新工科自動化“一體兩翼”專業課程群建設的探索與實踐

梁 軍，侯迪波，謝穎峰，謝依玲

（浙江大學 控制科學與工程學院，浙江 杭州 310027）

新工科建設是我國高等工程教育改革的重要舉措，從“復旦共識”到“天大行動”，再到“北京指南”，逐步確立了新工科建設目標、行動路線和具體實施內容。新工科建設給傳統工科專業帶來了多方面機遇和挑戰，本科課程教學是重要一環。傳統工科專業要通過新工科建設滿足“新技術、新業態、新產業、新模式”要求，不僅需要對自身課程體系進行與時俱進的結構性改革，而且需要在課程體系內部根據新工科培養要求進行優化重構，兩者共同完成新工科建設的“內涵和外延協同發展”。其中，專業課程群建設是重要的一項工作。

課程群教學是對培養對象相同、課程內容密切、培養功能相近的多門課程進行重組并組織實施的一種整體化教學模式，也是一種新型的課程平臺。一方面，課程群教學跨越了傳統的課程和知識結構邊界，聚焦于跨課程的知識體系，有利于教師采用團隊式和研究式等新的教育理念和教學模式，激勵教師在教學過程中廣泛而深度開展實驗式和情景式教學。另一方面，作為多元化知識的教學體系，課程群教學也有利于在教學過程中形成既關注基本理論和知識傳授、又突出多種專業能力培養的協調格局，啟迪和開發學生的系統性思維和創造性思維，提高學生自主學習、研究學習和創新學習的能力。因此，課程群建設和教學廣受關注，是近年來高校教學改革的熱點之一。

本文以浙江大學自動化專業為實踐背景，結合新工科要求，從新工科自動化“一體兩翼”課程群建設和課程優化整合兩方面，開展自動化專業本科課程教學改革與實踐，為類似專業新工科建設積累經驗、提供借鑒。

一、現狀分析

浙江大學自動化專業（以下簡稱“本專業”）始建于1956 年，是全國高校最早建立的自動化專業之一，現依托“控制科學與工程”國家一級重點學科，建有“工業自動化國家工程研究中心”“工業控制技術國家重點實驗室”“工業控制系統安全技術國家工程實驗室”和“流程生產質量優化與控制國家級國際聯合研究中心”等四個國家級研究平臺和二個省部級平臺。本專業所依托的“控制科學與工程”入選首批國家“雙一流”建設學科、位列第四次學科評估“A+”學科。

本專業傳承自早期的化工自動化專業，60 多年的發展歷史使面向各類流程工業的控制工程成為本專業的特色方向。因此，在專業課程體系的設置上也具有很強的流程工業自動化特色，主要有以下幾個課程大類：（1）自動化專業公共基礎課和通識課，如數學類基礎課、電類基礎課、計算機類基礎課、各類全校性通識課；（2）自動控制理論與系統類專業課；（3）檢測儀表與執行機構類專業課；（4）控制器硬軟件設計與應用類專業課；（5）多種控制對象（如石油化工、能源發電、鋼鐵冶金、機械電氣等）對象建模、仿真與優化類專業課；（6）與計算機硬件、軟件、網絡知識有關的專業課；（7）專業領域拓展（人工智能、機器人及其他無人系統、工控網絡安全、物聯網、航空航天等）有關的部分專業課；（8）各種實驗實踐課程和環節。其中，前四類以必修課程為主，后四類多為拓展性、深化性選修課程。

對照新工科建設要求，尤其在開設“機器人工程”專業以后，面向“自動化”和“機器人工程”兩個專業方向的培養需求，體現在課程體系層面上的主要問題包括：

（1）涵蓋“自動化”和“機器人工程”兩個專業方向的課程體系需要精心的頂層設計，實現兩個專業方向課程的知識層融合。

經歷60 多年發展，本專業在自動化專業方向上已經形成了自己的優勢和特色，有健全的培養體系和課程設置、豐富的教學實踐資源、完整齊全的師資力量和大量的學術研究成果，但這些優勢在目前新工科建設目標下不一定能夠全部轉化為有利條件，例如專業方向發展上的即得固化、教學內容上的習慣性側重、教師知識結構的單一化、教學資源上的專用性，等等。這些不足表現在本科生培養上，亟待解決的一個問題就是進行適應新工科目標的課程體系的一體化頂層設計和結構優化，實現自動化和機器人工程的知識層融合。

