融合信息化、智能化和產業化的電氣專業教學探索

馮興田 馬文忠 趙仁德 董 磊

(中國石油大學(華東) 新能源學院， 青島 266580)

工科大學教育的主要目的是培養高級工程技術人才，要求學生在具備專業基礎知識的同時，必須緊跟社會、科技的發展，具有相當的分析研究和實踐創新能力，從而在以后的工作學習中創造性地解決工程技術難題[1]。新工科建設、“卓越工程師”培養計劃、工程教育認證、中國制造2025、“互聯網+”“一帶一路”等國家重要戰略對我國高等教育改革發展提出新的要求，工科專業面臨新機遇、新挑戰，使得專業建設和專業教學改革成為當務之急。電氣工程及其自動化(以下簡稱電氣)專業，是一門涉及電力電子技術、計算機技術、電機電器技術、信息與網絡控制技術和機電一體化技術等諸多領域的綜合性較強的專業[2-3]。作為電氣信息類工科專業，在教學中運用信息化、智能化、產業化技術，有助于學生密切關注學科前沿，結合學科發展趨勢，順應時代發展，實現產學研無縫鏈接。

為了加強電氣專業本科生在新工科建設環境下，積極開展融合信息化、智能化、產業化的實踐教學活動，很多高校和專家學者都在積極探索實踐體系和教學模式：①他們在培養方案、課程設置和成果評價等方面，基于OBE理念提出了具體實施策略，展現了信息化、產業化和安全化在其中發揮的重大作用；②改造傳統教學模式，融入智能化元素，實踐了泛在、移動、個性化學習方式的應用；③借鑒“互聯網+”商業模式，推進實驗室管理模式創新，緊密結合信息化、智能化、產業化元素，實現電氣專業的特色建設[4-6]。

中國石油大學(華東)電氣專業于2014年9月開始實施教育部“卓越工程師”培養試點，2019年申請工程教育專業認證并順利通過。在國際國內的新工科建設背景下，不斷跟隨科技發展，對于專業建設和教學改革，有機融入信息化、智能化、產業化的思想，不斷加強培養學生的工程思維、工程實踐和工程創新能力，當前電氣專業還在不斷開展有益的探索和實踐。

1 教學改革總體實施方案

新工科背景下融合信息化、智能化、產業化的電氣工程專業教學探索，依托電氣工程卓越計劃和新工科建設目標，以突出工程教育理念，提升學生工程思維、工程實踐和工程創新能力為中心，以培養學生解決復雜工程問題能力為突破口，緊密跟隨新技術的發展，將電氣專業的知識內容與前沿科技發展有機結合，通過實施可行的具體措施，探索適合的教學方法和教學模式。具體的教學改革方案如圖1所示：信息化、智能化、產業化相互交織融合，工程思維、工程創新和工程實踐能力相互滲透提升。

圖1 融合信息化、智能化和產業化的教學改革方案

2 教學改革具體措施

2.1 信息化應用培養工程思維能力

近年來專業已建設了一批線上資源，但廣大師生仍習慣于傳統課堂模式，不過在疫情期間通過調查發現，大多數學生還是青睞于在線直播方式，多數教師也身陷其中；即便課程擁有完整豐富的線上教學資源，仍然首選在線直播授課的方式。鑒于此，信息化建設依然秉承客觀規律，循序漸進，從資源規劃開發，到資源整合利用，再到教學模式改革，逐步推進。首先充分發揮網絡優勢，引入國內外優秀課程建設平臺(如中國大學MOOC、智慧樹等)，積極推動資源與經驗共享，加強相互合作，建設一流線上課程；根據專業課程屬性、類型、難易度等具體特點，施行分等級、分層次、分階段建設，有序推進“全部課程上網計劃”；探索信息化應用方法，結合傳統教學提高在線教學的課程利用率；研究信息化教學考核方法，完善課程考核體系。

以國家一流、省一流課程申報建設為契機，針對線上優質課程、線上線下混合課程，完善課程線上資源。專業課最大的挑戰，就是技術的快速迭代，尤其是在電氣行業，各種新的控制策略、控制平臺和控制對象不斷涌現，促使持續改進原有的控制策略，以適應新的控制要求；控制平臺的進化，特別是人工智能的興起，需要不斷完成控制平臺與控制策略的適配；新的應用場景，新的控制對象，需要不斷的探索，教學內容也要隨之調整、更新，信息化教學資源也要與時俱進、不斷完善。在現有信息化資源的基礎上，豐富資源的寬度、廣度和深度，提高資源的新穎性、可視化和吸引力。

