智能制造背景下跨专业教赛融合教学模式的构建与实施

解志杰 贾娜 刘诚

收稿日期：2023-06-06                                                          修回日期：2023-06-30

作者简介：解志杰，男，教授，博士，研究方向为大学生创新创业教育；贾娜，女，副教授，博士，研究方向为工程教育专业认证与一流专业建设；刘诚，男，副教授，研究方向为非技术能力评价。

基金项目：黑龙江省教育科学规划重点课题“高等工程教育融合双创教育的一体化人才培养模式研究”（GJB1421235）；黑龙江省高等教育教学改革研究项目“专业认证背景下学生非技术能力培养与评价体系研究”（SJGY20200038）；黑龙江省教育科学规划课题“基于课程群多层次闭环反馈项目式创新人才培养模式的建设”（GJB1422732）

摘    要：在高等工程教育改革中，跨专业培养和学科交叉融合是重要的改革方向之一。文章在分析工业4.0背景下工程人才需求现状的基础上，探讨了跨专业教育和学科竞赛融合教学模式的积极意义，并针对工程教育认证的要求，提出了构建该教学模式的底层逻辑和顶层设计思路。此外，文章还构建了相应的学习活动设计模型并提出了实施建议，同时通过实例分析证明了该教学模式的有效性和可行性。

关键词：跨专业教育；学科竞赛；合作学习；融合教学

中图分类号：G645      文献标识码：A ;     文章编号：1002-4107（2024）02-0044-04

一、引言

第四次工业革命的出现，使制造业的生产组织形式发生了根本性的变化，对人才职业能力提出了更高的要求，同时，也打破了传统意义上机械工程师、电气工程师或软件工程师的职业界限。这些变化对我国高等工程教育人才培养模式提出了新的挑战。因此，如何优化人才培养模式以适应新形势下社会对工程技术人才的需求，是高校和高校教师需要深入思考、探索和实践的重要课题。

二、问题的提出

（一）工业4.0背景下人才市场的需求与现状

M. 佩伊奇-巴赫（M. Pejic-Bach）等人运用数据挖掘

的方法跟踪了全球主要经济体与工业4.0相关的人才招聘广告，分析了行业发展变化对人才技术能力和非技术能力需求的趋势。研究结果表明，除“机械”“软件”或“电气工程”等典型技术和职业能力表征词语外，“项目管理”“创新解决方案”和“客户满意度”等跨不同业务领域的词语在招聘广告中高频出现[1]。企业对人才职业能力的需求明显呈现知识体系融合化、能力体系综合化、素质体系均衡化的趋势。

相关研究显示，我國本科毕业生在理解交流能力方面的培养效果较好，但应用分析能力及动手能力亟待改进，对与工业4.0相关的专业表现如有效的口头沟通、疑难排解、积极学习和科学分析等能力项的满足度偏低[2-3]。无论是来自企业需求的研究结果，还是源于毕业生的调查结果，都不难看出，随着经济的发展和社会的进步，不同行业、不同专业之间的交叉融合已成大势所趋，传统的单一学科教育已不能满足现代社会的需求。智能制造背景下，产业转型升级和新兴产业的不断发展，既是传统工程教育体系面临重大挑战的原因，也是推动高等工程教育改革的原动力和底层逻辑。

为了加速推动智能制造背景下高等工程教育改革的步伐，国家各部委接连发布了《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》《关于加快建设发展新工科实施卓

越工程师教育培养计划2.0的意见》《现代产业学院建设指南（试行）》等相关文件[4-6]，强调高校“应打破现有的学科壁垒，培育新的跨学科成长点；应推进理工结合、工工交叉、工文渗透、医工融合、工农协同，培养一批能够引领和示范科技革命和产业变革的顶尖创新人才；应面向产业转型发展和区域经济社会需求，以强化学生职业胜任力和持续发展能力为目标，以提高学生实践和创新能力为重点，深化产教深度融合、校企合作，创新人才培养方案、课程体系、方式方法、保障机制”等。这些文件的出台和实施，均展现了中国高等工程教育培养学生创新能力和解决工程问题能力的改革方向和思路，以及强化学科和专业交叉融合的发展方向。

（二）跨专业教赛融合教学模式提出的原因

专业是高校进行教学和人才培养活动的基本单元，也是目前我国高校开展教育教学管理工作的基本形式。在各国工业化进程中，以专业为主体的精细化分工人才培养模式发挥了重要作用。然而，随着全球化和智能化的第四次工业革命的到来，“通”“专”融合和“通”“跨”融合已成为高等工程教育人才培养的主要趋势之一[7]。

