新工科視域下的教學(xué)改革新探索

祝雪芬 宋愛國 祝學(xué)云

摘 要 目前，我國高校本科人才培養(yǎng)存在人才培養(yǎng)模式單一、面向工程實踐能力不足和創(chuàng)新能力激發(fā)不夠等問題。針對這些問題，本文結(jié)合東南大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)在本科教學(xué)改革方面的新探索，闡述理論與實踐教學(xué)新模式的創(chuàng)建、實踐教學(xué)新體系的構(gòu)建、教學(xué)新氛圍的營造和全方位校企聯(lián)合人才培養(yǎng)的新探索，并介紹先進實用的“遠程虛擬測控實驗平臺”。

關(guān)鍵詞 教學(xué)改革 人才培養(yǎng) 校企聯(lián)合 實驗平臺

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.09.015

Abstract At present， there are some problems in the cultivation of undergraduate talents in colleges and universities in China， such as the single talent training mode， the lack of engineering practice oriented ability and the insufficient stimulation of innovation ability. In view of these problems， this paper， combined with the new exploration in undergraduate teaching reform of measurement and control technology and instrument specialty of Southeast University， expounds the establishment of new mode of theoretical and practical teaching， the construction of new system of practical teaching， the creation of new teaching atmosphere and the new exploration of all-round college enterprise joint personnel training， and introduces the advanced and practical "remote virtual measurement and control experimental platform".

Keywords teaching reform; talent training; school enterprise alliance; experimental platform

自2011年漢諾威博覽會首次提出了工業(yè)4.0的概念以來，包括德國、美國、日本、法國在內(nèi)的發(fā)達國家紛紛出臺了工業(yè)革命國家戰(zhàn)略計劃，我國也隨之繪制了《中國制造2025》藍圖，其主要目的是激發(fā)創(chuàng)新能力，用創(chuàng)新推動國家工業(yè)革命的進程，在未來的工業(yè)競爭中能夠搶占先機。其中智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流成為新的時代主題。可以預(yù)見，更加先進智能的生產(chǎn)方式將會很快替代原有的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，然而這一切都依賴于科技的快速進步，依賴于每一個科研工作者為推動技術(shù)進步做出的努力，因此對國內(nèi)高校的工科教育提出了新要求。以新工科人才培養(yǎng)為目的，東南大學(xué)測控專業(yè)經(jīng)過多年的探索與實踐，創(chuàng)建了“三階段，三步走，三結(jié)合”的教學(xué)新模式，構(gòu)建了“面向全程，面向工程，面向多元”的實踐教學(xué)新體系，營造了“教依于學(xué)，學(xué)受于教”的師生高度互動的教學(xué)新氛圍，建立了校企聯(lián)合授課、校企聯(lián)合指導(dǎo)、校企聯(lián)合設(shè)計和校企聯(lián)合攻關(guān)的“四聯(lián)合”人才培養(yǎng)新模式，建成了具有實踐性和創(chuàng)新性的 “遠程虛擬測控實驗平臺”，對“工程教育4.0”實施了初步探索。