借助互聯網技術突破時間、空間限制的獨特優勢，搭建課程遠程互動學習平臺。利用現有網絡資源開展更多啟發式、探究式、討論式等教學探索，加強信息化資源的應用，同時促使學生具備越來越強的互聯網學習技能和信息技術應用技能。特別是一些對于智能化先進技術的具體應用案例，很能吸引學生的興趣。從前期引導學生學習，并不斷注入工程理念和工程思維，逐步進展到學生主動接受、樂在其中，享受知識帶來的幸福感。

尋求科學教學方法和教學模式是教學改革的重要內容。教學方法與課程內容、應用背景和相關技術的最新發展動態密切相關。從提升學生對知識掌握能力和培養學生解決問題能力的角度，尋求更適合的教學方法。探索角色互換、量身定做教學模式，明確學什么、如何學、學得好的問題。首先讓學生思考分析需要學什么，自己如何能夠通過信息化資源了解相關知識，再由教師協調線下教學和具體指導，學生通過線上線下結合學習相應的內容，既能充分體現學生的主體地位，又能發揮教師的主導作用。

2.2 智能化元素突出工程創新能力

電氣專業教學中，加強跨學科交流與實踐，結合智能制造、云計算、人工智能、機器人等應用的具體技術，借助虛擬仿真實踐平臺，潛移默化地與專業課程相融合，引導培養學生向實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才發展。

在理論教學和實踐環節中，特別是新生研討課、學科前沿課、認識實習課程，適當引入智能化的先進技術元素，通過三維動畫、高科技產品展示、生產流水線參觀等一系列直觀的視覺聽覺沖擊，激發學生產生濃厚的學習興趣。比如圖2所示為學生實習參觀某新能源研發基地的照片，通過屏幕上直觀的畫面讓學生了解到新能源的發展、分布以及能源互聯網的概念、與電氣專業的關系等等，在學生腦海里打上深深的烙印，激發他們學習相關智能技術的熱情。

圖2 學生實習參觀新能源研發基地

結合信息化資源的建設，構建基于網絡環境的智能化數字平臺，建設開放課程和實踐教學資源庫，提供內涵豐富、涉獵面廣的網絡教學資源，建設良好的線上線下、課內課外相結合的自主學習和混合式學習環境。加強與新興產業、智能化制造等高精尖企業的教學與產業的合作，搭建良好的創新實踐平臺。一方面豐富了動態更新的智能化教學內容體系，一方面提供了身臨其境地體驗智能化產業實體環境，為激發學生靈感、促進創新能力的培養創造良好的條件。

2.3 產業化落地強化工程實踐能力

新工科建設和卓越計劃2.0都對實踐創新能力提出了很高的要求：研究完善電氣專業的教學體系，加強實踐項目的管理制度和實施策略，提升師生投入熱情；加強虛擬仿真實踐平臺的開發與建設，在實踐中有機融合信息化與智能化元素；拓展新型實踐基地建設，產學研結合構建產業化實習鏈，實現產業化理念和實踐的四年不斷線、水平逐級升高。

產業化實踐教學體系如圖3所示，針對電氣專業涉及的各類實踐環節，按照實踐內容的特點和層次分為五種類型，對內容的設置制定相應的要求，有機融合信息化、智能化、產業化思想，采取靈活的具體實施模式，通過豐富的教學手段和方法，配合實驗室、科研室和實踐基地的建設，全面培養提升學生的工程素質和實踐能力。通過該實踐體系的實施，能夠實現實踐課程之間的融合、理論實驗之間的融合、師生交互的融合、信息化、智能化與產業化的融合，使學生充分接受現代工程師的基本訓練，能夠解決電氣工程領域復雜工程問題。