我国高校现有多种跨专业人才培养模式，包括双专业（学位）培养项目，微专业、微辅修项目和跨专业选修课程等。2019年，国务院学位委员会正式发布《学士学位授权与授予管理办法》，明确指出“高校应高起点、高标准、高质量开设双学士学位项目”[8]。目前，部分高校依托相应的办学平台，结合学科发展特色与需求，依据学生未来发展方向，通过顶层设计，建设了专业交叉互补的双学位项目。但与双专业（学位）培养项目不同的是，高校开设的微专业、微辅修项目课程一般为专业的主干核心课程。学生在修读主修专业的同时，完成相应的微专业课程修读，即可获得相应的证书。而跨专业选修课程，应属于个性化培养形式。上述跨专业人才培养模式为部分学有余力或兴趣驱使的学生提供了跨专业修读的可能性，在我国高等工程教育中起到积极的带动作用。然而，由于一定的办学规模和条件限制，双专业（学位）培养项目要求所依托的学科专业应具有博士学位授予权，因此，能够覆盖的学生比例在不同水平的高校中存在差异。

根据工程教育理念，工程教育的目标不仅是保证学生达到特定的学习成果和毕业要求，更要注重培养学生的能力和素质。在这一基础上，借助各级各类大学生学科竞赛，通过专业之间的顶层设计进行跨专业教学与学科竞赛的融合，是面向全体学生进行打破课程和专业壁垒培养的一种有效方法和途径。近年来，这种融合模式受到越来越多的关注，已成为高等教育改革的一个热点和趋势[4]。通过这种模式，学生不仅能够在自己的专业领域得到深入的培养，而且能够拓宽视野，增强综合能力，提高创新能力和实践能力。但是，跨专业融合也面临着一些挑战，如学科之间的差异和难易程度，以及资源分配的问题等，需要高校在实践中探索解决方案。

中国高等教育学会高校竞赛评估与管理体系研究专家工作组已连续多年发布全国普通高校大学生竞赛分析报告，这表明，跨专业教赛融合的复合型人才培养模式已经成为多元化人才培养、高等教育教学改革和发展的重要方向。然而，目前缺乏对跨专业教赛融合教学模式的系统研究。因此，研究如何顺应工业革命发展趋势，整合相关专业的教学资源，融合先进的教学理念和教学方法，优化学生的课程学习、工程能力训练和学科领域相关非技术内在能力的培养过程，提高课程和人才培养质量，对于实现人才培养目标具有重要意义。

三、跨专业教赛融合教学模式的关键要素分析

在跨专业教赛融合教学模式实践过程中，尊重和凸显学生的主体地位是前提和基础，因此，相关专业需要进行精心的顶层设计，搭建工程情境并整合、提供相应的资源，以支撑学生相应能力培养全过程。文章通过分析教学目标与教学载体、教学内容、教学方法和教学评价等关键要素对跨专业教赛融合教学效果的影响，指出顶层设计层面应该关注的问题并提出解决思路。

（一）教学目标与教学载体

确定合适的教学目标和教学载体是实施跨专业教赛融合教学模式的关键。为了支持学生达到毕业要求和培养目标，满足社会对工程技术人才的需求，教学目标应该是可行和可衡量的。为解决前文提到的工程教育中存在的问题，高校和专业应深入了解自身的优势和不足，根据人才需求制定教学目标；同时，应组织相关专业共同研讨并制定合理的知识、能力和素质目标。在目标制定过程中，高校和专业应更多地关注学生项目管理、创新解决方案、沟通交流、问题解决、积极学习和科学分析等能力和素质的培养。

教学目标和教学载体的不同设计思路赋予跨专业教赛融合教学模式更加灵活多样的实践表现形式。根据工程教育认证的框架体系，实训、生产实习、毕业设计和第二课堂活动等实践类教学环节是该教学模式的有效载体，能够保证全体学生参与和学习。其中，实训类教学环节具有组织方便、资源调配相对容易、更易进行易迭代与优化等优点，但缺少浸润性的学习环境；生产实习和毕业设计等教学环节能够很好地弥补上述不足，但需要调用企业的资源，需要校企之间具有良好的合作基础与硬件条件，组织实施相对困难；第二课堂活动虽具有方式灵活、适合个性化培养等优点，但需要更为有效的评价方式作为支撑。

（二）教学内容

将学科竞赛作为教学内容，具有起点高、综合性强的天然优势。跨专业教赛融合教学模式的核心在于通过竞赛项目的设计和实施，实现跨专业教学，提高高校培养高素质人才的能力。因此，选择一个合适的竞赛项目是非常关键的。中国高等教育学会高校竞赛评估与管理体系研究专家工作组基于相关研究数据，定期更新全国普通高校竞赛榜单。例如，在2022年，共有56项比赛成为教育部官方认可的、最具含金量、最具参赛价值的竞赛。高校可以从中选择符合学生专业和兴趣，且具有一定跨界性质的竞赛作为教学内容的主体。例如，针对机械类专业和自动化专业的学生，高校可以选择机械创新、智能制造等方面的竞赛作为跨专业教学的主要内容。

