新工科背景下“多層次+智慧化”教學(xué)模式的探索

在新工科背景下，我國高等教育日漸注重創(chuàng)新型、專業(yè)型以及高級應(yīng)用型人才的多元化培養(yǎng)。為深入貫徹這一培養(yǎng)理念，提出一種新的教學(xué)模式，將“理論”位、“實(shí)踐”位、“創(chuàng)新”位三者有機(jī)統(tǒng)一。復(fù)合型人才培養(yǎng)并非通過相關(guān)課程的簡單拼湊和堆砌就可以實(shí)現(xiàn)，而是需要融合各個(gè)學(xué)科之間的交匯點(diǎn)。以核心課程為主構(gòu)建多層次教學(xué)模式，并與實(shí)踐應(yīng)用、智慧創(chuàng)新形成三條改革路徑。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)該教學(xué)模式所取得的成效，并提出未來的目標(biāo)規(guī)劃。

電氣工程及其自動化專業(yè)涵蓋的學(xué)科種類多且復(fù)雜，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)電氣技術(shù)等領(lǐng)域。電氣工程及其自動化屬于多科目交叉且綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，其能夠?qū)⒏鱾€(gè)相關(guān)學(xué)科相互融合發(fā)揮更大的價(jià)值，更好地服務(wù)社會發(fā)展。為適應(yīng)教育部對新工科發(fā)展提出的要求，需要在教學(xué)過程中融會貫通相關(guān)課程的知識點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生以工程實(shí)踐為背景提升實(shí)驗(yàn)操作能力，積極構(gòu)建新工科背景下的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式，并通過多舉措提高創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)模式現(xiàn)狀

1.1 當(dāng)前就業(yè)形勢存在的問題

各行各業(yè)對電氣專業(yè)人才的需求也日益增大，但電氣專業(yè)畢業(yè)生仍較難找到合適的企業(yè)。傳統(tǒng)模式培養(yǎng)出的電氣專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)后容易停留于重復(fù)性、機(jī)械化的工作內(nèi)容，不能適應(yīng)高要求的工作狀態(tài)，也無法與時(shí)俱進(jìn)學(xué)習(xí)新知識、新技術(shù)，或者說缺乏學(xué)習(xí)各種新技術(shù)的能動性。這是由于學(xué)生在高校學(xué)習(xí)過程中對所學(xué)知識理解不夠深入，實(shí)踐操作過于死板且無法與工程實(shí)際相結(jié)合，同時(shí)沒有充分培養(yǎng)接受新技術(shù)、新知識的能動性。目前電氣自動化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)的概況，充分說明了有效就業(yè)率與總體就業(yè)率之間存在巨大偏差，也就是說，真正企業(yè)與畢業(yè)生之間雙選的實(shí)現(xiàn)率實(shí)際上很低。這種情況導(dǎo)致了企業(yè)無法找到合適的人才，從而限制了發(fā)展，而畢業(yè)生也會面臨找不到工作或者頻繁跳槽的處境。

1.2 專業(yè)理論課程之間關(guān)聯(lián)性較弱

電氣工程及其自動化開設(shè)的專業(yè)課基本都是以獨(dú)立學(xué)習(xí)的形式完成，也就是說沒有將所學(xué)課程的相關(guān)知識點(diǎn)融合。與此同時(shí)，無法將一些輔助學(xué)習(xí)的技能很好地利用起來。以電氣測量技術(shù)課程為例，其在學(xué)習(xí)過程中需要很強(qiáng)的專業(yè)知識作為基礎(chǔ)，同時(shí)這門課程的很多知識點(diǎn)也能夠應(yīng)用于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。然而，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中沒有形成一個(gè)完整的體系。因此，每門課程在學(xué)習(xí)過程中都有可能遇到基礎(chǔ)知識不理解，同時(shí)不明白該課程所學(xué)知識將如何應(yīng)用于實(shí)際中的問題。造成學(xué)不深入、學(xué)不會用的局面。以電氣工程及其自動化專業(yè)英語課程為例，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中沒有充分發(fā)揮出該課程的培養(yǎng)價(jià)值。這門課程開設(shè)的目的是希望通過學(xué)習(xí)與專業(yè)相關(guān)的英語知識，為畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或今后從事專業(yè)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中沒有將這門課與電氣自動化專業(yè)其他核心課程緊密關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)專業(yè)英語提升其他課程的學(xué)習(xí)能力，以及在電氣專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。圖1直觀地描述了目前課程培養(yǎng)模式所存在的問題。