圖3 產業化實踐教學體系

梳理實踐課程體系，重構實踐教學大綱，優化實踐課程、訓練項目的內容。結合理論課程的行業發展特色，在實驗項目中配套引入相應的特色內容，理論課堂也采取多種手段充分滲透實踐理念。結合工業現場實際，加強虛擬仿真平臺建設，創造“數字孿生”環境；結合教師的科研項目，在創新訓練、畢業設計中融入工程理念，全方位開展工程實踐鍛煉；規劃協調各門實踐課程的內容設計，讓學生得到全面充分而又個性鮮明的訓練，培養出較強的思維思辨能力、工程實踐能力、團隊協作能力和工程創新能力。

完善校外企業實踐基地、專業創新實驗室、校機電總廠石油工訓中心、東營校區實習實踐基地等“四位一體”的工程實踐場地體系，搭建多角度、多方位的實踐平臺。

其中，積極推動校外企業實踐基地建設是重點也是難點，完善勝利油田實習實踐基地、拓展青島高科技產業基地、應用古鎮口科教園區新能源基地、利用學校和兗礦集團的共建平臺都要付出努力。校企深化合作，探索產學研一體化培養新模式，使產業化理念真正落地：聘請企業專家入校授課，在日常的課堂教學中融入產業化思想；學生進入企業實踐現場能夠身臨其境，與產品、生產線近距離接觸，與工人、工程師面對面交流；學生親手實踐參與企業的生產過程，包括設備操作、產品制造，甚至于設計研發等多個環節。

3 實施效果分析

在新工科背景下，我校電氣工程系構建了融合信息化、智能化、產業化的電氣專業教學體系，同步開展了教學改革與實踐，在專業建設、信息化資源建設、實踐基地建設和學生培養等各方面都取得了顯著的成效。

3.1 信息化資源由量變到質變

我校于2014年引進清華在線課程中心之后，已經實現了重點課程、專業核心課上網，2018年啟動“全部課程上網計劃”，本科生所有課程將分批次全部實行信息化。迄今為止，電氣專業全部專業課程完成了在線資源建設，同時本專業的重點課程和專業核心課程，都已在智慧樹、學銀在線等全國網絡教學平臺上線運行，部分課程也已按照國家一流、省一流的標準建設完成。其中，我專業教師負責的“科技創新實踐”課程于2020年獲批國家級一流社會實踐課程。課程內容涉及從專業基礎知識到學科前沿技術，從生產生活實踐到高科技智能化產品，從跨學科知識交叉到跨地域文化交叉，應有盡有，滿足了學生多方面的學習需求，學生的工程理念在課程教學互動中逐漸顯露。

3.2 學生工程實踐能力和創新意識穩步提升

學生在課上實踐環節鍛煉的基礎上，還積極參加課外各類大創項目、競賽活動和科研項目，并取得了豐碩的成果。近三年電氣專業學生在挑戰杯、全國大學生電子設計競賽、全國大學生“西門子杯”工業自動化挑戰賽賽區賽及全國總決賽、全國大學生“恩智浦杯”智能汽車競賽、山東省大學生機器人大賽、山東省大學生電子設計競賽等多項賽事中，共獲國家級及省級獎項100余項，獲批國家級、校級大學生創新創業訓練項目近百項，組建、參加社會實踐隊伍40余支，工程實踐能力和創新意識得以充分展示和提升。

3.3 實踐平臺和實踐基地的數量和功能不斷拓展

除校內的國家級工程訓練中心外，電氣專業建設了5個常年穩定、條件完備的校企實習基地：中石化齊魯石化公司實習基地、東營勝華煉廠實習基地、勝利油田勝利發電廠、華能黃島發電廠、大唐東營風電廠實習基地。根據專業的培養目標，學生深入企業的各個運行部門，了解工業流程、生產工藝以及與本專業相關的電氣控制系統、電力設備的使用情況，樹立工程理念；跟隨現場值班執勤，融入企業文化；參與圖紙設計、產品設計以及輔助焊接、調試等實際操作，積累工程經驗。近年來，拓展了特銳德實踐基地、中德生態園實踐基地等高新科技實踐基地，我校與兗礦集團合作的古鎮口科教園區新能源基地也投入運行，有效推動了實踐基地和實踐平臺的建設。實踐基地的規模和質量受到專業認證專家的一致好評。

4 結語

結合電氣工程專業的教學現狀，設計了融合信息化、智能化和產業化的教學改革方案，并分別詳細闡述了教學改革的具體措施。通過融合信息化、智能化、產業化的電氣工程教學體系的實施，取得了較好的教學效果，建設成效顯著。