新工科背景下自動(dòng)化專業(yè)課程教學(xué)體系的優(yōu)化重構(gòu)

梁軍?侯迪波　張光新

摘 要：新工科建設(shè)給自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也對自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)體系、課程體系和知識(shí)體系提出了新的研究與實(shí)踐課題。浙江大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)結(jié)合新工科要求，從延拓專業(yè)方向、重構(gòu)課程體系、優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容、完善升級實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等方面，開展了專業(yè)課程教學(xué)體系優(yōu)化重構(gòu)研究與實(shí)踐，為類似專業(yè)新工科建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)、提供借鑒。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革;自動(dòng)化專業(yè);新工科;課程體系

一、引言

近年來，為深化“雙一流”目標(biāo)下高等工程教育改革和推動(dòng)工程教育創(chuàng)新，國家出臺(tái)了與新工科有關(guān)的多項(xiàng)舉措[1]，從“復(fù)旦共識(shí)”到“天大行動(dòng)”，再到“北京指南”，確立了新工科建設(shè)目標(biāo)、行動(dòng)路線和具體實(shí)施內(nèi)容。新工科建設(shè)已經(jīng)成為中國工程教育改革的重要內(nèi)容，也標(biāo)志著我國新工科建設(shè)的行動(dòng)已經(jīng)全面展開[2-3]。

新工科建設(shè)涉及高等工程教育的方方面面，對傳統(tǒng)工科專業(yè)帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。從本科教育角度，課程教學(xué)體系的改革首當(dāng)其沖[4-5]。對于傳統(tǒng)工科專業(yè)來說，要達(dá)成這一任務(wù)，不僅在縱向上要求培養(yǎng)體系要有與時(shí)俱進(jìn)的結(jié)構(gòu)性改革和內(nèi)容性更新，而且在橫向上要進(jìn)行適應(yīng)新興科學(xué)技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)革命的擴(kuò)展和融合，增加新的課程布局和課程知識(shí)，即實(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)的“內(nèi)涵和外延協(xié)同發(fā)展”[6-8]。應(yīng)該說，這是高校所有工程學(xué)科都面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)，尤其對于傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科來說更加艱巨，其發(fā)展慣性、師資結(jié)構(gòu)、學(xué)科地位、研究定勢、知識(shí)體系等都或多或少地對推進(jìn)這項(xiàng)工作帶來阻力，出現(xiàn)所謂“船大掉頭難”現(xiàn)象。

本文以浙江大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)為實(shí)踐背景，針對新工科戰(zhàn)略下自動(dòng)化專業(yè)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，結(jié)合新工科要求，從延拓專業(yè)方向、重構(gòu)課程體系、優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容、完善升級實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等方面，開展了自動(dòng)化專業(yè)本科課程教學(xué)體系優(yōu)化重構(gòu)研究與實(shí)踐，為類似專業(yè)新工科建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)、提供借鑒[9-10]。

二、現(xiàn)狀分析

浙江大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)（以下簡稱“本專業(yè)”）始建立于1956年，是全國高校最早建立的自動(dòng)化專業(yè)之一，現(xiàn)依托“控制科學(xué)與工程”國家一級重點(diǎn)學(xué)科，建有“工業(yè)自動(dòng)化國家工程研究中心”“工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”“工業(yè)控制系統(tǒng)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室”和“流程生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)化與控制國家級國際聯(lián)合研究中心”等四個(gè)國家級研究平臺(tái)和二個(gè)省部級平臺(tái)。本專業(yè)所依托的“控制科學(xué)與工程”一級學(xué)科在教育部歷次學(xué)科評估中均名列前茅，并于2017年入選首批國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科，2018年在全國第四次學(xué)科評估中位列“A+”學(xué)科，是全國高校自動(dòng)化專業(yè)中的傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科單位。

