新工科視域下的教學改革新探索

祝雪芬 宋愛國 祝學云

摘 要 目前，我國高校本科人才培養存在人才培養模式單一、面向工程實踐能力不足和創新能力激發不夠等問題。針對這些問題，本文結合東南大學測控技術與儀器專業在本科教學改革方面的新探索，闡述理論與實踐教學新模式的創建、實踐教學新體系的構建、教學新氛圍的營造和全方位校企聯合人才培養的新探索，并介紹先進實用的“遠程虛擬測控實驗平臺”。

關鍵詞 教學改革 人才培養 校企聯合 實驗平臺

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.09.015

Abstract At present， there are some problems in the cultivation of undergraduate talents in colleges and universities in China， such as the single talent training mode， the lack of engineering practice oriented ability and the insufficient stimulation of innovation ability. In view of these problems， this paper， combined with the new exploration in undergraduate teaching reform of measurement and control technology and instrument specialty of Southeast University， expounds the establishment of new mode of theoretical and practical teaching， the construction of new system of practical teaching， the creation of new teaching atmosphere and the new exploration of all-round college enterprise joint personnel training， and introduces the advanced and practical "remote virtual measurement and control experimental platform".

Keywords teaching reform; talent training; school enterprise alliance; experimental platform

自2011年漢諾威博覽會首次提出了工業4.0的概念以來，包括德國、美國、日本、法國在內的發達國家紛紛出臺了工業革命國家戰略計劃，我國也隨之繪制了《中國制造2025》藍圖，其主要目的是激發創新能力，用創新推動國家工業革命的進程，在未來的工業競爭中能夠搶占先機。其中智能工廠、智能生產、智能物流成為新的時代主題?？梢灶A見，更加先進智能的生產方式將會很快替代原有的傳統生產方式，然而這一切都依賴于科技的快速進步，依賴于每一個科研工作者為推動技術進步做出的努力，因此對國內高校的工科教育提出了新要求。以新工科人才培養為目的，東南大學測控專業經過多年的探索與實踐，創建了“三階段，三步走，三結合”的教學新模式，構建了“面向全程，面向工程，面向多元”的實踐教學新體系，營造了“教依于學，學受于教”的師生高度互動的教學新氛圍，建立了校企聯合授課、校企聯合指導、校企聯合設計和校企聯合攻關的“四聯合”人才培養新模式，建成了具有實踐性和創新性的 “遠程虛擬測控實驗平臺”，對“工程教育4.0”實施了初步探索。

1 “三階段，三步走，三結合”的教學新模式

雖然國內高校已日益重視學生能力教育，但傳統本科人才培養方案仍然普遍存在注重知識理論，強調“教”的過程，忽視了“學”的認知和實踐過程，人才培養模式單一、面向工程實踐能力不足和創新能力激發不夠的局限。[1-2]為適應新工科的人才培養要求，創建了“三階段，三步走，三結合”的教學新模式。（1）“三階段”的教學過程，指課前布置預習內容，帶著問題進課堂，激發學生興趣，養成自主學習的習慣，培養自主學習的能力;課中以問題為導向，采用現場演示、師生互動教學方法，提高課堂效率;課后根據老師布置的課題，自主復習，自主訓練，鞏固提高，培養自主解決問題的能力。三階段，旨在突顯學生在學習中的主體地位，增強學生自主學習的意識和能力，提升課堂教學的有效性。（2）“三步走”的教學方法，指在課堂教學上，形成了一套“重點難點帶著學，實際應用看著學，拓展內容自己學”為特點的教學方法。注重依據不同的教學內容，采用與之匹配的教學方法，將“帶著學”“看著學”“自己學”有機結合起來，強化課程教學、實踐教學和課外自學的時空接續。（3）“三結合”的教學手段，是指將“FLASH動畫展示，基于MATLAB、JAVA仿真軟件，基于LABVIEW的虛擬儀器”三種現代化教學手段有機結合，進行漸進式講授和驗證?！叭Y合”充分運用現代科技手段，采用動畫、虛擬、仿真等方式，在理論教學與實踐教學之間架起一座橋梁，實現理論與實踐的有效對接。如圖1所示。

