具有行業特色的自動化專業課程體系建設與改革

摘" 要：隨著我國新工科建設的開展，高校的人才培養更加關注成果導向，強調學生能力的培養，特別是解決復雜工程問題的能力。為了適應教育的發展以及社會的需求，該文以天津工業大學自動化專業為例，結合學校的行業背景，提出“傳承發展，多元協同”的專業建設思路，改革課程體系的建設，逐漸形成自動化與智能化相融合，新技術與傳統產業相結合的專業特色。同時，建設多元融合、多層次、立體化的實踐創新培養體系，拓展實踐教學模式和教學內容，促進學生創新能力的培養。

關鍵詞：新工科；人才培養模式；自動化專業；實踐教學；課程體系

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）11-0032-04

Abstract： With the development of new engineering education in China， universities are paying more attention to the outcome-based education and emphasizing on the cultivation of students' abilities， especially the ability to solve complex engineering problems. To adapt to the development of education and the needs of society， this paper takes the Automation major of Tiangong University as an example， combined with the industry background of the school， and proposes the development strategy of inheritance and development， diversified collaboration. The curriculum system is reformed， gradually forming the characteristics of the integration of automation and intelligence， the combination of new technology and traditional industry. At the same time， a multi-dimensional and multi-level practical innovation training system has been established， expanding the practical teaching mode and content， and promoting the cultivation of students' innovative abilities.

Keywords： new engineering; talent training mode; automation major; practice teaching; curriculum system

全球技術和產業經濟的快速變革，為各國的發展帶來了新的契機。我國的工程教育認證以及新工科建設正是這種培養模式變革的體現。各高校圍繞“以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才”的新工科內涵[1]，積極探索著新形勢下的人才培養模式[2]。隨著技術的發展更迭，自動化專業越來越體現出學科交叉的特點，是新工科建設的主戰場[3]。而我國大多院校的自動化專業的人才培養模式并不能較好地適應這種變革發展的要求，主要存在以下問題。

一是傳統的人才培養模式與學科快速發展、交叉融合之間的矛盾。近十幾年來，人工智能、通信技術、大數據等相關技術的快速發展，給自動化相關行業帶來了更多的活力與機會。新工科的建設更加重視復合型、創新性、應用型人才的培養。傳統意義上的人才培養模式，無法滿足寬口徑、厚基礎的專業培養要求，學生不能適應新經濟發展的需求[4-5]。

二是自動化專業覆蓋的行業范圍很廣，缺乏行業背景會使學生對控制系統的認知和理解不足。對于具有行業背景或學科特色的院校，如何將這些特色、科研成果反哺到教學中，使學生對控制系統的理解具象化，加強學生能力、素質的培養，是近來不少高校相關專業的探索方向[6]。

三是自動化專業對實踐能力要求較高，但是由于學生人數較多，設備更新慢等因素，導致了綜合性實踐以及企業實踐的缺乏，前沿技術實踐滯后等問題，嚴重制約了學生實踐能力的培養[7]。

圍繞上述現有人才培養模式中存在的問題，針對國家重大戰略需求與新時代背景下對工科專業應用型人才提出的新要求，天津工業大學自動化專業提出了“傳承發展，多元協同”的建設思路，通過對專業課程以及實踐教學體系的改革，提高了人才培養質量。

一" 課程體系的建設思路

（一）" “傳承發展，多元協同”的建設思路

天津工業大學的紡織科學與工程為其“雙一流”建設學科。自動化專業的教師在紡織自動化領域有豐富的科研經歷以及經驗積累。根據學校的辦學特色，自動化專業相關課程中以自動化系統為核心，依托專業教師在紡織自動化領域的積淀，進行了課程體系建設。建設的思路為“傳承發展，多元協同”。傳承——在人才培養過程中借助行業優勢，突出專業特色；發展——自動化領域的新技術、新知識與傳統行業的融合；多元協同——培養學生多元化實踐創新能力建設多層次的實踐教學體系。

（二）" 以一流課程建設為突破口，聚焦“兩前沿，四能力，一精神”的人才培養目標

構建以自控控制原理、傳感器與檢測技術、電機及拖動基礎等市一流課程為核心的專業核心課程建設。在課程建設中關注成果導向，融入前沿交叉知識和紡織智能制造前沿技術，培養學生分析判斷、解決問題、研究創新、工程實踐的能力，打造學生的工匠精神。將前沿的科研成果以案例的方式應用于教學過程中，指導優秀學生參與科研活動。引入企業導師，解決教師科研背景，行業、企業背景與課程教學關聯不強的問題。建立過程性的教學評價模式，重視學生分析創新能力培養。

二" 具有專業特色的課程體系建設

（一）" 以紡織自動化為背景的多層次課程體系建設

圍繞解決紡織自動化復雜工程問題，以控制系統認知-分析-綜合-前沿技術為主線進行核心課程體系改革。

低年級的學生對控制系統的認知比較模糊，因此在大一的自動化專業概論以及專業認知實習課程中，通過典型紡織系統控制案例的介紹以及紡織企業的參觀認知，使學生了解控制系統的組成以及基本概念，對控制系統有了初步的認知，為后續專業課程的學習打下基礎。

