新工科背景下应用型本科一体化课程建设研究与实践——以“机电液传动与控制”课程为例

王国平，刘吉轩，门 静，任晓莉，赵 瑾，闫菲菲

(1.西安交通大学城市学院机械工程系，陕西 西安 710018)(2.机器人与智能制造陕西省高校工程研究中心，陕西 西安 710018)

时至今日，我国工程教育改革即新工科建设已历经5年时间，形成了普遍认同的根据高校不同类型和层次的错位、差异化发展与建设模式[1]。应用型本科则定位在服务区域新经济的现实急需，培养交叉复合的应用型工程科技创新人才[2]。2018年11月24日，教育部高等教育司吴岩司长强调课程是人才培养的核心要素，指出中国大学普遍存在着课程实施方面的短板、瓶颈和软肋。新工科内涵强调的是专业精神、工程思维能力、工程实践能力及可持续发展能力。专业精神包含职业规范、家国情怀等，与“课程思政”相对应，因此课程需要“道”“业”一体；工程思维能力和工程实践能力强调的是学生要具有对系统工程整体的认知与把握，在对问题进行分析与处理时具有大工程观，同时具有较强的解决复杂工程问题的能力和实践动手能力，从而决定了课程知识的复合性、功能的模块化及理实一体；可持续发展能力要求学生具有团队协作能力和终身学习能力，这又决定了课程实现形式的多元一体化。因此，一体化课程的建设和实践对新工科背景下应用型交叉复合人才的培养具有重要的现实意义和研究价值。

近年来，随着新工科建设的推进，国内高校对一体化课程的建设逐渐重视起来。国防科技大学的汪元[3]基于研究生课程“传热传质分析”提出REAT(research-examination-assessment-teaching)一体化模型，提倡从科学研究中凝练问题，并以此对研究生进行考核和评价，然后反馈教学，形成了以科研为导向的教学一体化课程建设方案。由于科研是一个动态的过程，其对科学问题的总结和提炼也是不断更新的，因此该方案兼具了持续改进和与时俱进的特点，不论对研究生还是本科生的教学，都具有很好的借鉴意义。福建工程学院的闫晓磊等[4]从车辆工程创新人才培养着力点出发，以本科生“理论力学”课程为例，设计了融合交叉式课程教学改革实践方案。该方案将教学内容分为基础知识与基本实例、新理论新方法、创新应用3个层次，意在对知识、能力培养的基础上，更多地培养学生的思维能力，其对于基础课和专业基础课的课程建设具有一定的借鉴作用。信阳师范学院的熊瑞生[5]从工程教育专业认证的角度出发，在分析“钢结构”课程传统教学方法与教学方案存在的缺点的基础上，提出了将课程设计和单元练习一体化的课程教学与实践模式。将课程设计涉及到的内容和有关计算拆分为各个章节的单元练习题，形成了教学内容、单元练习及课程设计一体化的教学方案，为尤为强调应用的专业课程建设提供了较好参考。总体来看，目前国内高校虽然在一体化课程建设方面已取得了一些成绩，但一体化课程建设的进程相对缓慢，现有文献相对较少，大多集中在专业基础课程内容的一体化融合上，应用性较强的专业课程一体化建设则很少，且一体化课程是多元、多维的一体化，仅仅从内容上进行融合是远远不够的。

基于上述存在的问题，本文以应用性、综合性较强的专业课程为研究对象，即以“机电液传动与控制”课程为例，提出了“四位一体”(多学科内容交叉融合、教学模式的协同融合、教学过程管理的多点实时融合、教学团队的多元融合)的专业课程一体化建设路径，为应用型本科专业课程一体化建设提供借鉴。

1 专业课程一体化建设实施路径

专业课程的教学包含两个层面、多个要素和一个总目标。“教”的层面包括教学内容、教学方式方法、教学管理方法、教学评价方法与教学团队等；“学”的层面主要关注学生的学习效果，包含学生学习的能动性、协作性、实践性、创新性和个性等。总目标即是“专”，包含专业精神、专业工程思维、专业实践能力、专业可持续发展能力的达成。因此专业课程的一体化建设应当是多层面、多要素、多内涵的一体化。