（2）各門專業課程間的知識冗余和知識“孤島”必須打破，按照新工科自動化培養要求建設知識主線型課程群。

一方面，新工科的建設為各專業帶來了眾多的新技術、新知識和新產業，使專業課程需要傳授的知識點有了很大增加，具體表現為需要設置大量的新課程，對原有課程和新課程的取舍形成了較大壓力。另一方面，在現有的課程教學模式中，各門課程大都獨自開課，相互之間缺乏協同，造成不同課程間的知識冗余或知識“孤島”，知識“點”居多、知識“線”不夠、知識“面”缺乏，使學生無法形成完整的知識體系結構，制約了學生后續學業發展。因此，根據頂層設計的課程體系，按照知識主線建設課程群就成為解決這一問題的有效辦法之一，不僅能夠聚焦核心知識點、提升教學效果，也能夠按知識主線提高學生自主學習、研究學習和創新學習的能力。

（3）教學內容需要優化整合和推陳出新，教學方法需要不斷改進，以適應新工科提出的更高要求。

科學進步和國家戰略需求，將高等學校人才培養目標提升到了一個新高度。具體到基層的教學活動，課程教學內容和教學方法的革新是達到這個新高度的基本手段。以本專業核心課程“傳感技術與檢測儀表”為例，面向流程工業的五大儀表（溫度檢測、流量檢測、壓力檢測、液位檢測、分析檢測）在新的培養體系下要增加面向智能機器的視覺檢測、運動檢測、位置檢測等，教學內容需要更新。同時，教學內容的更新和教學手段的進步（信息化、互聯網、仿真技術等）也推動教學方法的不斷改進。

經過多年持續不斷的努力，已經完成了課程體系的頂層設計和規劃重構，并在此基礎上完成了課程群的建設工作。目前正在步步向前推進的是課程教學內容的優化整合及教學評價和質量保障體系的完善。本文將重點介紹課程群建設和課程優化整合中的一些探索與實踐工作。

二、“一體兩翼”課程體系下的專業課程群建設和課程內容優化整合

（一）重構“一體兩翼”的課程培養體系，構建適應新工科人才培養要求的新平臺

針對自動化專業具備多學科交叉、多領域應用的橫斷學科特點，及傳統自動化控制向數字化、網絡化、智能化發展的趨勢，通過對專業培養方案進行重構修訂，構建了以“控制理論與工程”為主線，以“人工智能與大數據”和“機器人與智能系統”為兩翼的全新課程體系，在強調培養學生具備扎實自動化專業核心基礎知識與能力的同時，具備融合新興技術進行實踐創新的核心競爭力，如圖1 所示。

圖1 新工科自動化專業的“一體兩翼”培養體系

（二）建設“一體兩翼”體系框架下的專業課程群，形成科學配置課程體系、打造強力教學團隊的新機制

課程群建設是課程群教學的基礎，是以多門相近或相關課程為基礎，采用“結構整體有序、內容穿插嫁接”的邏輯思維和結構化改造方式，對各門課程的教學目標、教學內容和教學方法等進行一體化整合和內容優化的過程，為“培養富有創新精神和實踐能力的創新型、應用型、復合型優秀人才”提供一個完整的課程培養體系和有力的課程資源保證，是進一步塑造專業內涵及專業特色、人才培養定位的重要支撐。

基于“一體兩翼”課程體系，建立了如圖2 所示的9個專業課程群。其中，控制理論課程群、控制工程課程群、控制系統課程群、傳感檢測課程群、軟件與算法課程群主要服務于自動化控制（“一體”）的課程需求，人工智能課程群、網絡與安全課程群主要側重于人工智能與大數據（“一翼”）的課程需求，機器人課程群、智能硬件課程群主要側重于機器人與智能系統（“一翼”）的課程需求。各課程群的課程設置主要包括：