專業建立了紡織自動化案例庫，案例庫中共有6個典型的紡織自動化中的經典綜合系統。每個綜合系統分解為多個模塊，例如系統建模、傳感器選型、驅動模塊設計和控制器設計等。各課程組對案例模塊進行統一規劃，作為各專業課程的教學案例。通過這些案例教學，學生能夠進一步理解理論知識，學習對實際系統模塊的分析方法，同時對紡織系統的了解逐漸深入。

專業在高年級開設了較多的綜合實踐課程。在紡織印染過程控制綜合實踐以及紡織自動化綜合實踐等綜合實踐課程中，將案例庫進行綜合，并依托天津市“紡織工藝與裝備工程實踐教育中心”及天津市“自動化虛擬仿真實驗教學中心”，完成案例庫中綜合系統的設計。

經典的案例是傳承，但更需要發展。在紡織智能制造前沿課程、機器人控制技術等課程中，通過先進制造、智能控制、模式識別等最新技術在紡織行業應用，使學生以此為窗口了解專業的發展方向。

通過以上方式，以紡織自動化為背景，建立了具有行業特色的多層次課程體系。體系結構圖如圖1所示。

圖1" 以紡織自動化為背景的多層次課程體系結構圖

（二）" 以專業發展方向和區域產業需求為導向，調整課程設置

針對京津冀支柱和戰略新興產業對自動化類相關專業人才需求，以及專業“綜合性、實踐性、先進性、系統性”的突出特點，進行了課程設置的調整。調整后的課程強化了傳統專業與人工智能、大數據、智能機器人等供給側結構調整和戰略性新興產業的有機融合。主要表現如下。

設置了“智能機器人”的課程模塊。圍繞工業機器人的應用，根據專業特點，開設了模式識別與機器學習、機器人控制技術以及自主機器人控制與實踐、智能機器人設計與控制虛擬仿真實踐等8門交叉融合的理論與實踐課程，將自動化與智能化緊密結合。

課程內容的合理設置。為了協調新建課程群課程內容與傳統專業課之間的前后續關系，解決課程間的知識冗余或知識孤島等問題，對所有專業課程大綱進行了統一規劃。在自動控制原理、傳感器與檢測技術、運動控制等課程的案例、習題以及實踐環節，將機器人的建模、信息檢測、控制器選擇及設計等融入，使傳統課程與“智能機器人”模塊課程內容交叉融合，前者為后者的理論基礎，后者為前者的實際應用，形成完整的知識體系結構。

（三）" 強化了先進紡織自動化的理念

新工科要面向未來全面加快改革創新，紡織自動化也隨著新技術的出現帶來了新變革。在紡織智能制造前沿課程中，凸顯了先進紡織自動化的理念和技術。除此之外，專業的紡織案例庫有紡織疵點檢測與紡織巡檢、接線機器人兩個紡織智能控制技術的案例，虛擬仿真平臺中的“紡織車間物料搬運機器人系統”，為同學們提供了新的視野。傳統的行業與新技術有機結合，“智能化”促進了“自動化”的快速發展。整個課程體系呈現出了以行業特色為背景，并緊跟自動化領域的發展趨勢的特點。

三" 完善實踐能力培養體系建設

本專業建設了“一個中心、三個結合和四個層面”的創新能力培養體系以及“虛實結合、線上線下整合”網絡教學資源建設。實現分層次立體化實踐體系建設。充分運用虛擬仿真平臺形象展示系統級知識，易于學生理解和掌握最新的交叉領域系統知識架構。

（一）" 實驗實踐環節的創新能力體系建設

工科的實驗實踐環節是培養學生創新能力的關鍵環節，在長期的改革建設中，本專業逐步建立了創新能力培養體系，如圖2所示。該體系通過打造以創新能力培養為中心，虛實融合、線上線下整合、校內校外結合的實踐教學模式，構建基礎技能層、專業提升層、綜合創新層、科學研究層的分層次立體化實踐體系。充分利用學院的實踐平臺，在實際解決問題中感受自動化相關技術在國民經濟中所發揮的作用，提升學生學習興趣，滿足企業對自動化專業人才綜合實踐與創新能力的需求。

（二）" 構建“虛實結合、線上線下整合”網絡教學資源建設模式

隨著課程體系改革發展，實驗室的設備不足以支撐更多的創新性、綜合性的實驗。虛擬仿真平臺的建設有效地解決了上述問題[8-9]。本專業在天津市“自動化虛擬仿真實驗教學中心”的基礎上，不斷地開發建設平臺功能，從深度和廣度上都拓展和補充了現有實驗實踐教學內容。