本專業(yè)在發(fā)展歷程中有二個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和發(fā)展標(biāo)志：一是在20世紀(jì)80年代末期，由原來的石油化工自動(dòng)化拓寬為面向整個(gè)流程工業(yè)，包括冶金鋼鐵、造紙、制藥、發(fā)電、食品加工等，自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)也逐漸由單一背景發(fā)展成以自動(dòng)化集成為特點(diǎn)的“寬背景、寬學(xué)科”理念。二是近十年來，專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬，互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、智能交通、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、航空航天、節(jié)能環(huán)保等新領(lǐng)域、新知識(shí)逐漸納入本專業(yè)知識(shí)體系中，專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)定位逐漸發(fā)展為“多學(xué)科交叉與融合、多學(xué)科知識(shí)體系的綜合與創(chuàng)新”，與浙江大學(xué)本科生大類培養(yǎng)理念進(jìn)行了很好的銜接，符合目前正在進(jìn)行的新工科建設(shè)理念。尤其是從2016年開始，本專業(yè)培養(yǎng)方案在原有的流程工業(yè)自動(dòng)化（習(xí)慣稱為“控制工程”方向）基礎(chǔ)上明確增加了“機(jī)器人工程”方向，標(biāo)志著本科生培養(yǎng)進(jìn)入了新工科階段。

本專業(yè)傳承自早期的化工自動(dòng)化專業(yè)，60多年的發(fā)展歷史使面向各類流程工業(yè)的控制工程成為本專業(yè)的特色方向，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。因此，在專業(yè)課程體系設(shè)置上也具有很強(qiáng)的流程工業(yè)自動(dòng)化特色。對照新工科建設(shè)要求，尤其在2016年確立了“機(jī)器人工程”作為本專業(yè)的拓展方向以后，面向“控制工程”和“機(jī)器人工程”兩個(gè)專業(yè)方向的培養(yǎng)需求，原有課程設(shè)置總體上暴露出若干問題。比較突出的有三個(gè)方面：

（1）涵蓋“控制工程”和“機(jī)器人工程”兩個(gè)專業(yè)方向的課程體系需要精心的頂層設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)專業(yè)方向課程的知識(shí)層融合。經(jīng)歷60多年發(fā)展，本專業(yè)在控制工程專業(yè)方向上已經(jīng)形成了自己的優(yōu)勢和特色，有健全的培養(yǎng)體系和課程設(shè)置、豐富的教學(xué)實(shí)踐資源、高水平的師資力量和大量的高端學(xué)術(shù)研究成果。但這些優(yōu)勢在目前新工科建設(shè)目標(biāo)下不一定全部轉(zhuǎn)化為有利條件，例如專業(yè)方向發(fā)展上的即得固化、教學(xué)內(nèi)容上的習(xí)慣性側(cè)偏、教師知識(shí)結(jié)構(gòu)的單一化、教學(xué)資源上的專用性，等等。因此，亟待解決的一個(gè)問題就是進(jìn)行適應(yīng)新工科目標(biāo)的課程體系的一體化頂層設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)控制工程和機(jī)器人工程的知識(shí)層

融合。

（2）教學(xué)內(nèi)容需要推陳出新，教學(xué)方法需要不斷改進(jìn)，以適應(yīng)新工科提出的更高要求?？茖W(xué)進(jìn)步和國家戰(zhàn)略需求，將高等學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)提升到了一個(gè)新高度。具體到基層的教學(xué)活動(dòng)，課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的革新是達(dá)到這個(gè)新高度的基本手段。以本專業(yè)核心課程“傳感技術(shù)與檢測儀表”為例，面向流程工業(yè)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(yǎng)體系下要增加面向智能機(jī)器的視覺檢測、運(yùn)動(dòng)檢測、位置檢測等，教學(xué)內(nèi)容需要更新。同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容的更新和教學(xué)手段的進(jìn)步（信息化、互聯(lián)網(wǎng)、仿真技術(shù)等）也推動(dòng)教學(xué)方法的不斷

改進(jìn)。

（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)多偏重于控制工程方向，機(jī)器人工程方向?qū)嶒?yàn)實(shí)踐有待建設(shè)和升級。經(jīng)過多年的教學(xué)和科研，本專業(yè)積累了豐富的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐資源，形成了自主開放的多層次專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)體系，成為專業(yè)培養(yǎng)體系的重要組成部分。然而，對于新拓展的專業(yè)方向如機(jī)器人工程，就缺乏這樣的資源和條件?，F(xiàn)狀是，依托本專業(yè)教師針對機(jī)器人方向的科學(xué)研究和學(xué)科競賽，在國家各類科研計(jì)劃、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家“985”/“211”學(xué)科建設(shè)的支持下，已經(jīng)建立了一些向本科生開放的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，如機(jī)器人制作實(shí)驗(yàn)室和足球機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室等，但距完整性、系統(tǒng)性目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，無法支撐一個(gè)新專業(yè)方向的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)安排。