1.1 课程教学内容的一体化交叉融合

一体化课程由于其综合性、实践性较强，多在具备先修专业基础知识的高年级学生中开设。因此，应当以专业大类为范畴，根据专业人才培养目标，以本专业知识为中心，交叉融合大类内紧密关联的其他专业知识，使得既有基础知识的规范描述，也有综合知识的演练、创新知识的探索，还有前沿知识的引领，形成具有确定功能模块或系统知识的有机集成，为提升学生工程素养，使学生具备工程系统思维能力和工程实践能力奠定知识基础保障。

本文以西安交通大学城市学院机制专业“机电液传动与控制”一体化课程建设为例，其教学内容一体化实施路线如图1所示。机制专业属于学院机械大类范畴(包括机械制造、机器人工程、能源与动力工程、过程装备与控制4个专业)。该课程瞄准专业培养目标中“先进制造系统运行与维护”这一项，构建了以现代工业体系中先进制造与服务装备(如数控机床、机器人)的液/气压驱动功能模块为中心，融大类专业内的机电控制、PLC与触摸屏控制、液压/气压传动与控制基本知识为一炉，形成以实现液/气压驱动模块按既定要求运动的系统知识体系，既阐明了液/气压机械的工作原理、基本结构和设计要求，又明晰了机械按设定目标精确动作的控制方式和方法、基本软件程序的编写、基本硬件选择与线路的接法等，具备了先进制造系统运行与维护的基本理论知识与实践操作技能。

图1 教学内容一体化实施路线

1.2 教学模式的一体化融合

教学模式的一体化融合包含多个方面的内容：一是理论教学与实践教学的融合；二是线上教学与线下教学的融合；三是课内教学与课外学习的一体化融合(赛教融合)；四是校内实践与校外实践的一体化融合(产教融合)。

1.2.1理论教学与实践教学的融合

为促进学生知识的内化吸收和工程实践能力的提升，一体化课程常配有较为综合的实验或实践教学环节，如综合实验、课程设计、课程实训等。传统教学中，理论教学在先，实践教学在后，有的甚至间隔一个学期，这不仅阻碍了理论知识的快速强化和应用水平的提升，而且大大提高了投入产出的比率。因此理论教学与实践教学的融合关键就在于二者的协同并进，能够及时实现学中做、做中学、学做一体。根据对实践设备要求的高低，本文所述实践环节可分为课程设计类和综合实验实训类，前者与理论课程的融合可参照文献[5]。本文的示例课程匹配实践环节属综合实验实训类，对于该类型实践教学环节与理论教学的融合宜采取课堂上理论教学与虚拟实践同步印证的融合教学模式，结合课后的项目式作业紧密衔接课程实训内容，如图2所示。这样不仅及时强化了理论知识的学习和应用，同时以虚拟实践的形式和实训项目作业紧密衔接了理论与实践教学，而且不限次数的虚拟试错，也极大提升了现场的实操效果，有效促进了学生实践动手能力的提升，实现了在理论课程结束时亦是综合实践课程收官之期的同步效果。

图2 一体化课程理论与实践同步教学实施方案

在“机电液传动与控制”理论课教学中，辅以虚拟的“电工技术实训”平台进行电机控制与继电器控制虚拟教学，以“step 7/micro win”及PLCSim进行PLC编程及虚拟实践，以FluidSim软件进行液压及气压传动虚拟教学以及综合控制实训虚拟教学，图、文、声、动画兼备，加之课后项目式实训作业的紧密衔接，有效实现了课堂知识的即学即用、融会贯通。

1.2.2线上、线下与课内、课外教学的融合

为促使学生主动学习意识的形成和团队协作能力的培养，课前(课外)提供线上课程学习纲要和线上作业，由学生自主学习；课中线下由教师主导，对学生进行每组3～5人的分组，由各小组做简要汇报，并结合课前学习内容对本节要点问题进行讨论和思考；另课内教学多以历年机械创新设计大赛作品、工程训练大赛作品的运动驱动、控制及实现形式为例进行分析，课外则以相应学科竞赛为抓手，以赛促学，在实际竞技中理论联系实际，不断学习和提升自我，学生实践动手能力进一步提高，更重要的是促进了其专业可持续发展能力的形成。

1.2.3校内实践与校外实践的一体化融合(产教融合)

为进一步对接生产实际，适应社会对人才的需求，在课程教学中，形成了以校内实践(虚拟实践、课程实验、综合实训和创新实践)奠基，以校企联合共建实验过渡和衔接，以企业现场生产实战进行对接的多层次递进式校内外实践融合的一体化实践教学模式，如图3所示。