虛擬仿真實踐教學平臺從專業基礎、專業課程實驗、專業綜合訓練及前沿技術三個不同層次的教學環節入手，形成“演示認知型實驗-分析驗證型實驗-創新設計型實驗”的自動化專業虛擬仿真實驗實踐教學新模式，如圖3所示。

1" 紡織自動化虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗教學中心開發了“基于印染前處理生產過程”的自動化虛擬仿真教學平臺。將紡織生產過程的生產工藝技術、設備運行技術和生產過程管理技術等進行集成，模擬實際生產流程，并實現對生產過程的檢測、控制及優化。圖4為印染前處理設備運動控制虛擬仿真系統，可以完成收放布卷張力控制綜合實驗、多軸同步跟隨控制實驗、糾偏控制實驗等。構建了“虛實結合”的自動化工程實驗實踐教學模式。

在虛擬平臺上，從專業基礎實驗教學、專業設計與應用實驗教學、專業綜合訓練及前沿技術實驗教學三個不同層次的教學環節入手，部署相應的自動化虛擬仿真實驗教學資源，形成“演示認知型實驗-分析驗證型實驗-創新設計型實驗”的自動化專業虛擬仿真實驗實踐教學新模式，有效加強了對學生在工業生產自動化及相關領域的實踐和創新應用能力的培養。

2" 智能機器人設計與控制虛擬仿真平臺

為了配合“智能機器人”課程群的建設，專業還建設了“智能機器人設計與控制虛擬仿真平臺”，并基于此平臺建設了智能機器人設計與控制虛擬仿真實踐課程。通過該課程的學習，學生理解并掌握機器人設計的基本方法，掌握機器人運動控制、語音交互、深度視覺、激光SLAM以及物聯網相關核心技術，通過完成項目內場景綜合實驗項目，提高學生的實踐能力和創新能力。最終學生能夠根據實驗目的設計實驗方案，利用仿真軟件完成實驗全過程，并驗證實驗方案的合理性，得到合理有效的結論，提高解決自動化和人工智能領域復雜工程問題的能力。

此外，該平臺通過構建虛擬的ROS服務機器人和實驗場地，為教師提供實驗課程和教學管理平臺，為學生提供完全在線的學習和實驗環境。學生可以在線學習ROS系統機器人的組成、結構、組裝以及重要組成部件的基本知識。同時提供SLAM建圖、導航規劃、機器人避障、機器人集群等多種開發場景，為學生課外活動、學科競賽、科研招募等提供了優秀的平臺環境。

（三）" 課內課外相結合，助力工程教育認證與新工科建設

虛擬平臺的開發及建設不僅對于課上實驗、實踐環節提供了有力的支撐，同時，同學們可以遠程通過網絡進行實驗實踐環節的訓練，以及課外實踐活動，大大拓展了使用的廣度。隨著虛擬仿真平臺的不斷開發與完善，自動化專業的實踐教學將線上線下資源互補，充分利用了各自的優勢。利用虛擬仿真教學資源開展線上實驗教學，讓學生在逼真工業場景中對所學知識進行運用，同時可以不受時間、空間以及設備的約束，有效提高了實踐教學的質量及學生的學習興趣與效果。

針對新設置的“智能機器人”方向，在課內可以充分利用學院的智能車實踐平臺、機器人實踐創新平臺、科研創新平臺開展自動化專業相關的檢測、控制、模式識別相關的四層次實驗實踐教學活動；在課外結合智能機器人設計與控制虛擬仿真平臺可以選擇更多的綜合性設計實踐，促進了學生創新精神和實踐能力的培養。

隨著校內外實習實踐基地建設的完善，天津市實驗教學示范中心、天津市自動化虛擬仿真實驗教學中心等投入使用后，為學生的學習搭建了更好更專業的實踐平臺，有助于啟發式、探討式教學，增強了師生之間的互動，學生實驗課的積極性和效果明顯提高。尤其是開展分層次教學以后，以學生為中心，根據各自特點培養，100%的同學完成基礎技能層的學習；75%的同學獨立完成能力提升層的學習，其余25%的同學在老師的指導下完成；65% 的同學通過團隊協作或老師的指導下完成綜合創新層的學習；借助科研招募計劃、師生合作項目、大學生創新創業項目等，近30%的同學能夠參與到科學研究層的工作。多層次的培養模式，既滿足了基本能力的培養，又滿足了同學個性化的需求，其成果也得到了多方的認可和大力推廣[10]。

四" 結束語

天津工業大學自動化專業在新工科建設和工程教育認證的背景下，以社會需求為導向，逐漸形成“自動化”與“智能化”交叉融合、新技術與傳統產業相融合的專業特色。通過虛擬仿真平臺建設，將印染前處理生產線搬進實驗室，用逼真的真實場景做支撐，將生產實際與理論教學緊密結合，突破了傳統實踐環節的限制。校內外實習實踐基地建設的完善，支撐工程教育認證與新工科建設，助力學生創新能力的培養。

參考文獻：

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