三、基于新工科理念的自動(dòng)化專業(yè)課程教學(xué)體系優(yōu)化重構(gòu)建設(shè)

1.強(qiáng)化控制工程和機(jī)器人工程兩個(gè)專業(yè)方向的交叉融合，構(gòu)建浙江大學(xué)“自動(dòng)化+”培養(yǎng)體系

自動(dòng)化專業(yè)是一個(gè)對人類生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)生活產(chǎn)生重大影響的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具有應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、多學(xué)科交叉、跨行業(yè)、寬口徑的鮮明特點(diǎn)，它以控制論為理論基礎(chǔ)，并與系統(tǒng)論、信息論密切相關(guān)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等領(lǐng)域。

作為一個(gè)歷史悠久的傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，浙江大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)在面向控制工程方向上培養(yǎng)體系健全，為本學(xué)科成為“雙一流”學(xué)科和A+學(xué)科做出了主要貢獻(xiàn)。同時(shí)，機(jī)器人工程作為本學(xué)院由科學(xué)研究、研究生培養(yǎng)擴(kuò)展轉(zhuǎn)化而來的本科生培養(yǎng)方向，由于建設(shè)歷史短，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)還是要立足本學(xué)院的師資和資源確定教學(xué)方案、開展教學(xué)活動(dòng)，因此在目前已有的自動(dòng)化培養(yǎng)體系中融入機(jī)器人工程的本科生培養(yǎng)需求，形成一體化的浙江大學(xué)“自動(dòng)化+”培養(yǎng)體系，是非常必要和重

要的。

多年來，本專業(yè)在既有自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)體系基礎(chǔ)上陸續(xù)開展了強(qiáng)化融合機(jī)器人工程的探索和實(shí)踐，積累了許多成果和經(jīng)驗(yàn)，形成了針對機(jī)器人工程的“課程—實(shí)踐—競賽—科研” 協(xié)同培養(yǎng)模式，具體表現(xiàn)在：

（1）基礎(chǔ)保障。浙江大學(xué)控制學(xué)院在機(jī)器人方向上具有長期的科研和教學(xué)工作基礎(chǔ)，目前已成為控制學(xué)院的優(yōu)勢學(xué)科方向之一。經(jīng)過十余年的堅(jiān)持不懈的努力，控制學(xué)院已經(jīng)開設(shè)了較豐富的機(jī)器人專業(yè)課程，建成了較完善的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，組成了一批專門從事機(jī)器人教學(xué)及科研工作的專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)。

（2）人才培養(yǎng)。2013年開始，浙江大學(xué)在竺可楨學(xué)院工程教育高級班中設(shè)立機(jī)器人工程模塊，試點(diǎn)機(jī)器人方向的人才培養(yǎng)，控制科學(xué)與工程學(xué)院承擔(dān)了機(jī)器人模塊的教學(xué)工作。2016年，在本院自動(dòng)化專業(yè)中設(shè)置了機(jī)器人方向，建立了側(cè)重機(jī)器人技術(shù)的培養(yǎng)方案。

（3）教學(xué)與實(shí)踐。控制學(xué)院于2002年開始承擔(dān)浙江大學(xué)機(jī)器人科教實(shí)踐基地的建設(shè)，2006年開始為全校本科生開出與機(jī)器人有關(guān)的通識(shí)課程，并在自動(dòng)化專業(yè)體系下建設(shè)了面向不同學(xué)科、不同年級的多層次機(jī)器人科研訓(xùn)練與教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，為學(xué)生開展知行合一的創(chuàng)新實(shí)踐提供了優(yōu)良條件。

（4）多學(xué)科交叉融合。已經(jīng)建立的機(jī)器人教學(xué)課程和實(shí)踐資源面向全校開放，形成了寬廣的學(xué)生受眾面，實(shí)踐活動(dòng)參與學(xué)生幾乎涵蓋浙江大學(xué)所有理、工、農(nóng)、醫(yī)專業(yè)及部分文科、社科專業(yè)，培養(yǎng)了一批機(jī)器人研究學(xué)生骨干，在國內(nèi)外機(jī)器人比賽中獲得優(yōu)異成績，有效促進(jìn)了浙江大學(xué)工科學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)展和優(yōu)秀拔尖人才培養(yǎng)，在國內(nèi)外產(chǎn)生了較大的社會(huì)