跨专业教学的目标在于通过融合多个学科，提高学生的综合能力和解决实际问题的能力，而学科竞赛侧重于通过竞赛活动，提高学生的专业技能和实践能力。为了使教学内容更具有可操作性和前瞻性，教学团队需要结合实际教学条件，通过筛选、整合与优化来确定教学内容。在跨专业教赛融合教学模式实践过程中，能否将学科竞赛的全部内容作为教学内容，要根据教学目标、教学载体和办学条件综合研判。教学团队应适当考虑学生对开放性、创新性与融合性内容的适应性，并需要在前序教学环节中做好铺垫。

（三）教学方法

在跨专业教赛融合教学模式实践过程中，为了实现最优化的教学效果，需要采用多种教学方法。跨专业教赛融合的教学过程具有课堂空间扩展和时间延伸的特点，即学生的学习可以发生在课堂、实验室和互联网环境，也可能是独立完成或与同学、教师讨论完成。因此，根据实际的教学需求，教学团队需要在每个教学内容中设计适合的教学方法。例如，在课堂教学环境下，可以采用案例教学法，即从竞赛项目中提取案例，通过分析和解决案例中的工程问题，引导学生理解案例中隐含的工程问题，培养学生分析和解决问题的能力。在基于互联网的教学环境下，可以采用问题导向教学法，即以问题为导向，要求学生通过自学或小组合作的方式解决问题，这不仅能促进学生之间的交流与合作，同时也能增强学生的团队合作意识，培养学生的团队合作精神。

另外，传统课堂教学存在时间和空间的限制，导致学生个性化学习和小組协作学习等教学方法受到限制。为了克服这些限制，在跨专业教赛融合教学模式实践过程中，教学团队应适当支持和强化学生的个性化学习和小组协作学习等教学方法，有效利用互联网和现代信息资源，为学生提供更多的学习资源和支持。因此，跨专业教赛融合教学模式的教学方法应成为该模式的研究重点。

（四）教学评价

在跨专业教赛融合教学模式实践过程中，评价教学效果是必不可少的一部分。为了有效实施跨专业教赛融合教学模式，教学团队需要设计科学合理的评价体系，并在教学过程中明确学生任务完成的框架和考查要点。学生只有明确任务的考查要点，才能根据评价标准规划自己的学习路径和方法，与教师形成良好的互动和配合，更好地完成学习任务。

跨专业教赛融合教学模式的评价体系，既涉及对技术能力的评价，又涉及对非技术能力的评价；既要对学生个体学习效果进行评价，又要对团队合作的最终成效进行评价；既有符合自身特色的总结性评价，又强调过程性评价；既要有符合自身特色的评价思路，又要兼顾竞赛的评价体系。因此，需要采用定性评价与定量评价相结合的多元化评价方法。例如，针对设计分析能力、知识运用能力及使用现代工具等技术能力，建议参照竞赛的评价体系，构建定量的评价模型，由教学团队组成评价主体进行定量评价；针对学生的学习能力、合作能力与表达能力等非技术能力，可以采用多主体评价方式，包括学生自评、生生互评和教师评价。

对教学目标达成情况进行科学评价，并将评价结果反馈给学生与教师，有助于学生明确问题和差距，优化学习方法，也有助于教师正确评估课程目标的达成情况，优化与迭代教学目标、教学方法与教学过程，不断提高教学质量。

四、跨专业教赛融合教学模式的实施探索

文章以东北林业大学机械设计制造及其自动化专业与自动化专业的“工程综合训练”课程为例，探讨跨专业教赛融合教学模式的实施路径、问题与解决方法。该教学模式的总体设计旨在培养学生的跨专业解决问题能力、创新精神、合作意识和工匠精神，并以学科竞赛为依托，强化学生的系统思维能力，优化跨专业人才培养路径、方法与手段。

（一）跨专业教赛融合教学模式实施背景

跨专业教赛融合教学模式以机械设计制造及其自动化专业和自动化专业的学生为教学对象。这2个专业都通过了工程教育专业认证，都是国家级一流专业建设点，且招生规模基本一致。在2个专业人才培养方案中，必修实践教学环节的“工程综合训练”课程被安排在同一个学期，因此，该教学模式以“工程综合训练”课程作为教学载体。教学团队由2个专业的4名专业课教师和机电工程学院创新中心2名指导学生学科竞赛的实验教师组成。同时，机电工程学院工科实习中心和大学生创新中心提供了加工、测量和调整的仪器和设备，如激光切削加工、3D打印设备、机械加工设备等。

