，沿几条独立主线凝练主干课程，形成结构有序、点线面完整的知识框架；三是“增补新开”一批体现新工科特点的选修课程，主要填补“人工智能与大数据”和“机器人与智能系统”两翼中的知识点“空白”。

课程内容的优化整合，是一项长期和细致的任务，一般需经历课程内容讨论、划定课程边界、按照课程边界组织各自授课内容、备课、授课、开课效果反馈、内容再调整等几个环节，课程群这样一个组织机制和运行模式对课程内容的优化整合起到了保障作用。为此，近年来在各个课程群间和课程群内部，开展了多次教学研讨会，逐群、逐课推进课程内容的优化整合，各门课程的教学目标和任务更加明确，教学质量不断得到提升。

三、结束语

近几年来，本专业结合新工科建设的内涵、外延协同发展要求，在强化专业方向交叉融合、重构课程体系、优化整合教学内容、完善教学评价等方面开展了一些卓有成效的工作，形成了具有自身鲜明特色的课程教学体系。本文首先梳理分析了专业教学现状和存在的主要问题，然后在“一体两翼”课程培养体系重构的基础上，对照新工科建设要求，介绍了建设专业课程群和优化整合课程教学内容所开展的一些工作。几年的教学实践表明，课程群的建立有利于形成科学配置的课程体系、打造强力教学团队，而优化整合教学内容则有助于形成结构有序、点线面完整的知识框架，进而提升教学质量。另外，为了帮助学生尤其是低年级学生在“一体两翼”体系下选修各专业课程群课程，实现预定的培养目标，本专业采取了以下几项引导性措施：一是加强对培养体系及选课方略的宣贯；二是由学院资深教师和教学管理人员组成咨询释疑小组，负责指导同学们的修学规划和解答同学们遇到的问题；三是学院建立了本科生“成长导师”制度，在学院内部聘任若干教师，每位教师带领一位研究生与五六名本科生结成成长团队，帮助同学们正确、顺利完成课程学习任务是团队导师的一项主要职责。