自動化類專業人才培養過程協同優化的研究
——人工智能與機器人新工科方向專業教學與競賽培育的有機融合

馬鍇，駱曦，華長春，劉福才，陳志旺，呼子宇

（燕山大學 電氣工程學院，河北秦皇島 066004）

人才是產業發展的原動力[1]。理工科高等教育是以培養適應產業需求、具備解決復雜工程問題能力、德才兼備的專業人才為目標，是基礎教育、專業教育、應用實踐教育、創新思維培養互相滲透、交叉進行的教育過程。2017年中國高等教育學會成立競賽評估與管理體系研究專家工作組，對全國普通高校學科競賽進行系列評估和研究[2]，學科競賽成為高校專業人才培養的重要環節。從過程角度看，扎實的專業教育是學科競賽培育的必要基礎，完整的學科競賽體系是實現學以致用的“磨刀石”；從目標角度看，學科競賽是體現畢業生專業綜合素質的試金石。以課程建設為抓手，優化教研體系、教學關系、課程內外安排，擴大學科競賽覆蓋度，構建專業教育與學科競賽培育有機融合的人才培養過程，是同步提升學生專業素質、應用實踐能力和自主學習能力的準確發力點。

2017年中國高等教育學會高校競賽評估與管理體系專家工作組首次發布“中國高校創新人才培養暨學科競賽評估結果”，根據納入評估體系的學科競賽數據對全國各高校創新人才培養質量進行量化評估，至2020年第四輪評估結果發布，納入評估體系的學科競賽已從19項增加到57項[3]。燕山大學自動化專業每年培養近350名本科畢業生，據接收畢業生的相關企業及院校反饋，學科競賽成果是畢業生綜合素質評價體系中的關鍵量化指標之一，體現了畢業生知識儲備、協作意識、創新思維和應用實踐能力等多方面的綜合素質。

一面是專業人才培養體系評價的關鍵指標，一面是用人單位選拔人才的重要依據，隨著競賽數量和參與規模的不斷擴大，本科課程教學體系與學科競賽培育體系之間的鴻溝凸顯。專業教學與競賽培養主次分明、各自為戰，不僅導致了兩者之間資源分配不均[4]，也造成了教學資源的浪費，更阻礙了學科競賽參與度的提高和創新創業教育受益范圍的擴大，成了當前專業人才培養過程優化需要解決的關鍵問題。

為此，2015年，《河北省人民政府辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的若干意見》出臺。在政策的引導下，燕山大學自動化專業組織申報了“基于專業核心素養的多階遞進、多方協同學科競賽培育體系建設研究”“人工智能與機器人新工科專業方向創新創業培養模式研究與實踐”等教學改革項目。同時，學科以新獲批智能科學與技術專業的培養計劃修訂為契機，梳理了專業教學和學科競賽培育體系的內涵，明確了專業人才培養體系優化過程中對教學資源整合的要求，進一步提出了人工智能與機器人新工科專業教學與學科競賽培育有機融合、協同共進的人才培養思路，如圖1所示，從教學過程、競賽培育體系、外部資源整合三個節點出發，對人才培養過程進行了協同優化。

圖1 自動化類專業人才培養過程的協同優化

1 樹根基：專業教學過程的多維度能效優化

課程學習是學生掌握專業知識和提高專業技能的根本渠道，要真正解決培養什么人的問題，必須依托科學的課程體系[5]。學科競賽是學生綜合運用已有專業知識和技能去分析問題、構建思路、擬定解決方案以及驗證方案，進而實現從掌握理論知識到解決實際問題并爭取優勝的活動[6]。專業教學與學科競賽培育應當是相互支撐、相互促進的關系，開展專業教學和學科競賽培育有機融合的教學體系優化是擴大學科競賽覆蓋度、完善教學資源配置和優化專業人才培養過程的核心課題。學科從以下三個方面出發優化教學過程，為學生在學科競賽經歷中的“發芽、成長和開花結果”提供扎實的根基。

第一，弱化課程邊界、加強課程內容關聯，提升教學體系完整性，引導學生以專業工程觀為主線將各課程知識“連點成鏈”。

第二，推動專業課程建設，從內容、形式、目標層面優化教學設計，力爭使學生在專業課中達到“既能理解、又會應用”的狀態。

第三，探索有效的課外學習能力培養方式，提高學生的自學能力。

1.1 弱化課程邊界，提高教學體系的完整性

智能科學與技術專業培養方案以高等學校本科工程教育認證標準為依據制定，其基本構成要素有基礎課、專業基礎課、專業課、集中實踐環節，各門課程的設置目的在于使學生畢業時能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決復雜工程問題。為達成此目標，課程之間本應存在遞進、支撐、融合滲透、有機統一的關系，但教師一般只按照自己對開課課程的理解獨立完成教學活動，且部分基礎課程由其他專業/學院教師承擔；同時，由于缺乏有效的教研溝通機制，授課教師難以就教學內容進行及時溝通和協調，由此造成了課程間邊界凸顯、關聯弱化的問題。

