數智化時代自動化專業實驗教學體系改革探索

［摘 要］ 基于互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術相互融合與集成創新，推動社會邁向人機協同、跨界融合、共創共享的數智化時代。在此背景下，深刻分析了自動化專業人才培養面臨的問題與挑戰，提出了“一中心五融合”的實驗教學理念，優化教學模式，形成了“五類型、五模塊、三平臺”的實驗教學體系。通過重構實驗教學體系，為人才培養提供了有力保障，將更好地服務于自動化專業實驗基礎建設，也為相關專業課程改革提供了一定的借鑒。

［關鍵詞］ 數智化時代；一中心五融合；實驗教學體系；人才培養

［基金項目］ 2021年度西安科技大學校級教育教學改革研究項目“‘多維協同、多模共享’式自動化專業實驗教學改革探索”（JG21044）；2021年度西安科技大學校級教育教學改革研究項目“‘人工智能’視閾下自動化類專業人才培養體系重構的研究與實踐”（JG21005）

［作者簡介］ 高 瑞（1991—），男，陜西榆林人，碩士，西安科技大學電氣與控制工程學院工程師，主要從事計算機視覺與智能控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0073-04 ［收稿日期］ 2023-11-30

引言

以互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術相互融合、集成創新、充分運用，推動社會邁向人機協同、跨界融合、共創共享的數智化時代［1］。2022年12月21日，教育部部長懷進鵬在《人民日報》撰文指出，“推進教育數字化”是新時代加快建設教育強國的總體方向和重點任務之一。高等教育作為新一代信息技術的研究主體和應用領域，相較于其他教育階段，將最先迎來數智化轉型的機遇。

我國的自動化專業有比較悠久的歷史（1952年起已有70多年歷史），從自動化專業成立以來，就一直是國家急需的專業之一。在專業培養目標上，一直堅持寬口徑“通才”，這使得自動化專業成為我國工科專業中為數極少的沒有對口行業的專業之一。如今，在數智化時代背景下，自動化專業人才培養毫無疑問地面臨著一系列的問題與挑戰。

一、數智化時代背景下自動化專業實驗教學面臨的問題與挑戰

（一）數智化時代教學方式面臨的挑戰

自動化專業需要學生掌握多種知識和技能，包括計算機、通信、電子、控制等多個領域，然而傳統的教學方式往往難以滿足學生的需求。數智技術賦能教育，拓展了教學方式，以更好地適應學生的需求和時代的發展。另外，自動化專業需要培養學生的實踐能力和創新精神，但傳統的實驗教學往往存在實驗設備不足、實驗內容單一等問題。因此，需要引入更加智能化的實驗教學手段，如虛擬仿真、遠程實驗等，以提高實驗教學的效果和質量。最終在數智化時代，學生的學習需求和特點更加多樣化，教學依舊遵循“因材施教、有教無類”的教學原則，“因材”更加注重精準，推動教學方式由“以教定學”向“以學定教”轉變。

（二）數智化時代教師素養面臨的挑戰

教師是教育數字化戰略得以落地、教育理念創新與教育模式深刻變革得以實現的核心力量。因此，高校教師須積極應對數智化時代新型學習環境提出的挑戰，提升自身的“數智力”，從傳統教育素養向數字素養拓展［2］。2022年12月2日，教育部發布了《教師數字素養》教育行業標準。另外，數智化時代知識生產模式體現為以應用驅動為導向，體現了跨學科和多學科融合以及知識生產參與者的多樣性和異質性，這使基于單一學科知識傳授的傳統教師角色面臨嚴峻的挑戰。數智化時代學生亦是知識創生的主體，改變了以教師為中心的傳統課堂［3］，使教學成為一種以學習者為中心的動態知識建構過程，對教師的教學能力和專業素養都提出了更高的要求。

（三）數智化時代教學內容面臨的挑戰

自動化領域的知識和技術更新加快，專業知識不再僅僅來源于書本，還來自全球網絡與信息資源，源自工程與理論實踐知識。因此需要不斷更新和優化教學內容，以適應時代的要求和學生的需求。自動化專業需要多學科交叉融合，但現有的教學內容缺乏跨學科的整合和貫通。因此，需要加強跨學科的課程設置，培養學生的綜合素質和創新能力。數智技術賦能高等教育有助于突破傳統時空限制，這使得教學內容的表征方式由靜態、平面、線性轉為動態、立體、交互，使得教學內容的組織、呈現及講授向著信息化、數字化、智能化等特征知識與內容發展。

二、自動化專業實驗教學體系重構

借助專業認證［4］、一流專業、一流課程、新工科專業建設［5］等高等教育新變化，對標教學評估觀測點，夯實基礎，全面落實立德樹人根本任務，打造新時代一流專業實驗教學。結合學校特色優勢，關聯礦山信息化、數字化、智能化等實際場景，嵌入本專業研究方向，更好地開展自動化專業實驗教學工作。