“三階段，三步走，三結合” 教學新模式以虛擬實驗室、示范試驗中心為基礎，以教依于學，學受于教為前提，以自主學習、虛實結合教學模式為核心，以融合理論基礎和實踐能力為目標，最終幫助學生對知識從定性理解到定量掌握、從局部理解到全局掌握、從淺層理解到深層機理掌握的有效升華。

2 虛擬實驗平臺和教學實踐融合的新探索

為適應“三階段，三步走，三結合” 教學新模式，在教學基礎上依托學科在測控技術和虛擬儀器方面的優勢，與NI公司合作建成了具有創新性的、國內外領先的“遠程虛擬測控實驗平臺”以用于本科教學。如圖2所示，虛擬儀器把傳統儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，將測控系統的工作過程如動畫般展示，將實驗教學搬進了課堂，搬上了網絡，實現了理論與實踐的完美融合，促進了教學方法、手段的完善，激起學生的學習熱情。

尤其學生在充分熟悉“遠程虛擬測控實驗平臺”的創建使用原理后，能夠針對具體項目自主開發出更多的虛擬測控系統，極大提高其學習積極性和主動性，充分開拓其思維，發揮其想象力。此外，學院通過舉辦國家級虛擬儀器競賽以鼓勵本科生參與虛擬測控實驗平臺的開發，并取得優異成績。通過該平臺，學生能不依賴于傳統的測量測試儀器設備，完成遠程的數據采集、分析處理與控制任務，實現了實驗設備的網絡共享，并掌握基于虛擬儀器的測控系統構建方法。相比單一的實際測控教學平臺，虛擬測控實驗平臺有如下優勢：（1）構建的教學模型種類更廣，層次更豐富;（2）能夠降低學生的操作風險和失敗風險，保障課堂安全性和教學效率。因此，虛擬儀器與實物儀器的結合是“三階段，三步走，三結合” 教學新模式的基礎和特色。

3 “面向全程，面向工程，面向多元”的實踐教學新體系

盡管對各工科專業的核心能力有所差異，在工業新時代，高校對于培養在校大學生的工業創新能力、提高其工業素養這一點是一致的。因此，在實踐教學體系上形成了“面向全程，面向工程，面向多元”的培養創新人才，提高學生實踐能力的完善體系。（1）“面向全程”是指學生實踐能力的培養貫穿于課程實驗、課程設計、畢業設計、技能培訓，以及參加科研項目、創新訓練項目、學科競賽等教學實踐活動的全過程。（2）“面向工程”是指學生參與的科研項目的來源不能是異想天開的，這些科研項目需要有實際的科研工程作為其基礎，學生通過參加真實的項目工程能夠得到更加系統的工程能力的訓練。（3）“面向多元”是指課內實驗的形式多樣，以綜合性、設計性和創新性實驗為主，輔助虛擬仿真實驗，并且考慮到每一個學生的個性特征，學生本身就是多元的，因此“面向多元”還指在教學時應當“因材施教”。尤其地，虛擬實驗室、示范試驗中心等重點實驗室是培養學生實踐技能，培育創新型人才的有效途徑，通過鼓勵學生參加設計性、綜合性實驗、甚至重大前沿科研課題，既能使其得到較全面的培養和實踐鍛煉，又提高實驗教學質量，培養學生科學研究素養（圖3）。