為提升教學體系的完整性，如表1所示，學科針對不同類別課程構建了更加主動和顯性的課程關聯教研體系，通過弱化課程邊界、加強課程關聯，引導學生以專業工程觀為主線，將所學知識“連點成鏈”，同時循序漸進地培養學生綜合應用專業知識解決問題的能力，最后基于學生的不同專業興趣配套開展適應產業、行業和職業發展需求的集中實踐環節，構建學生利用專業理論知識和行業先進技術解決實際問題的工程思維框架。

表1 課程內容顯性關聯的主動教研體系

1.2 優化教學設計，促進理論知識和應用能力的內化

高等教育課程體系中的專業主干課是學生凝練基礎知識并提升專業核心素質的關鍵環節，在以往的教學過程中，教學環節更重視理論知識講授，實踐環節更關注實踐項目結果。但在學科競賽中面對綜合性較強的復雜問題時，應用理論知識構建方案和搭建驗證平臺是一個立體的過程，理論分析和實踐驗證并非按先后順序分別開展[7]。如何分解復雜問題并規劃教學過程中的各個要素和不同環節，使學生在專業課中達到“既能理解又會應用”的狀態是專業課程建設的共同目標。

為此，學科開展了以提升專業綜合素質、提高工程復雜問題解決能力為目標的專業主干課程教學設計研究，在教學設計中首先將教學系統分解為教師、學生、教學內容和實踐資源四個要素，將教師從課程的主導者轉變為學生構建解決復雜問題能力的幫助者、教學內容及實踐資源的開發者，學生則從被動接受者轉變為知識內化的主體和解決復雜問題的踐行者。進而以《華盛頓協議》對復雜工程問題的解釋為依據，結合工程學科課程教學內容的特征，提出了適用于專業教學的“復雜度定理”和“教學梯度定律”。復雜度定理：一個教學環節中的信息增量越大，復雜度就越大。教學梯度定律：教學過程中的知識復雜度應向著遞增的方向，但遞增梯度應與學生當下能力相匹配。

在教學系統要素分解和教學梯度定律基礎上，從教學過程、教學內容和教學目標三個維度出發開展教學設計，如圖2所示。整個教學設計以動態性、過程性和反饋性為重點，在隨時把握教學進度和學生情況的條件下構建新舊知識的聯結點，配合階段形成性考核和實踐驗證，使學生能夠同時完成理論知識和問題解決能力的內化，最終達到“既能理解又會應用”的狀態。

圖2 基于梯度定理和要素分解的教學設計

1.3 完善課程內外安排，探索有效的課外自主學習能力培養方式

學科競賽的本質即為學生運用已有專業知識和技能自主分析并解決問題的過程，課內教學和實踐環節不能完整覆蓋競賽項目所需的全部理論知識，學生參與學科競賽的時間點往往也先于專業教學安排，因此自主學習意識和能力在學科競賽中尤為重要。同時，為適應行業的持續發展，畢業生的終身學習意識和自主學習能力也是專業人才綜合素質培養的關鍵目標。

互聯網的共享性和時效性為工程學科提供了極其豐富的資源，通過MOOC課程、技術供應商網站、工程技術論壇等途徑，學生可以獲得大量最新的課外學習資源，但傳統課程結構、教學和考核方法較為固化，給予學生自主學習的空間極為有限。專業在教學過程的多個環節關注學生自主學習能力培養，包括：開展師生共同收集教材外資源、分析并解決典型問題的教學活動；在部分教學環節要求學生利用課外資源提前學習，課堂中以個人或小組為單位在教師幫助下解決典型問題；完善課程考核模式，考查學生課外自主獲取學習資源并構建部分知識體系的能力。通過以上方式引導學生開發自我學習能力，利用課外碎片化時間形成更完整的工程知識體系和對未知問題的學習、分析與解決能力。

2 促成長：多階遞進的閉環學科競賽培育體系

圖3 學科競賽培育中的閉環學習過程

古希臘學者普羅塔戈（Plutarch）曾言，學生的頭腦不是用來填充知識的容器，而是一支需要被點燃的火把。學科競賽就是點燃火把的“火種”，是培養學生創新精神和實踐能力的有效載體，是激發學生潛能和創造力的最好手段[8]。在以往的競賽培育模式下，學生往往憑借個人興趣驅動參與競賽活動，通過高年級學生傳遞的經驗和自己對往屆競賽資料的理解規劃自己的學習過程，隨機地學習各類競賽所需的專業知識。很多學生可能看不到學習成效，缺乏基本的反饋，導致學習過程的可持續性差，最終只有少數學生具備參與全國性學科競賽的基本素質。構建學科競賽培育體系的首要目的是擴大學科競賽的參與度，保護學生參與競賽的“興趣火種”，讓更多學生走進“競賽圈”的同時也能夠留在“競賽圈”。擴大參與度不等于降低門檻，在學科競賽蓬勃發展、評價體系不斷完善的趨勢下，通過完善的競賽培育體系為學生提供學習階梯和進階渠道是專業人才培養過程優化的基礎工作，而構建競賽培育體系的關鍵在于為學生提供循序漸進的學習閉環。