（一）“一中心五融合”教學理念

以往的實驗教學通常是教師講授和演示，學生被動學習。此種教學模式下，容易導致實驗教學脫離實際、傳統單一、拓展性差及學賽融合不緊密；學生缺乏主動探索和外延創新的意識，限制了學生專業能力的提升，在未來發展中有一定的局限性。

參照《自動化類教學質量國家標準》與工程教育認證的相關要求，建設“高質量、滿意型”實驗教學體系，提出以學生為中心，多主體融合、多學科融合、多維度融合、多層次融合以及學賽融合的數智化時代“一中心五融合”的實驗教學育人新理念。通過重構實驗教學體系，采用科學的考核評價機制反哺理念創新，形成健全閉環的實驗教學新模式。

（二）實驗教學新模式

教學理念的落實需要教學模式作為載體，在分析了自動化專業實驗教學存在的問題后，建立“學生自主協作”和以“學生為主體”的教師助導教學新模式，如圖1所示。教師啟發引導，學生通過自主設計、自主創新和小組協作的教學模式搭配新穎的課堂教學和教學方法，從而實現“學中做、做中學、做中思”，全方位培養學生的知識獲取、認知重構和創新實踐能力，同時培養學生的批判性和創新性思維，提升課堂教學和學習效果。

實驗教學管理系統方面，通過遠程在線管理，集多種管理和應用功能于一體的師生共用系統，針對不同實驗需求開發、適配多種應用需求和場景。教學管理要做到：（1）實驗過程全面質量管控：從實驗到課出勤、實驗過程輔導檢查、實驗數據差錯分析及數據的合格驗收等方面，嚴格實驗過程的質量保證，把實驗教學質量落實到日常教學細節中，為學生學習后續課程打下堅實基礎。（2）多方位成績評價：課程考核評價應遵循全過程、多樣化、考能力的原則，成績的評定分為實驗課的出勤和實驗過程的檢查、實驗數據的合格驗收、實驗報告的完整、實驗數據的分析及課后總結思考；另外針對創新型、開放性題目，課前下發任務，課堂進行展示，對學生能力進行多方位的綜合評價。以此推動教學評價改革，豐富考評內容，加強學生課堂內外、線上線下評價［6］，強化數智化能力考查，拓展教師教學和學生學習的廣度。

（三）重構實驗教學體系

針對多主體融合，可結合行業優勢進行校內融合、省內外高校間融合、校企融合及各類協會學習。通過多主體共研共商共建，使實驗教學更加趨近現場實際和專業類發展熱點。具體有深化產學研校企合作［7］，與國家能源集團、陜煤集團、山東能源、平煤集團、山西焦煤集團等煤礦類企業交流商討符合數智化時代的實驗創新項目。例如礦井皮帶系統異物識別與定位抓取，煤礦智能鉆探視頻識別分析，基于機器視覺的齒輪箱齒面損傷智能檢測等實驗項目，從項目實現角度出發，以建模、仿真、設計、部署為實驗思路，使學生熟悉一個完整的工程項目，培養學生解決復雜工程問題的能力。

針對多學科融合，可借鑒自動化交叉課程、機器人交叉課程、智能化交叉課程等理論知識，利用電路實驗室、自動控制原理實驗室、電機與拖動實驗室、嵌入式系統（ARM）實驗室、集散控制（DCS）實驗室、虛擬儀器實驗室、電力電子技術/運動控制實驗室、單片機實驗室及PLC系列實驗室，開設綜合類實驗室，可實現跨學科課程教學實驗，集成智能測量儀器、嵌入式設計機器人學等技術，同時結合人工智能、大數據等專業知識作為新發展方向，搭載前沿深度學習框架，將多學科理論知識相融合。基礎平臺可用于電子電路驗證、測試測量等教學；還可以搭配更多的實驗拓展板，幫助學生掌握經典控制理論、現代控制理論及智能控制等知識和技能，更好地服務于自動化專業實驗教學。

針對多維度融合，采用地面—井下、本地—云端、近端—遠程、現實—虛擬等方式助力實驗教學體系。搭載專業基礎實驗、模擬礦井實驗、虛擬仿真實驗、礦山數字建模以及機器人開發設計等，多維度、更精確、更高效、更節能地實現模型構建和解決實際問題。如將傳統的自動化專業實驗教學與互聯網特性相結合，融合遠程教學、多平臺訪問、網絡化實驗資源等形成一體化教學解決方案。培養學生分析與改善實驗性能的能力，引導學生勇于挑戰新型自動控制系統的創新設計。