图3 校内外实践一体化融合模式

1.3 课程教学过程管理一体化

课程的教-管-考-评是课程目标达成管理过程中的4个关键要素，它们是彼此相互关联、相互作用的，因此也应该是动态调整的。在传统教学中它们之间往往是孤立的或信息共享不畅的，严重影响了课程教学质量的持续改进。本文根据工程控制论的思想，将“教”看作是输入环节(学生是控制对象)、“考”是输出环节、“评”是反馈环节、“管”是比较环节，意在对输入输出进行比较，对结果进行纠偏。这样课程教学过程管理便形成了以教-管-考-评为要素的闭环控制系统(如图4所示)，实现了各环节信息流及时共享与反馈的课程教学过程管理一体化。

图4 教-管-考-评一体化结构框图

示例课程的实现形式如图5所示。

图5 “机电液传动与控制”教-管-考-评一体化实现形式

1.4 教学团队的多元融合

教师是课程教学、课程建设以及课程教学管理的主导要素，不论从一体化课程教学内容有机融合的角度，还是从课程教学过程模块化、项目化以及理论与实际相结合的角度，甚至教学全过程的实时监控、改进等，无不需要课程教学团队成员多专长、多岗位的协同多元融合。

在“机电液传动与控制”课程教学团队中，由课程负责人总领课程的建设与规划，团队成员由具有机械设计与制造专业、机器人专业、能源与动力工程专业及电气工程专业多学科背景教师组成，兼具教师岗和实验岗教师，同时配备授课班级班主任和辅导员为辅助，形成了为课程建设和管理精准服务的多学科、多特长的理、实一体的课程团队，有力保障了一体化课程建设与实践的顺利实施。

2 一体化课程实践效果

1)教师教学及教研能力大幅提升。

通过本课程的一体化建设研究与实践，课程组教师两年来先后立项省级各类教研课题3项、校级教改课题2项、校级教材建设项目1项，发表教学研究论文3篇，其中核心2篇。教学改革以来，学生评教持续保持在92分以上，表现了较高的满意度。

2)学生学习效果较好。

学生在参加第八届全国大学生机械创新设计大赛和第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛中因参赛模型控制性能优良，共获评省级二等奖2项、三等奖3项。大部分学生课程考核成绩明显改善，中等成绩范围的学生占比大幅增加23.34%。

3)辐射示范作用好。

该实践成果在“机械制图及AutoCAD”和“机械设计基础”2门课程中推广，二者先后获批为校级一流课程，并发表教改论文2篇。

3 结束语

本文通过深入分析新工科理念对课程教学与建设的内涵需求，及课程建设与教学中多维度、多层次要素之间的内在联系，提出了“四位一体”(多学科内容交叉融合、教学模式的协同融合、教学过程管理的多点实时融合、教学团队的多元融合)的专业课程一体化建设路径。通过有效整合专业大类内相关专业知识，形成了基础知识、综合知识、创新知识与前沿知识相结合、相递进的工程系统知识内容的有机融合，为学生专业精神的树立，系统工程思维能力和实践能力培养奠定了基础；通过理论教学与实践教学、线上教学与线下教学、课内教学与课外学习、校内与校外实践学习的多角度、多方位同步并进或逐层递进，虚实结合，学做一体，使得理论与实践紧密衔接，专业知识与生产实际紧密对接，促进了知识的增值和解决复杂工程问题能力的提升，同时学生的能动性与协作性得以增强，为终身学习能力培养打下坚实基础；通过以机械控制理论思想对教学过程中教-管-考-评四要素实施闭环控制，建立了四者的动态协调关系，保障课程目标的有效达成和教学质量的持续改进，另外教学过程的精细化管理也有利于专业精神的养成；通过实施课程责任人负责制，以多学科背景、多工程实践的教师为骨干，以教辅人员为辅助，形成梯队分明、专业交融、信息互联、学情互通的课程教学管理一体化团队，保障了一体化课程教学与管理的优质和高效。因此本文提出的一体化课程建设方案是紧紧围绕新工科核心内涵(专业精神、工程思维能力、工程实践能力及可持续发展能力)的，而且实践效果较好，对新工科背景下一体化课程的建设具有重要参考价值。