首先需要把課程培養體系中常見的學習閉環模式落實到學科競賽培養體系中。讓學生能夠以階段性能力提升需求為導向確定學習目標，在大綱引導下完成階段性學習并參加以目標高度為依據的各級各類競賽。同時競賽培育體系需要考慮心理與文化要素，做到以認可樹立信心、以文化推動熱情，促使學生在完成一個階段閉環后繼續向下一個閉環出發。本文按照上述思路構建學科競賽培育體系，提出了以專業素養為核心、多階遞進的閉環學科競賽培育體系，見圖4。體系包含了針對自動化類專業設置的各階段多模塊學習閉環和以技術和文化沉淀為輸出的外層閉環，形成了一個閉環的結束也是另一個閉環的開始的持續化運行模式，為學生提供了一條有關學科競賽的“成長臺階”和一張關于專業素養提升的“成長地圖”。2015年以來，自動化專業創新創業教育受益范圍和學科競賽覆蓋度持續擴大，其中大學生創新創業訓練計劃學生參與度超過90%，國家級競賽獲獎數量合計達134項，省級競賽獲獎達138項。

圖4 以專業素養為核心、多階遞進的閉環學科競賽培育體系

3 開眼界：尋求本科教育與行業及科研的結合點

基于學科競賽的前沿與創新屬性，其形式、內容、過程和考核方式都更接近工程行業，全國大學生電子設計競賽等封閉式學科競賽題目往往與典型的工程技術問題關聯，“挑戰杯”“互聯網+”等開放式學科競賽命題更需要直接與行業最新需求掛鉤。同時，專業教學過程可以歸納為以行業需求為目標培養學生學用結合基本能力，高質量完成學生從“校園角色”到“行業角色”轉變的過程。

實現本科人才培養過程與行業的有效結合是優化人才培養過程的重要環節。為此，學科要求教師參與企業和行業協會的師資培訓，聘請企業和協會工程師為兼職學科競賽導師。同時，與國內外知名企業合作開發共建教學實踐平臺與創新創業基地，其中與西門子（中國）有限公司數字化工廠集團共建的先進智能制造技術示范實驗室是國內首條高校實訓工業4.0生產線。此外，專業從以下兩個角度出發進一步拓寬與行業及科研的結合面：一是與知名企業校園計劃部門共同籌劃和開展校級學科競賽，如華為杯嵌入式電子系統設計競賽、龍健杯信號處理系統設計大賽、天俱時杯工業自動化技能挑戰賽等，通過企業參與競賽命題和項目評審等方式達成與行業發展緊密聯系的學科競賽培育模式。二是要求教師細分部分與本科生能力匹配的科研工作，吸納本科生參與科研，鼓勵本科生發表科技論文，并將部分科研成果轉化為“挑戰杯”“互聯網+”等創新創業競賽項目，如2018級本科生張翮翔主持的面向大型公共場所的多目標跟蹤項目，發表SCI論文2篇、中文核心論文1篇，申請專利3項，并在“挑戰杯”中獲國家級三等獎，以此在擴大學科競賽覆蓋面和競賽指導教師隊伍的同時拓寬學生眼界、促進其應用實踐能力的持續提升。

4 結語

2021年末，“華為天才少年”成員彭志輝憑借自制機械臂給葡萄縫針的視頻走紅網絡，機械臂由彭志輝業余自主完成，操作系統和AI計算平臺分別用上了華為鴻蒙和昇騰Atlas處理器。作為一名畢業不到5年的“90后”，彭志輝的工程創新思維、自主學習和動手能力受到了行業各界的認可[9]。從高等教育工作者的角度出發，筆者關注到彭志輝在校期間在全國大學生電子設計競賽、全國大學生智能汽車競賽、“挑戰杯”創新創業大賽等多項學科競賽中獲獎近40項[10]。專業知識儲備、學用結合和自主學習能力、工程創新思維是拔尖學生通過課程學習、專業實踐和學科競賽經歷等過程，在高等教育體系中與環境不斷互動生成的結果。復制拔尖人才的成長路徑，全面提高工程學科本科畢業生專業綜合素質，為國家提供優秀人才儲備是高校教學改革的重要課題。本文根據新時代背景下社會對工程技術人才的培養需求，優化新工科人才培養過程，探索專業教學與學科競賽培育的有機融合思路，為提高工程學科本科人才培養質量提供了可行借鑒。