影響。

（5）科研支撐?？刂茖W(xué)院開展了機(jī)器人方向的長期深入研究，承擔(dān)了多項(xiàng)國家重大基礎(chǔ)研究、國家自然科學(xué)基金、國家“863計(jì)劃”等國家級重要項(xiàng)目和課題，在機(jī)器人研究與應(yīng)用方面取得了一批創(chuàng)新成果，研制了國際上首個(gè)具有快速連續(xù)動(dòng)態(tài)作業(yè)能力的乒乓球?qū)Υ蚍氯藱C(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了與人對打、雙機(jī)對打和高速旋轉(zhuǎn)球接打，得到國內(nèi)外領(lǐng)域?qū)＜业母叨仍u價(jià)，美聯(lián)社、路透社、美國國家地理頻道等都進(jìn)行了專題報(bào)道，此外還研制了四足仿生機(jī)器人、自主移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人等新一代機(jī)器人系統(tǒng)。

（6）教研協(xié)同。控制學(xué)院在機(jī)器人教學(xué)和科研發(fā)展過程中將兩者緊密結(jié)合，由科研團(tuán)隊(duì)骨干教師擔(dān)任機(jī)器人課程主講老師和實(shí)踐指導(dǎo)老師，在課程教學(xué)和實(shí)踐中充分結(jié)合國際前沿技術(shù)發(fā)展趨勢和國家重要發(fā)展需求，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)踐探索課題，引導(dǎo)學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)踐的基礎(chǔ)上開展科研探索研究。

2.重構(gòu)自動(dòng)化專業(yè)課程體系，通過頂層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制工程和機(jī)器人工程的知識(shí)融合，形成浙江大學(xué)“自動(dòng)化+”完整的課程體系

從控制學(xué)科視角，無論是檢測手段、控制方法，還是被控系統(tǒng)，控制工程與機(jī)器人工程都有很大不同，依賴于不同學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)。例如，控制工程多依賴化學(xué)工程、能源工程，而機(jī)器人工程更偏向于機(jī)械工程;控制工程的控制目標(biāo)趨向于“恒定”而機(jī)器人工程則更偏重“運(yùn)動(dòng)”;控制工程講究“以不變應(yīng)萬變”，而機(jī)器人工程更強(qiáng)調(diào)“智能性應(yīng)變”能力;控制工程的知識(shí)基礎(chǔ)是能量守恒、物質(zhì)守恒、化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、傳熱方程等，機(jī)器人工程的知識(shí)基礎(chǔ)是力學(xué)原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)方程等。同樣從控制學(xué)科角度，盡管控制工程和機(jī)器人工程有諸多的差異，但二者都遵從基礎(chǔ)的控制原理，這也成為實(shí)現(xiàn)控制工程和機(jī)器人工程的交叉融合，形成“自動(dòng)化+”的切入點(diǎn)和改革基礎(chǔ)。因此，要在本科教學(xué)層面上融合兩者，必須首先進(jìn)行課程體系的頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃重構(gòu)，形成以控制方法為核心支撐的體系架構(gòu)，我們開展的具體工作體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）課程體系的頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃重構(gòu)

科學(xué)的課程體系和先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容不僅為學(xué)生提供專業(yè)所必需的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能滿足學(xué)生自身發(fā)展的需要，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證。由于本專業(yè)傳承自早期的化工自動(dòng)化，其面向各類流程工業(yè)的“控制工程”方向在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，因此在專業(yè)課程體系的設(shè)置上也具有很強(qiáng)的流程工業(yè)自動(dòng)化特色，主要有：① 涉及整個(gè)反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的課程，如自動(dòng)控制理論（關(guān)注建模與系統(tǒng)分析）、過程控制工程（關(guān)注系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用）、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等。② 涉及檢測儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的課程，如現(xiàn)代傳感技術(shù)與過程檢測系統(tǒng)、控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置等。③ 涉及控制對象建模與分析的課程，如過程建模、自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)仿真等。④ 涉