4 “教依于學，學受于教”的教學新氛圍

隨著新興的教育手段和教育工具的出現，學生比以往有了更多的渠道獲得專業知識，新教學氛圍必須正視這一特點，在教學中不斷發現新的教學方法。面對大數據、物聯網、新能源等領域的不斷涌現，教師面臨的競爭壓力很多不僅僅來自于在同一個學校中的其他老師，他們往往還需要和線上的教育資源進行比較，在這種情形下，充分利用互聯網資源，培養學生自主學習、深度學習的能力，是師生同時提升的必然途徑。為此營造了“教依于學，學受于教”的師生高度互動的教學新氛圍?；谠摻逃砟?，教學中既強調老師的導學作用，又注重學生的自主學習作用，將學生自主性、探究性學習能力具體分解為敏銳發現問題的能力、有效解決問題的能力、學以致用的能力和舉一反三的能力。從課堂互動、課外研學互動兩方面出發，形成師生課內外高度互動的教學新氛圍。這對教師隊伍提出了新要求，因此建設了一支以“課程教學+創新實踐指導+教學改革”一體化的教學隊伍。包括：（1）以學術帶頭人為引領，開設了貫穿四年學程的21門研討型課程，包括4門研討型實驗課程。（2）結合具體科研和工程技術問題，開展課堂討論，實施問題式、案例式教學，形成了互動型教學模式，引導學生進行研究性學習。（3）以學生創新能力和實踐能力培養為指引，鼓勵教師指導學生參加各類競賽，實現教學與運用密切結合。（4）建立跨學科合作交流途徑，現代工程問題越來越涉及多個學科，這就要求各個學科的老師和學生加強交流合作，密切配合，在自己的領域內貢獻自己所學，才能一起解決復雜的科研難題。

5 校企“四聯合”的人才培養新模式

作為新工科學生核心能力的評價認可，企業是檢驗測控專業本科人才培養效果的試金石，也是人才培養的重要基地。因此建立了全方位的校企合作培養的新機制，構建了校企聯合授課、校企聯合指導、校企聯合設計和校企聯合攻關的“四聯合”人才培養新模式。在培養方案制訂、開設工程類課程、探究性實驗項目建設、在校內建設探究性實驗室和大學生科研訓練基地、在企業建設工程實踐教育基地、指導畢業設計等方面開展全方位的校企合作。依據科技發展和企業需求，改革電類基礎課程體系和專業課程體系，建設工程實踐與創新設計類系列課程，強化實踐課程、認識實習、專業實習、畢業實習與設計和科研實踐等“五實”環節。積極探索和深化“產、學、研合作教育”新途徑，以校企間的科學研究、工程設計合作項目為支撐，以校企聯合授課、校企聯合指導、校企聯合設計和校企聯合攻關為內容，合作培養測控專業本科生工程實踐、工程設計和工程創新能力。深化校企合作，是工程人才培養的需要，同時，“四聯合”能更多地通過校企合作了解企業對學生基礎理論的學習，創新能力和實踐能力培養等意見和建議，為深入教學改革提供參考與動力，形成培養工程人才教學改革的閉環系統。校企“四聯合”的優勢在于既能發揮企業優勢，保持設備技術更新，技術落地，又能發揮學校優勢，強化理論基礎，培育全面的測控專業本科人才。

6 新工科視域下的教學改革新探索成果

經過上述一系列理論與實踐教學改革的探索，學生培養質量普遍提高。就新工科實踐能力而言，近6年測控專業30%以上本科生在如“挑戰杯”等重要競賽中獲獎140余項，授權專利31項，在國內外重要學術刊物和會議上發表學術論文62篇，申報立項國家級、省級創新實踐項目46項。就新工科創新能力而言，近3年本科生連續獲“中國儀器儀表學會獎學金”一等獎，本科畢業生讀研率在50%以上，出國讀研率在15%以上。就新工科人才培養效果而言，測控專業畢業生進入世界前500 強企業的占總就業人數的60%以上，因此在新工科視域下取得了教學改革新探索初步成果，以期為國內工科兄弟院校提供借鑒和參考。

參考文獻

[1] 薛玉香，王占仁.地方高校應用型人才培養特色研究[J].高等工程教育研究，2016（01）.

[2] 劉恩海，楊鳳葉等.基于提升應用型本科大學生創新能力教學模式研究[J].教育現代化，2018.5（24）.