（二）跨专业教赛融合教学模式实施过程

专业人才培养方案的顶层设计是跨专业教赛融合教学模式实施的前提和基础。针对当前社会和科技发展对人才培养提出的新要求，即“知识体系融合化、能力体系综合化、素质体系均衡化”，在课程设置中有意识地提供跨专业融合教育平台是必要的。因此，在教学指导委员会的指导下，机电工程学院统筹规划机械设计制造及其自动化专业和自动化专业建设，将“工程综合训练”课程作为跨专业教赛融合教学模式的载体，并根据专业特色和人才培养目标确定了课程目标。在课程目标中，提出了

“分析问题”“解决问题”“使用现代工具”“交流合作”“项目管理”“成本分析”和“自主学习”等能力的具体要求。需要注意的是，制定的具体要求应尽量明确、清晰，能实施、可评价。

为了综合考虑教学资源与该模式实施的可行性，教学团队选择了中国大学生机械工程创新创意大赛作为“工程综合训练”课程的主要内容。该项比赛是全国普通高校学科竞赛排行榜竞赛项目，其中的起重机创意赛主题适合上述2个专业的学生相互配合共同完成。为了模拟真实的工程情境，让学生更深入地理解工程产品设计、制造、安装和调试的全周期工作，教学团队根据参赛的模式和组队要求，将学生分组，并指导学生进行组内分工、查找资料、探讨设计方案和提出控制策略。在此过程中，指导教师通过参与小组讨论，给出意见和建议，使学生不断完善设计方案。学生则需要自己动手完成零部件的激光切割、3D打印和机械加工等制造过程，并搭建控制系统，实现整机的安装与调试。最后，在模拟场地上进行实测，完成全部的流程。

（三）跨专业教赛融合教学模式效果评价与问题分析

采用过程性评价与总结性评价相结合的方式对跨专业教赛融合教学模式的教学目标达成情况进行评价。例如，设计评价表，对项目实施过程中的方案论证报告、设计报告、物资统计表和创业企划书等设计过程进行评价，作为过程性评价结果；在模拟场地进行实测的最终结果，作为总结性评价结果。在评价过程中，集体性的报告可作为小组评价的依据，个人总结报告可作为学生个体评价的依据。学生个体有机会提出不同于小组的观点和解决方案，并针对自己的情况进行总结和分析。

跨专业教赛融合教学模式的实施，是接近工程实际的一次综合性训练，要求学生能够综合运用所学的专业知识分析和解决问题，并在此过程中，培养创新能力，提升合作意识，锻炼交流与表达能力，同时，能够初步感受项目管理的作用与意义，理解相关职业的责任与担当。但在实施过程中，也存在需要注意的问题。

针对跨专业教赛融合教学模式的实施，教学时间与教学内容的协调安排是一个重要的问题。该问题的本质在于是否能够按照学科竞赛的全部要求进行教学内容的设计。然而，从实际操作情况来看，实现起来存在一定困难。因此，教学团队需要根据教学计划的时间安排，在教学内容上根据竞赛要求进行简化。同时，可以充分利用课外时间，如自主学习和小组讨论等，来弥补教学内容的不足，这样可以有效地解决教学时间和教学内容不协调的问題。

在跨专业教赛融合教学模式实施过程中，学生设计方案与制造结果之间的差距是一个较大的挑战。这主要是因为学生缺乏实践经验，对加工制造工艺问题考虑不全面。这一问题主要表现在加工出现次品、无法保证装配精度及设计方案与结果之间存在较大的差距等方面。因此，学生需要反复修改方案并重新加工零部件。这也暗示着，在专业人才培养方案优化与迭代过程中，教学团队需要有意识地逐步提高学生的系统性思维和动手能力。

综上所述，跨专业教赛融合教学模式的优势在于以学生为中心，让学生主动参与学习，并掌握学习的主动权，同时也将更多的可能性交给了学生。这种教学模式改革值得尝试和深入探索。

五、结束语

跨专业教学既是学生个性化培养的重要方式，也是科技发展对高校人才培养提出的新要求。文章基于作者自身的教学探索与实践，以工程教育认证要求为主线，针对教学目标与教学载体、教学内容、教学方法和教学评价等关键要素，构建了跨专业教赛融合教学模式的设计模型并提出了实施建议，同时以机械设计制造及其自动化专业和自动化专业“工程综合训练”课程为例，基于上述设计模型验证了教学模式实施的有效性，并针对实施过程中出现的问题提出解决建议，以期为关注工程教育教学改革的教育工作者提供一些有益的参考。

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■ 编辑∕陈晶