及控制器硬軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用的課程，如微機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制裝置、過程控制工程等。⑤ 涉及電類、計(jì)算機(jī)類與數(shù)學(xué)類三方面的大類課程，作為自動(dòng)化專業(yè)核心課的前置

課程。

另一方面，作為上述專業(yè)核心課的擴(kuò)展課程，涉及下列專業(yè)選修課程：①智能機(jī)器系列，如人工智能基礎(chǔ)、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人導(dǎo)論、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐等。② 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的強(qiáng)化，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論等。③ 高級控制方法與高級控制裝置，如最優(yōu)控制、先進(jìn)控制基礎(chǔ)、智能控制、嵌入式系統(tǒng)、PLC設(shè)計(jì)與實(shí)踐、DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐等。④ 傳感與檢測技術(shù)的深入，如機(jī)器視覺、生物傳感器技術(shù)、公共安全檢測技術(shù)等。⑤ 數(shù)學(xué)建模與優(yōu)化技術(shù)的延伸，如運(yùn)籌學(xué)、數(shù)學(xué)建模與實(shí)踐、系統(tǒng)工程導(dǎo)論等。

與此同時(shí)，課程體系特別強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，除包含于各常規(guī)課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)外，還專門開設(shè)了多門“課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程”，如自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)、過程控制課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐。這些實(shí)踐教學(xué)課程以學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)為主體，由教師提出實(shí)驗(yàn)任務(wù)并提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

從閉環(huán)控制系統(tǒng)的視角，上述專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課課程體系可以分為四大類課程：① 控制理論和裝備類課程，扮演閉環(huán)控制系統(tǒng)中自動(dòng)控制器的角色。② 傳感檢測儀表類課程，起到閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行器的作用。③ 過

程對象建模類課程，解決被控對象的描述問題。④ 各種前置課程。

根據(jù)機(jī)器人工程方向的建設(shè)需求，上述課程體系存在以下問題：一是面向機(jī)器人工程的課程設(shè)置明顯不足，無法形成系統(tǒng)、全面的機(jī)器人知識(shí)體系。二是從課程教學(xué)內(nèi)容分析，絕大部分課程都是圍繞控制工程組織教學(xué)內(nèi)容，機(jī)器人工程的知識(shí)比重比較少。三是在現(xiàn)有的課程教學(xué)模式中，各門課程大都獨(dú)自開課，相互之間缺乏協(xié)同，造成不同課程間的知識(shí)冗余或知識(shí)“孤島”，知識(shí)“點(diǎn)”居多、知識(shí)“線”不夠、知識(shí)“面”缺乏，使學(xué)生形不成完整的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，制約了學(xué)生后續(xù)學(xué)業(yè)發(fā)展。四是缺乏與機(jī)器人研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)性知識(shí)有關(guān)的課程，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、環(huán)境感知、驅(qū)動(dòng)與控制的課程。五是目前面向機(jī)器人工程的課程，多從控制學(xué)科角度設(shè)立，缺乏與計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電氣等學(xué)科的交叉融合，不能全方位適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。六是目前機(jī)器人課程中，為實(shí)際應(yīng)用服務(wù)的課程缺乏。因此，近三年來浙江大學(xué)“自動(dòng)化+”課程體系的規(guī)劃重構(gòu)主要立足于這六個(gè)方面，其中課程群建設(shè)和課程內(nèi)容的優(yōu)化整合是核心

內(nèi)容。

（2）課程群建設(shè)

課程群教學(xué)是對培養(yǎng)對象相同、課程內(nèi)容密切、培養(yǎng)功能相近的多門課程進(jìn)行重組并組織實(shí)施的一種整體化教學(xué)模式，也是一種新型的課程平臺(tái)。一方面，課程群教學(xué)跨越了傳統(tǒng)的課程和知識(shí)結(jié)構(gòu)邊界，聚焦于跨課程的知識(shí)體系，有利于教師采用團(tuán)隊(duì)式和研究式等新的教育理念和教學(xué)模式，激勵(lì)教師在教學(xué)過程中廣泛而深度開展實(shí)驗(yàn)式和情景式教學(xué)。另一方面，作為多元化知識(shí)的教學(xué)體系，課程群教學(xué)也有利于在教學(xué)過程中形成既關(guān)注基本理論和知識(shí)傳授，又突出多種專業(yè)能力培養(yǎng)的協(xié)調(diào)格局，啟迪和激發(fā)學(xué)生的系統(tǒng)性思維和創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力。課程群建設(shè)是課程群教學(xué)的基礎(chǔ)，是以多門相近或相關(guān)課程為基礎(chǔ)，采用“結(jié)構(gòu)整體有序、內(nèi)容穿插嫁接”的邏輯思維和結(jié)構(gòu)化改造方式，對各門課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等進(jìn)行一體化整合和內(nèi)容優(yōu)化的過程，為“培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”提供一個(gè)完整的課程培養(yǎng)體系和有力的課程資源保證，是進(jìn)一步塑造專業(yè)內(nèi)涵及專業(yè)特色、人才培養(yǎng)定位的重要支撐。

