自動化新工科專業課程體系改革與實踐

蔡林沁 楊萬秀 郭鵬 向敏

摘? 要 緊密結合新工科建設需要，以學生能力培養所需知識點為主線，理工結合，構建自動化專業課程新體系。深度融合理論教學與實踐教學，提出基礎性、驗證性、綜合性多層次實驗實踐教學模式，加大學生課上課下學習強度，培養學生自主學習能力、綜合實踐能力和創新意識，保障自動化專業人才的工程素質教育水平。

關鍵詞 新工科;課程體系;工程教育;自動化專業;金課

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0099-03

Reform and Practice of Curriculum System for Automation New

Engineering//CAI Linqin， YANG Wanxiu， GUO Peng， XIANG Min

Abstract Oriented to new engineering， a new curriculum system for?automation specialty was constructed by combining science and engi-neering. Deeply integrated theory teaching and experiment teaching， the multi-level teaching mode for basic experiment， replication expe-riment， and comprehensiveness experiment was presented to enhance?students learning intensity inside and outside the classroom and tocultivate students independent learning ability， comprehensive prac-tice ability and innovation consciousness.

Key words new engineering; curriculum system; engineering educa-tion; automation specialty; golden course

1 前言

2015年5月，“中國制造2025”國家戰略規劃發布，其主線是信息化與工業化的深度融合、互聯網與傳統工業的融合，這是中國新一輪制造發展的制高點，將會驅動中國制造向中國智造加速轉變。自動化技術作為智能制造的核心關鍵技術，“中國制造2025”國家戰略的實施，既向自動化（學科、專業）提出挑戰，更為自動化發展提供了前所未有的機遇，是未來自動化人才發揮核心競爭力的重要領域。然而，作為培養我國自動化人才主力軍的我國自動化專業，特別是承擔為國家培養工程應用型人才的普通高等本科院校自動化專業，從全國整體上看，其課程體系未能根據自動化技術的新發展和國家新戰略做出相適應的、根本性的改變，教學內容嚴重滯后于最新的自動化科技發展[1]。

2017年，教育部出臺新工科建設方案。在此背景下，一些高校進行了新工科背景下的多學科教學改革嘗試，將工程問題引入課堂進行項目式教學，在課程中間設計帶有研究性、設計性環節，提高學生理解程度和實踐動手能力，為培養學生工程意識和創新能力提供了重要支撐[2]。然而，以往課程體系改革大多著重于專業課程與專業基礎課程，不能從根本上改變當前自動化專業課程體系在培養自動化工程人才中存在的典型問題。

本文在重慶郵電大學承擔的教指委“自動化專業課程體系改革與試點”項目的研究成果基礎上，結合新形勢下“中國制造2025”國家發展戰略及新工科建設對自動化人才培養帶來的機遇與挑戰，介紹自動化專業課程體系改革關鍵措施，供相關專業課程體系建設參考。

2 緊密結合新工科建設需要，以學生能力培養要求所需知識點為主線，理工結合，構建新形勢下自動化專業新體系

根據自動化技術在當前科技發展新形勢下面臨的問題與機遇，特別是“中國制造2025”國家戰略實施及工業4.0、“互聯網+”等信息科技新浪潮對自動化工程人才的能力培養需求[3]，不斷深化對自動化專業內涵的認識，進一步梳理“中國制造2025”國家戰略實施對自動化專業人才的需求及其知識、能力、素質結構，以實現典型自動化控制系統的設計與實施所需的專業知識與能力素質為主線，從時間維度和空間維度上，按“人文—數理—工程技術基礎—自動化技術基礎—控制理論與方法—控制系統開發技術—自動控制工程技術—網絡化控制系統”的邏輯結構，文理通融，理工結合，徹底打破傳統自動化專業課程體系構建模式，突破傳統自動化課程體系下多門課程的設置方式，以能力培養所需的知識結構來構建新形勢下自動化專業課程體系，不斷優化各知識模塊間的邏輯結構，有效減少知識點的重復和理論課程學時，把更多時間用于加強實踐教學。在教學組織模式上，各模塊可跨多個學期，強調各知識點的連貫性和系統性;突出人文、數理類知識教育在培養新形勢下自動化工程技術人才綜合素質和工程素養方面的作用。

新的課程體系如圖1所示，包括人文社會科學模塊、數學模塊、物理模塊、工程技術基礎模塊、自動化技術基礎模塊、控制系統理論與方法模塊、控制系統開發技術模塊、自動控制工程模塊和網絡化控制系統模塊[3]，由A學分和B學分兩部分組成，共157學分。

3 深度融合理論教學與實踐教學，打造專業金課，加大學生課上課下學習強度，培養學生的自主學習能力與創新意識

教育部“六卓越一拔尖”計劃2.0的核心任務之一是一流課程建設“雙萬計劃”，即“金課”建設，以提高課程的挑戰度，打造金課，淘汰水課，是要讓學生忙起來，教學活起來，學校管理嚴起來[4]。

首先，基于CDIO工程教育理念，構建適應自動化工程能力培養的多層次綜合性實踐教學模式，在新課程體系下深度融合理論教學與實驗教學，突破傳統理論課與實驗課的劃分方式。對基礎性、驗證性實驗，將理論教學與實踐教學融合，不斷探索“邊講理論邊做實驗，或通過實驗引出理論問題，再講解基本原理和方法，通過實驗加深對理論問題的理解”的新模式。