針對多層次融合，利用基礎實驗基地、工程實訓基地、創新創業實訓基地和科研實驗室，滿足不同階段、不同層級的實驗設計需求，滿足學生四年專業方向階梯式學習，同時可助力部分擬攻讀研究生的學生進階研究。提高學生的實踐能力、工程應用能力、創新能力和綜合素質，為實現培養具有創新精神的高素質復合型、應用型人才的培養目標提供支撐，同時輸送一批具有開拓創新能力的研究生隊伍。

針對學賽融合，在實驗課題中融入近年來學科競賽的各類題目，分組分類匹配實驗內容，同時鼓勵學生參加全國大學生創新創業訓練計劃項目、“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽、全國大學生電子設計競賽、中國機器人及人工智能大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰賽、全國大學生嵌入式芯片與系統設計競賽等，達到以賽促學、延伸拓展的目的。

通過以上方式升級實驗教學內容，打破實驗教學壁壘，整合優化貫通實驗教學內容，圍繞工程能力培養、工程思維養成和實踐應用訓練等，形成“五類型、五模塊、三平臺”實驗教學體系，如圖2所示。結合實驗教學模式、實驗教學管理以及教學體系實施，達到自動化專業人才全面閉環培養。

同時依托“兩性一度”“金課”理念［8］，以“專+思+創”為引領，在專業教育中融入課程思政，推進多學科知識交叉融合的新課程建設。思政鑄魂，包含家國情懷、科技前沿、工匠精神和專業關注等多方位思政元素［9］。加強學生學習自動化專業實驗課程，堅定學生從事數智化時代下的自動化相關行業的信念。

結語

綜上分析，數智化時代正在不斷重塑經濟社會和高等教育的形態，加快了知識和技能的淘汰與更新，引發了知識獲取方式和傳授方式、教學關系的深刻變革。在此時代背景下，文章深刻分析了自動化專業人才培養面臨的問題與挑戰，提出了實驗教學新理念、實驗教學新模式，并對實驗教學體系進行重構。希望通過本文的分析，能夠為自動化專業實驗教學改革或是相關專業課程的教學方法和模式改革提供一種新思路。

參考文獻

［1］胡延彥.“數智化”背景下新商科人才培養優化策略研究［J］.現代商貿工業，2023，44（23）：74-77.

［2］史琪.基于“OBE理念+123459框架”的數智化會計專業人才培養研究［J］.商業會計，2023（13）：122-125.

［3］唐求，張小剛，張帆，等.“新工科”背景下“自動控制原理”課程“三結合”實驗教學模式改革［J］.實驗技術與管理，2021（3）：197-200.

［4］郝帥，馬旭，孫思雅，等.基于OBE理念的《電機學》課程教學改革［J］.教育教學論壇，2020（10）：174-175.

［5］王青青，梁家海，袁裕發，等.基于新工科的物聯網工程專業STEM人才培養模式研究［J］.教育教學論壇，2023（35）：5-8.

［6］謝毓湘，欒悉道，魏迎梅，等.混合式教學模式下課程考核方法研究［J］.教育教學論壇，2023（44）：10-13.

［7］王樹國.深度推進產教融合 協同育人創新工程：西安交通大學“百千萬卓越工程人才培養項目”的探索與實踐［J］.學位與研究生教育，2022（7）：1-5.

［8］劉天亮，朱磊，田瓊，等.基于“兩性一度”原則的“微觀經濟學”課程教學設計［J］.教育教學論壇，2023（44）：1-5.

［9］ 徐強，張蓉，張麗艷，等.“實用儀器分析理論”課程思政建設探索與實踐［J］.大學化學，2024，39（6）：132-136.

Exploration on Reform of Experimental Teaching System of Automation Specialty in the Era

of Digital Intelligence

GAO Rui， DU Jing-yi， HAO Shuai， ZHOU Qi-xun

（College of Electrical and Control Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an， Shaanxi 710054， China）

Abstract： Based on the internet， big data， artificial intelligence and other new-generation information technology integration， to promote the society towards the era of digital intelligence of human-machine collaboration， cross-border integration， co-creation and sharing， we have deeply analyzed the problems and challenges faced by automation professional talent training， put forward the experimental teaching concept of “one center and five integration”， and optimized the teaching mode to form the experimental teaching system of “five types， five modules and three platforms”， which can provide a better solution to the problem of human-machine collaboration， cross-border fusion， common creation and sharing. The experimental teaching system reconstruction can provide a strong guarantee for talent cultivation， better serve the experimental infrastructure construction of automation specialty， and provide some reference for the reform of related professional courses.

Key words： era of digital intelligence; one center five integration; practical teaching system; talent cultivation