1 “三階段，三步走，三結(jié)合”的教學(xué)新模式

雖然國內(nèi)高校已日益重視學(xué)生能力教育，但傳統(tǒng)本科人才培養(yǎng)方案仍然普遍存在注重知識理論，強調(diào)“教”的過程，忽視了“學(xué)”的認知和實踐過程，人才培養(yǎng)模式單一、面向工程實踐能力不足和創(chuàng)新能力激發(fā)不夠的局限。[1-2]為適應(yīng)新工科的人才培養(yǎng)要求，創(chuàng)建了“三階段，三步走，三結(jié)合”的教學(xué)新模式。（1）“三階段”的教學(xué)過程，指課前布置預(yù)習(xí)內(nèi)容，帶著問題進課堂，激發(fā)學(xué)生興趣，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力;課中以問題為導(dǎo)向，采用現(xiàn)場演示、師生互動教學(xué)方法，提高課堂效率;課后根據(jù)老師布置的課題，自主復(fù)習(xí)，自主訓(xùn)練，鞏固提高，培養(yǎng)自主解決問題的能力。三階段，旨在突顯學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和能力，提升課堂教學(xué)的有效性。（2）“三步走”的教學(xué)方法，指在課堂教學(xué)上，形成了一套“重點難點帶著學(xué)，實際應(yīng)用看著學(xué)，拓展內(nèi)容自己學(xué)”為特點的教學(xué)方法。注重依據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用與之匹配的教學(xué)方法，將“帶著學(xué)”“看著學(xué)”“自己學(xué)”有機結(jié)合起來，強化課程教學(xué)、實踐教學(xué)和課外自學(xué)的時空接續(xù)。（3）“三結(jié)合”的教學(xué)手段，是指將“FLASH動畫展示，基于MATLAB、JAVA仿真軟件，基于LABVIEW的虛擬儀器”三種現(xiàn)代化教學(xué)手段有機結(jié)合，進行漸進式講授和驗證?！叭Y(jié)合”充分運用現(xiàn)代科技手段，采用動畫、虛擬、仿真等方式，在理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間架起一座橋梁，實現(xiàn)理論與實踐的有效對接。如圖1所示。

“三階段，三步走，三結(jié)合” 教學(xué)新模式以虛擬實驗室、示范試驗中心為基礎(chǔ)，以教依于學(xué)，學(xué)受于教為前提，以自主學(xué)習(xí)、虛實結(jié)合教學(xué)模式為核心，以融合理論基礎(chǔ)和實踐能力為目標，最終幫助學(xué)生對知識從定性理解到定量掌握、從局部理解到全局掌握、從淺層理解到深層機理掌握的有效升華。

2 虛擬實驗平臺和教學(xué)實踐融合的新探索

為適應(yīng)“三階段，三步走，三結(jié)合” 教學(xué)新模式，在教學(xué)基礎(chǔ)上依托學(xué)科在測控技術(shù)和虛擬儀器方面的優(yōu)勢，與NI公司合作建成了具有創(chuàng)新性的、國內(nèi)外領(lǐng)先的“遠程虛擬測控實驗平臺”以用于本科教學(xué)。如圖2所示，虛擬儀器把傳統(tǒng)儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，將測控系統(tǒng)的工作過程如動畫般展示，將實驗教學(xué)搬進了課堂，搬上了網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了理論與實踐的完美融合，促進了教學(xué)方法、手段的完善，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

尤其學(xué)生在充分熟悉“遠程虛擬測控實驗平臺”的創(chuàng)建使用原理后，能夠針對具體項目自主開發(fā)出更多的虛擬測控系統(tǒng)，極大提高其學(xué)習(xí)積極性和主動性，充分開拓其思維，發(fā)揮其想象力。此外，學(xué)院通過舉辦國家級虛擬儀器競賽以鼓勵本科生參與虛擬測控實驗平臺的開發(fā)，并取得優(yōu)異成績。通過該平臺，學(xué)生能不依賴于傳統(tǒng)的測量測試儀器設(shè)備，完成遠程的數(shù)據(jù)采集、分析處理與控制任務(wù)，實現(xiàn)了實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共享，并掌握基于虛擬儀器的測控系統(tǒng)構(gòu)建方法。相比單一的實際測控教學(xué)平臺，虛擬測控實驗平臺有如下優(yōu)勢：（1）構(gòu)建的教學(xué)模型種類更廣，層次更豐富;（2）能夠降低學(xué)生的操作風(fēng)險和失敗風(fēng)險，保障課堂安全性和教學(xué)效率。因此，虛擬儀器與實物儀器的結(jié)合是“三階段，三步走，三結(jié)合” 教學(xué)新模式的基礎(chǔ)和特色。