1.3 實(shí)踐教學(xué)體系缺乏將專業(yè)性與實(shí)際化相結(jié)合

針對電氣工程及其自動化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的探究與思考，是各高校十分關(guān)注的重要教學(xué)內(nèi)容之一。目前，電氣專業(yè)的培養(yǎng)模式中實(shí)踐教學(xué)體系過于單一，沒有以工程實(shí)際為背景鍛煉學(xué)生的應(yīng)用能力，從而使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際環(huán)境下的操作相差很大。與此同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容不能與科學(xué)技術(shù)發(fā)展緊密相隨。以電氣測量技術(shù)為例，該課程面向電氣工程領(lǐng)域，旨在研究或解決電氣工程中的信號檢測問題，且實(shí)際操作內(nèi)容必須符合測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大部分實(shí)踐內(nèi)容都被設(shè)計(jì)成基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)。比如，差動電感式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)、智能調(diào)節(jié)儀轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)更關(guān)注的是數(shù)據(jù)采集與信息處理，容易忽略電氣工程領(lǐng)域的信號調(diào)理及工程環(huán)境等問題，形成對電氣工程測量技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解上的簡單化或片面化現(xiàn)象。

1.4 缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能動性的培養(yǎng)

當(dāng)前培養(yǎng)的電氣自動化專業(yè)人員大多數(shù)在實(shí)際工作中缺乏一定的創(chuàng)新能力，他們似乎更愿意投入到重復(fù)性、機(jī)械化的工作中，因而無法滿足市場對高級專業(yè)型人才的需求。在創(chuàng)新教育模式下，現(xiàn)代化的專業(yè)型人才是高等教育改革的重要方案。為此，提出了“新工科”背景下電氣工程及其自動化專業(yè)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方案。如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，怎樣讓學(xué)生能夠最大程度地發(fā)揮創(chuàng)新能動性，成為當(dāng)前教學(xué)改革的重要課題之一。

2 多元化教學(xué)模式的建設(shè)

2.1 實(shí)施課程“分體系”+“公共性輔助課程”的理論教學(xué)改革模式

為進(jìn)一步提升專業(yè)課程的融合度與關(guān)聯(lián)性可將某一門課程作為核心課程，并圍繞它將具有一定聯(lián)系的相關(guān)課程構(gòu)建為一個(gè)“分體系”，其中包括核心課程的上層基礎(chǔ)課程、核心課程、下層應(yīng)用課程。每個(gè)“分體系”中的所有課程通過課前滲透、課中拓展、課后討論的方式將關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)貫穿在一起。與此同時(shí)，將專業(yè)英語等課程創(chuàng)建為電氣專業(yè)的“公共性的輔助課程”，以此將科技英語更好地應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域。不僅可以對學(xué)科最新發(fā)展動態(tài)緊密跟蹤，還能夠充分地展現(xiàn)出自身的想法與思路。

2.2 構(gòu)建三層實(shí)踐教學(xué)改革體系

三層實(shí)踐教學(xué)改革體系也就是將工程基礎(chǔ)實(shí)踐平臺、專業(yè)技能應(yīng)用實(shí)踐平臺、科技創(chuàng)新綜合平臺相結(jié)合，建立以鍛煉專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)、依托工程實(shí)際背景為核心、提升創(chuàng)新協(xié)同作業(yè)能力為目標(biāo)的專業(yè)性、多元化、復(fù)合型的實(shí)踐教學(xué)體系。這種實(shí)踐教學(xué)體系主要分為以下三個(gè)部分：①基礎(chǔ)平臺。使學(xué)生掌握電氣專業(yè)相關(guān)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識，并培養(yǎng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)動手能力；②專業(yè)平臺。以實(shí)際工程背景為依托培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變能力（例如，對與工程實(shí)踐相關(guān)的設(shè)備儀器進(jìn)行裝配與調(diào)試、校內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)習(xí)等）；③科技創(chuàng)新綜合平臺。掌握與學(xué)科發(fā)展密切關(guān)聯(lián)的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)、科技競賽來激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識。圖2描述了實(shí)踐教學(xué)體系的整體改革路線，通過基礎(chǔ)平臺、專業(yè)平臺、科技創(chuàng)新綜合平臺共同實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的不斷提升與完善。

2.3 突出智慧輔助教學(xué)平臺，深化“教—學(xué)—研”相結(jié)合的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。