其次，基于CDIO工程能力培養教育理念，考慮各知識點的邏輯性和完整性，設計綜合性實踐教學環節，課堂上主要講授實驗構思思路與基本原理、設計方法和實施步驟，演示實驗實施關鍵過程和結果，引導學生對涉及的理論知識點、實驗思路與策略、設計方法、實驗過程和結果等進行分析、討論，實驗的具體實現（實施）、實驗報告撰寫等由學生在課后完成;然后采用翻轉課堂模式[5]，在規定時間內由學生在課堂匯報實驗結果，教師作進一步點評、引申，激發學生不斷進行研究性學習，進而加大學生課上課下學習強度，提高課程學習挑戰性，培養學生的自主學習能力與實踐動手能力。

最后，各模塊（章節）完整的知識點學習結束，結合實際工程案例，精心設置綜合性實踐教學環節，引導學生（或學生小組）按照CDIO工程教育思想與方法，自主選擇實驗對象，自己構思實驗方案，綜合考慮實際工程項目實施中的非技術因素，如安全、經濟、倫理、環保等，獨立設計實驗方法，并實現實驗實踐過程，獲得有用的實驗結果，切實加強實踐環節，有效培養學生的綜合實踐能力與創新意識。

4 將工程素質教育貫穿于專業課程教學和人才培養的全過程，培養學生解決復雜工程問題的能力

2018年10月，教育部在《關于加快建設發展新工科 實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》中指出：樹立工程教育新理念，著力提升學生解決復雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實施案例教學、項目式教學等研究性教學方法，注重綜合性項目訓練[6]。面向新形勢下“中國制造2025”國家戰略實施及新工程建設對自動化工程人才的能力培養需求，深入分析工程教育專業認證對自動化專業人才解決復雜工程問題能力培養的具體要求及其工程教育屬性與特征，在人才培養過程中，除了加強人文社會科學類課程所承擔的思想道德、文化和身心素質教育外，堅持把與工程教育密切相關的創新意識、經濟、環境、可持續發展、總結與表達、溝通與合作等非技術因素方面的工程素質教育貫穿于專業課程教學和人才培養的全過程，保障新形勢下自動化專業人才的工程素質教育水平。

與此同時，加強工程素質教育中復雜工程問題能力培養的綜合實踐平臺建設與實踐。有效結合科研成果，面向自動化領域實際工程問題，選擇新課程體系中典型工程實踐類模塊，構建基于復雜工程問題能力培養的綜合實踐平臺，貫穿整個模塊的教學活動，有效提高學生的工程實踐能力。如對于“控制系統開發技術”模塊，主要涉及計算機與編程語言基礎、數據結構、單片機、嵌入式系統、PLC和工程控制軟件設計等知識點，設計以“單片機最小系統—智能小車—智能小車協同控制（車聯網/車載儀表）—立體車庫”為主線，構造由立體倉庫、多個搬運機器人與智能小車以及車聯網組成的復雜自動化系統作為綜合性開發/實驗平臺，教學過程的各環節，包括理論教學、實驗以及課外設計/開發，均與該平臺密切結合。

單片機部分要求組裝并開發智能小車及其控制系統;嵌入式部分要求開發車聯網終端系統，并與智能小車及其控制系統集成，以支持智能小車的協同控制;PLC部分要求開發出立體倉庫及搬運機械手控制系統;工程控制軟件設計部分要求能為相應子系統軟件的開發提供合適的解決方案。整個項目貫穿模塊內的主要知識點，而且要求多個課外綜合型開發實驗的結果最終能集成運行。在系統集成開發過程中，要求學生綜合考慮經濟、可靠性等制約因素，評價技術選擇是否合理、設計方案是否先進，把創新意識、科學研究方法、工程意識、管理決策等工程素質教育融入系統分析、系統設計的整個教學活動中，培養學生從事工程職業所具有的綜合能力和素質。

5 結語

1）緊密結合新工科建設需要，以學生能力培養要求所需知識點為主線，理工結合，構建自動化專業課程新體系，包括人文社會科學模塊、數學模塊、物理模塊、工程技術基礎模塊、自動化技術基礎模塊、控制系統理論與方法模塊、控制系統開發技術模塊、自動控制工程模塊和網絡化控制系統模塊共九大模塊。

2）深度融合理論教學與實踐教學，提出基礎性、驗證性、綜合性多層次實驗實踐教學模式，打造專業金課，加大學生課上課下學習強度，培養學生自主學習能力、綜合實踐能力和創新意識。

3）將工程素質教育貫穿于專業課程教學和人才培養的全過程，培養學生解決復雜工程問題的能力，加強綜合實踐平臺建設與實踐，保障新形勢下自動化專業人才的工程素質教育水平。

參考文獻

[1]吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業人才培養[J].中國大學教學，2015（8）：9-11.

[2]趙肖宇，田芳明，譚峰.新工科背景下自動控制原理課程的分層次教學模式研究[J].高師理科學刊，2019，39（5）：83-85，90.

[3]王平，蔡林沁，呂霞付，等.基于工業化與信息化深度融合的自動化專業課程體系改革[M]//2017年全國自動化教育學術年會論文集.2017（8）：628-632.

[4]教育部.介紹“六卓越一拔尖”計劃2.0有關情況[DB/OL].[2019-04-29].http：//www.moe.gov.cn/fbh/live/2019/50601/twwd/201904/t20190429_380086.html.

[5]王坤.“自動控制原理”課程翻轉課堂教學模式研究與思考[J].教育現代化，2019（4）：138-140.

[6]教育部 工業和信息化部 中國工程院 關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.