圖2 新工科自動化專業的課程群結構

（1）控制理論課程群：自動控制理論（甲）、現代控制理論、信號分析與處理、先進控制基礎、自動化前沿交叉技術講座、自動控制理論（乙，微輔修）。

（2）控制工程課程群：系統建模與仿真、過程控制、智能控制技術、智能供配電技術、智慧新能源技術、過程控制（微輔修）。

（3）控制系統課程群：計算機控制系統設計與實踐、電氣控制技術、智能制造與企業自動化、工程管理專題講座、測控系統綜合實踐、自動化綜合創新實踐。

（4）傳感檢測課程群：傳感與檢測、生物傳感器技術、公共安全檢測技術、微流體控制與檢測技術、傳感與檢測（乙，微輔修）。

（5）人工智能課程群：人工智能與機器學習、數字圖像處理與機器視覺、大數據解析與應用導論、數據驅動建模與應用、深度學習、機器人與智能系統綜合實踐。

（6）機器人課程群：機器人建模與控制、運動控制、機器人導論、智能移動技術、空中機器人、物流自動化概論、機器人導論（微輔修）、人工智能與大數據綜合實踐。

（7）智能硬件課程群：嵌入式系統、智能儀器設計與開發、智能電子設備開發、DSP 系統設計、FPGA 系統原理與應用、嵌入式系統高級實驗。

（8）軟件與算法課程群：數據結構與算法分析、面向對象的編程技術（C++）、面向對象的編程技術（JAVA）、數值計算方法、軟件技術基礎、運籌學、決策支持系統。

（9）網絡與安全課程群：計算機網絡與通信、信息物理系統安全、物聯網與大數據實踐、物聯網安全、物聯網技術與應用。

課程群建設是一個系統工程，不僅僅是將幾門課程進行簡單的捆綁，它是以學生的能力培養為主線、以課程的邏輯聯系為紐帶、以教師團隊合作為支撐、以提升教學質量為目標的課程建設模式。本專業學生在四年的培養期內，其課程學習按照課程群的設置，遵循知識層級的循序漸進和創新實踐能力的逐步提高完成學業，如圖3 所示，各課程群課程依次遞進、前后連貫，形成上下有序、左右融合的完整課程體系。

圖3 依次遞進、前后連貫的課程群培養流程

課程群的建設圍繞著“科學配置專業課程、有利于提高教學質量和人才培養、打造強有力教學團隊、持續深入教育教學改革、密切結合教師的責權利”的目標進行。為此，構建合理的課程群架構、完善課程群相關工作制度、制定課程群相關管理辦法，是保持課程群長效機制的重要手段。在課程群架構方面，設立“總體組”“課程群”“課程組”“任課教師”四級架構。其中，“總體組”由學院教學院長和所有課程群組長組成；“課程群”負責人為課程群組長，成員為本課程群所有任課教師；“課程組”負責人為某課程責任教師，成員為同一課程下所有任課教師（含平行班教師）；“任課教師”為個體教師自身。相關工作職能方面，主要包括：開展課程群建設，制訂課程群工作制度和管理辦法；進行課程群工作的組織和協調；對國內外高校自動化專業進行調研和提出教學改革建議；對課程知識點進行梳理和優化，完成培養方案和課程大綱的修訂工作；進行教材、教輔資料、課件、題庫、網站等多種形式教學資源的建設，不斷更新教學內容，改進教學方法與手段；進行新開課教師的審查和培訓，建立起課程群教學團隊；以課程群為單位，常態化地開展教研活動、集體備課活動、教學觀摩活動，等等。

經過幾年的課程群運行實踐，通過課程群平臺優化組合起了若干支人員結構穩定、教學效果好、教學能力強的高水平教學團隊，持續深入、高效優質地完成了相關課程的教學和教改工作。