創(chuàng)新培養(yǎng)模式從傳統(tǒng)的以教學(xué)模式為重心轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熓谡n、自主學(xué)習(xí)、科教結(jié)合三個(gè)方面。通過智慧教室、學(xué)習(xí)通、雨課堂、MOOC等線上教學(xué)平臺，積極開展教學(xué)方法與考核機(jī)制的改革，從而突出以學(xué)生為根本的個(gè)性化教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。使用“雨課堂”軟件進(jìn)行線上輔助教學(xué)能夠全方位地對學(xué)生情況進(jìn)行打分，并根據(jù)這些線上數(shù)據(jù)將課程考核機(jī)制設(shè)置為更加科學(xué)合理的模式。例如，平時(shí)成績包含線上考勤、期中測試、隨堂習(xí)題、投稿、彈幕、課程討論、視頻及課件觀看閱讀情況等。與此同時(shí)，將教師最新的研究成果融入教學(xué)內(nèi)容中，轉(zhuǎn)化成有特色、有深度、有新意的教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以科研成果和科研課題促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力，指導(dǎo)大學(xué)生科研活動，吸引本科生參加課題研究。例如，通過科教結(jié)合實(shí)現(xiàn)“人工智能+電氣自動化流程優(yōu)化”。這個(gè)課題是利用行為優(yōu)化算法來對電氣自動化領(lǐng)域的相關(guān)流程進(jìn)行完善。圖3中描述了一個(gè)電氣測量流程的模型實(shí)例。初始模型與事件日志當(dāng)前記錄的共同行為、事件日志當(dāng)前記錄的特有行為、初始模型中的特有行為。由此可以看出，初始模型與當(dāng)前運(yùn)行的行為之間存在差異。

通過下面?zhèn)未a編寫的算法解決了這一問題。算法首先利用對齊檢測偏差元素，然后使用修復(fù)操作對初始模型進(jìn)行修復(fù)。最終輸出的模型既可以回放當(dāng)前記錄的行為，同時(shí)又保留了原先的行為（見表1）。

3 電氣工程及其自動化創(chuàng)新教學(xué)模式的特色

打造具有關(guān)聯(lián)性的課程體系，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識的相互促進(jìn)與深入理解。構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)“基礎(chǔ)平臺+專業(yè)平臺+科技創(chuàng)新綜合平臺”的新體系，在特定工程背景下鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合。針對電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題，提出以下三條途徑：①充分利用智慧平臺豐富教學(xué)內(nèi)容并完善考核制度，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；②依托科研背景，更好地將“教—學(xué)—研”相結(jié)合；③加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，提高教師自身教研水平。

4 教學(xué)效果的數(shù)字化分析

實(shí)際教學(xué)中所得數(shù)據(jù)充分反映了在教學(xué)改革過程中學(xué)生所取得的進(jìn)步，主要是實(shí)現(xiàn)課程基礎(chǔ)知識掌握、課程知識應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)基本技能、工程背景下實(shí)踐技能、創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)技能五個(gè)方面的學(xué)生人數(shù)占比。如圖4所示，從第一階段到第三階段學(xué)生對于專業(yè)知識的掌握與應(yīng)用情況明顯變好，也就是能夠達(dá)到上述五個(gè)教學(xué)目標(biāo)的學(xué)生人數(shù)占比越來越大。例如，第一階段能夠掌握工程背景下實(shí)踐技能和創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)生人數(shù)占比分別在40%和15%，然而到第三階段則提升到87%和77%。由此可以清楚地看出，本文提出的教學(xué)改革方法對復(fù)合型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式起到了推動作用。

5 結(jié)語

電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)模式的探索與改革已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了很大的成效?；茨蠋煼秾W(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院結(jié)合新工科背景下對電氣專業(yè)的實(shí)際需求，希望能夠培養(yǎng)出理論過硬、實(shí)踐能力強(qiáng)、具有自主創(chuàng)新能力的復(fù)合型專業(yè)人才。在理論研究的同時(shí)，加強(qiáng)教學(xué)改革的實(shí)踐，使理論研究和實(shí)踐探索密切結(jié)合。更新觀念形成新的有效的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。在未來的培養(yǎng)過程中，要努力以學(xué)生為本，開展個(gè)性化和多元化的教學(xué)模式，提升學(xué)生自主探究、學(xué)以致用、協(xié)同創(chuàng)新的能力。與此同時(shí)，在教學(xué)和科研方面教師應(yīng)該努力提高自身的業(yè)務(wù)水平。

本文系2023年淮南師范學(xué)院校級質(zhì)量工程教改類重點(diǎn)項(xiàng)目“基于‘三位一體化’的電氣工程及其自動化專業(yè)融合性教學(xué)模式研究”（2023hsjyxm19）；安徽省教育廳質(zhì)量工程重點(diǎn)項(xiàng)目“新工科背景下電氣專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)踐”（2022sx136）研究成果。