從本專業(yè)傳統(tǒng)的課程體系和兩個(gè)專業(yè)方向融合需求考慮，我們采用了多層次課程群的建設(shè)模式。第一層為專業(yè)前置課程群，包括數(shù)學(xué)物理類課程、電類課程和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類課程。該課程群的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計(jì)劃主要由浙江大學(xué)本科生院統(tǒng)一安排，共約22學(xué)分。

第二層為控制工程和機(jī)器人工程兩個(gè)專業(yè)方向共享課程群，包括自動(dòng)控制理論課程群、先進(jìn)傳感和智能檢測技術(shù)課程群、數(shù)學(xué)建模與分析方法課程群、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)課程群等四個(gè)課程群。其中，自動(dòng)控制理論課程群包括自動(dòng)控制理論、運(yùn)籌學(xué)與系統(tǒng)工程、智能控制技術(shù)等，共約22學(xué)分。先進(jìn)傳感和智能檢測技術(shù)課程群包括工業(yè)傳感與檢測、現(xiàn)代智能傳感技術(shù)、機(jī)器視覺與機(jī)器學(xué)習(xí)等，共約12學(xué)分。數(shù)學(xué)建模與分析方法課程群包括數(shù)學(xué)建模與仿真、信號與系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)辨識(shí)等，共約10學(xué)分。計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)課程群包括嵌入式系統(tǒng)、面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)等，共約12學(xué)分。

第三層為分別面向兩個(gè)專業(yè)方向的課程群，即控制工程課程群和機(jī)器人工程課程群。其中，控制工程課程群包括過程控制工程、過程動(dòng)態(tài)學(xué)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線等，共約18學(xué)分。機(jī)器人工程課程群包括機(jī)器人導(dǎo)論、機(jī)器人學(xué)、飛行機(jī)器人等?？紤]到機(jī)器人課程設(shè)置不足的問題，增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與決策控制，使該課程群總體達(dá)到20學(xué)分。

第四層為專業(yè)的應(yīng)用特色課程群。已設(shè)立的有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論、物流自動(dòng)化概論、生物傳感器技術(shù)、公共安全檢測技術(shù)，還將增設(shè)三門左右的多學(xué)科交叉性課程和至少一門機(jī)器人應(yīng)用類課程，共約16學(xué)分。

第五層為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程群，將依托面向兩個(gè)專業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)開展。

課程群建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅僅是將幾門課程簡單的捆綁，而是以學(xué)生的能力培養(yǎng)為主線、以課程的邏輯聯(lián)系為紐帶、以教師團(tuán)隊(duì)合作為支撐、以提升教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)的課程建設(shè)模式。本專業(yè)學(xué)生在四年的培養(yǎng)期內(nèi)，其課程學(xué)習(xí)按照課程群的設(shè)置，遵循知識(shí)層級的循序漸進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的逐步提高完成

學(xué)業(yè)。

3.優(yōu)化整合課程教學(xué)內(nèi)容，通過重組、改造、升級實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵和外延協(xié)同發(fā)展的課程建設(shè)，提升浙江大學(xué)“自動(dòng)化+”課程教學(xué)水平

作為控制工程和機(jī)器人工程的共享課程，在上述第二層的自動(dòng)控制理論課程群、先進(jìn)傳感和智能檢測技術(shù)課程群、數(shù)學(xué)建模與分析方法課程群中，大部分課程在本專業(yè)已經(jīng)設(shè)置了許多年。由于歷史的原因，目前這類課程的教學(xué)內(nèi)容多偏重控制工程，無法取得共享課程的效果。