（三）優化整合課程教學內容，布局兼容并蓄、邏輯合理完整的課程知識新框架

在目前的課程體系中，許多課程在本專業已經開設了許多年，如自動控制理論、過程控制、傳感與檢測、計算機控制系統、信號分析與處理等。由于歷史的原因，目前這類課程的教學內容多偏重流程工業過程的控制工程，不能很好地符合“新技術、新業態、新產業、新模式”要求，教學內容趨于“陳舊”，課程知識點趨于固化。以自動控制理論和傳感與檢測兩門課為例分析。自動控制原理的主要知識點包括控制系統的數學模型、控制系統時域分析、控制系統穩定性分析、根軌跡分析、頻域響應分析、線性離散系統、線性系統狀態空間模型等，現行的課程方案中，從原理到方法再到案例，基本是以流程工業過程作為應用背景，與機器人中需要的機電系統建模、運動規劃與機電伺服控制相去甚遠。在目前的傳感與檢測課程中，主要以流程工業中常見的溫度、流量、壓力、液位、成分分析為檢測對象，而智能無人系統中急需的位移、速度、加速度、轉速、力矩轉矩、視覺信號和雷達信號等則較少涉及。因此，在若干課程中補充、擴展與新工科需求有關的內容，實現教學內容上新、老工科的兼容并蓄是必要的。

另一方面，獨立開課、相互間缺乏內容整合的相近課程，往往存在課程內容“重疊”或知識點“空白”的情況：一種情況是，同一個知識點在多門課程中都有提到，但都沒有講透徹；另一種情況是，隨著時代和科技發展，新的、必要的知識點尚沒有補充進來。因此，也需要對課程內容進行優化整合，對專業知識點、知識體系進行頂層設計，構造完整的知識框架，然后按框架的知識邏輯關系在各個課程群和課程中優化配置，減少“重疊”，不留“空白”。

針對上述問題進行課程內容優化整合的主要措施是，一是“升級改造”一批需要進行知識范圍拓展和內容更新的專業基礎和核心必修課程，補充一些符合新工科需求的教學內容和知識點；二是“優化組合”一批內容重合度高、教學目標相近的選修課程，沿幾條獨立主線凝練主干課程，形成結構有序、點線面完整的知識框架；三是“增補新開”一批體現新工科特點的選修課程，主要填補“人工智能與大數據”和“機器人與智能系統”兩翼中的知識點“空白”。

課程內容的優化整合，是一項長期和細致的任務，一般需經歷課程內容討論、劃定課程邊界、按照課程邊界組織各自授課內容、備課、授課、開課效果反饋、內容再調整等幾個環節，課程群這樣一個組織機制和運行模式對課程內容的優化整合起到了保障作用。為此，近年來在各個課程群間和課程群內部，開展了多次教學研討會，逐群、逐課推進課程內容的優化整合，各門課程的教學目標和任務更加明確，教學質量不斷得到提升。

三、結束語

近幾年來，本專業結合新工科建設的內涵、外延協同發展要求，在強化專業方向交叉融合、重構課程體系、優化整合教學內容、完善教學評價等方面開展了一些卓有成效的工作，形成了具有自身鮮明特色的課程教學體系。本文首先梳理分析了專業教學現狀和存在的主要問題，然后在“一體兩翼”課程培養體系重構的基礎上，對照新工科建設要求，介紹了建設專業課程群和優化整合課程教學內容所開展的一些工作。幾年的教學實踐表明，課程群的建立有利于形成科學配置的課程體系、打造強力教學團隊，而優化整合教學內容則有助于形成結構有序、點線面完整的知識框架，進而提升教學質量。另外，為了幫助學生尤其是低年級學生在“一體兩翼”體系下選修各專業課程群課程，實現預定的培養目標，本專業采取了以下幾項引導性措施：一是加強對培養體系及選課方略的宣貫；二是由學院資深教師和教學管理人員組成咨詢釋疑小組，負責指導同學們的修學規劃和解答同學們遇到的問題；三是學院建立了本科生“成長導師”制度，在學院內部聘任若干教師，每位教師帶領一位研究生與五六名本科生結成成長團隊，幫助同學們正確、順利完成課程學習任務是團隊導師的一項主要職責。