以自動(dòng)控制理論和傳感與檢測兩門課為例。自動(dòng)控制原理的現(xiàn)行課程方案中，從原理到方法再到案例，基本是以流程工業(yè)過程作為應(yīng)用背景，與機(jī)器人中需要的機(jī)電系統(tǒng)建模、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與機(jī)電伺服控制相去甚遠(yuǎn)。目前的傳感與檢測課程主要以流程工業(yè)中常見的溫度、流量、壓力、液位、成分分析為檢測對象，而機(jī)器人中更重要的是位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、力矩轉(zhuǎn)矩、視覺信號和雷達(dá)信號，兩者有較大差距。因此，在主要的共享課程中補(bǔ)充、擴(kuò)展與機(jī)器人工程有關(guān)的內(nèi)容，達(dá)到兩個(gè)專業(yè)方向在教學(xué)內(nèi)容上的兼容并蓄是必要的。

同時(shí)，獨(dú)立開課、相互間缺乏內(nèi)容整合的相近課程，往往存在課程內(nèi)容“重疊”或知識(shí)點(diǎn)“空白”的情況。一種情況是，同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(shí)代和科技發(fā)展，新的、必要的知識(shí)點(diǎn)尚未補(bǔ)充進(jìn)來。因此，需要對課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，對專業(yè)知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)體系進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)造完整的知識(shí)框架，然后按框架的知識(shí)邏輯關(guān)系分配到各個(gè)課程群和課程中，減少“重疊”，不留“空白”。

課程（尤其是共享課程）內(nèi)容的優(yōu)化整合是一項(xiàng)長期和細(xì)致的任務(wù)，一般需經(jīng)歷課程內(nèi)容討論、劃定課程邊界，以及按照課程邊界組織各自授課內(nèi)容、備課、授課、開課效果反饋、內(nèi)容再調(diào)整等幾個(gè)環(huán)節(jié)。課程群這樣一個(gè)體系結(jié)構(gòu)對課程內(nèi)容的優(yōu)化整合起到了保障作用。這也是課程群建設(shè)的目的之一。

針對上述問題，我們通過課程群任課教師團(tuán)隊(duì)的充分討論和協(xié)商，采取的措施是：一是

“重組”一批與控制工程和機(jī)器人工程密切相關(guān)的必修課程，如自動(dòng)控制原理、傳感與檢測、過程控制工程、機(jī)器人學(xué)等，補(bǔ)充共性知識(shí)內(nèi)容。二是“改造”一批與機(jī)器人密切相關(guān)、但需要進(jìn)行知識(shí)范圍拓展和內(nèi)容更新的核心課程，如人工智能概論、運(yùn)籌學(xué)與系統(tǒng)工程等。三是“升級”一批專業(yè)選修課程，完善機(jī)器人工程的課程體系，如機(jī)器視覺與機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與決策控制等。

4.完善升級實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，均衡面向兩個(gè)專業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)資源，夯實(shí)浙江大學(xué)“自動(dòng)

化+”創(chuàng)新實(shí)踐的基礎(chǔ)

本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)主要包括課程實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)踐、國際交流、畢業(yè)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。目前，面向控制工程的各類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐資源比較豐富，能夠滿足本科培養(yǎng)的絕大部分需求，而面向機(jī)器人工程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐資源因?yàn)榘l(fā)展歷史短，還處在逐步建設(shè)和完善的過程中。

機(jī)器人工程是一個(gè)典型的學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及眾多的基礎(chǔ)學(xué)科和工程應(yīng)用學(xué)科，如控制、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子電器、光學(xué)、儀器儀表、新型能源等。目前，學(xué)院面向本科生的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室所采用的機(jī)器人設(shè)備基本上以成品或半成品機(jī)器人為主，研究方向以增加機(jī)器人功能、提高機(jī)器人性能為主，屬于機(jī)器人研究領(lǐng)域中的后半程研究。同時(shí)，機(jī)器人類型也是以學(xué)科競賽為主，缺乏面向大眾的實(shí)際應(yīng)用背景。因此，浙江大學(xué)“自動(dòng)化+”專業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)重點(diǎn)開展了以下三項(xiàng)工作：（1）對面向控制工程的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行智能化擴(kuò)展，將智能機(jī)器技術(shù)融入流程工業(yè)的決策和控制中，既包括在國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高端的學(xué)術(shù)研究，也包括在科研訓(xùn)練和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行面向普通本科生的機(jī)械手、智能機(jī)器、特種工作機(jī)器人研發(fā)。這些都是將控制工程與機(jī)器人工程進(jìn)行交叉融合的有效途徑。（2）建設(shè)與機(jī)器人基礎(chǔ)研究有關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，如機(jī)器人智能感知實(shí)驗(yàn)室（機(jī)器視覺、激光雷達(dá)、味覺聽覺、高精地圖等）、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)室（運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)和位置定位等）、機(jī)器人集成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室等。這些都是從根本上提高機(jī)器人水平所必需的。（3）從拓展機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域方面建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，如智能汽車實(shí)驗(yàn)室、水下無人潛航器實(shí)驗(yàn)室、無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室，乃至醫(yī)療、陪護(hù)、快遞等生活類機(jī)器人，使機(jī)器人真正走向應(yīng)用、走向大眾。上述三項(xiàng)工作大部分正在進(jìn)行中。

四、結(jié)束語

新工科背景下的本科教學(xué)改革是一項(xiàng)艱巨、長期的系統(tǒng)工程，不可能一蹴而就，也無法做到包羅萬象。近幾年來，本專業(yè)結(jié)合新工科建設(shè)在強(qiáng)化專業(yè)方向交叉融合、重構(gòu)課程體系、優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容、完善升級實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等方面開展了一些卓有成效的工作，力圖實(shí)現(xiàn)適應(yīng)新工科要求的自動(dòng)化專業(yè)內(nèi)涵、外延協(xié)同發(fā)展。實(shí)踐證明，本文所進(jìn)行的教學(xué)改革是成功的、有成效的。得益于此，浙江大學(xué)控制學(xué)院已于2018年正式獲教育部批準(zhǔn)建立機(jī)器人工程專業(yè)，2019年起招生，為浙江大學(xué)控制學(xué)院開辟了新的發(fā)展空間。

本文工作并非是單純一門具體課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，而是涉及一個(gè)專業(yè)培養(yǎng)體系的全方位改革，需要在學(xué)院層面上推進(jìn)和展開工作。為此，學(xué)院在教學(xué)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下建立了基層教學(xué)組織，作為承擔(dān)和協(xié)調(diào)專業(yè)層面的教學(xué)改革、培養(yǎng)體系規(guī)劃和課程頂層設(shè)計(jì)的專門機(jī)構(gòu)，并形成了基層教學(xué)組織、職能工作組、專業(yè)課程群、任課教師組成的四級遞階組織機(jī)構(gòu)， 保障了工作的順利執(zhí)行和圓滿完成，并有助于形成改革工作的長效機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]林健.引領(lǐng)高等教育改革的新工科建設(shè)[J].中國高等教育，2017（13/14）：40-43.

[3]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科，主動(dòng)適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[4]陸國棟.構(gòu)建“六個(gè)協(xié)同”的人才培養(yǎng)體系[J].中國高等教育，2014（18）：52.

[5]劉華東.本科教育培養(yǎng)體系的理念與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016（1）：16-20.

[6]蔣宗禮.新工科建設(shè)背景下的計(jì)算機(jī)類專業(yè)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017（8）：34-39.

[7]韓璞，林永君，劉延泉，等.自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師課程體系的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（10）：262-271.

[8]王元卓，隋京言.新工科背景下的大數(shù)據(jù)專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（12）：35-42.

[9]沈毅，王強(qiáng)，張華，等.自動(dòng)化工程教育培養(yǎng)體系建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（10）：340-344.

[10]李擎，崔家瑞，楊旭，等.面向解決復(fù)雜工程問題的自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐能力培養(yǎng)體系研究[J].高等理科教育，2017（3）：113-118.

[參加本文工作的還有戴連奎、熊蓉、吳俊、謝依玲、王慧、邵之江、趙豫紅等老師。本研究工作得到了浙江省高等教育“十三五”第一批教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG20180003）和浙江大學(xué)2018年度教學(xué)改革項(xiàng)目的資助]

[責(zé)任編輯：夏魯惠]