3 “面向全程，面向工程，面向多元”的實踐教學(xué)新體系

盡管對各工科專業(yè)的核心能力有所差異，在工業(yè)新時代，高校對于培養(yǎng)在校大學(xué)生的工業(yè)創(chuàng)新能力、提高其工業(yè)素養(yǎng)這一點是一致的。因此，在實踐教學(xué)體系上形成了“面向全程，面向工程，面向多元”的培養(yǎng)創(chuàng)新人才，提高學(xué)生實踐能力的完善體系。（1）“面向全程”是指學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)貫穿于課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、技能培訓(xùn)，以及參加科研項目、創(chuàng)新訓(xùn)練項目、學(xué)科競賽等教學(xué)實踐活動的全過程。（2）“面向工程”是指學(xué)生參與的科研項目的來源不能是異想天開的，這些科研項目需要有實際的科研工程作為其基礎(chǔ)，學(xué)生通過參加真實的項目工程能夠得到更加系統(tǒng)的工程能力的訓(xùn)練。（3）“面向多元”是指課內(nèi)實驗的形式多樣，以綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗為主，輔助虛擬仿真實驗，并且考慮到每一個學(xué)生的個性特征，學(xué)生本身就是多元的，因此“面向多元”還指在教學(xué)時應(yīng)當“因材施教”。尤其地，虛擬實驗室、示范試驗中心等重點實驗室是培養(yǎng)學(xué)生實踐技能，培育創(chuàng)新型人才的有效途徑，通過鼓勵學(xué)生參加設(shè)計性、綜合性實驗、甚至重大前沿科研課題，既能使其得到較全面的培養(yǎng)和實踐鍛煉，又提高實驗教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究素養(yǎng)（圖3）。

4 “教依于學(xué)，學(xué)受于教”的教學(xué)新氛圍

隨著新興的教育手段和教育工具的出現(xiàn)，學(xué)生比以往有了更多的渠道獲得專業(yè)知識，新教學(xué)氛圍必須正視這一特點，在教學(xué)中不斷發(fā)現(xiàn)新的教學(xué)方法。面對大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、新能源等領(lǐng)域的不斷涌現(xiàn)，教師面臨的競爭壓力很多不僅僅來自于在同一個學(xué)校中的其他老師，他們往往還需要和線上的教育資源進行比較，在這種情形下，充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的能力，是師生同時提升的必然途徑。為此營造了“教依于學(xué)，學(xué)受于教”的師生高度互動的教學(xué)新氛圍。基于該教育理念，教學(xué)中既強調(diào)老師的導(dǎo)學(xué)作用，又注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)作用，將學(xué)生自主性、探究性學(xué)習(xí)能力具體分解為敏銳發(fā)現(xiàn)問題的能力、有效解決問題的能力、學(xué)以致用的能力和舉一反三的能力。從課堂互動、課外研學(xué)互動兩方面出發(fā)，形成師生課內(nèi)外高度互動的教學(xué)新氛圍。這對教師隊伍提出了新要求，因此建設(shè)了一支以“課程教學(xué)+創(chuàng)新實踐指導(dǎo)+教學(xué)改革”一體化的教學(xué)隊伍。包括：（1）以學(xué)術(shù)帶頭人為引領(lǐng)，開設(shè)了貫穿四年學(xué)程的21門研討型課程，包括4門研討型實驗課程。（2）結(jié)合具體科研和工程技術(shù)問題，開展課堂討論，實施問題式、案例式教學(xué)，形成了互動型教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生進行研究性學(xué)習(xí)。（3）以學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)為指引，鼓勵教師指導(dǎo)學(xué)生參加各類競賽，實現(xiàn)教學(xué)與運用密切結(jié)合。（4）建立跨學(xué)科合作交流途徑，現(xiàn)代工程問題越來越涉及多個學(xué)科，這就要求各個學(xué)科的老師和學(xué)生加強交流合作，密切配合，在自己的領(lǐng)域內(nèi)貢獻自己所學(xué)，才能一起解決復(fù)雜的科研難題。

5 校企“四聯(lián)合”的人才培養(yǎng)新模式

作為新工科學(xué)生核心能力的評價認可，企業(yè)是檢驗測控專業(yè)本科人才培養(yǎng)效果的試金石，也是人才培養(yǎng)的重要基地。因此建立了全方位的校企合作培養(yǎng)的新機制，構(gòu)建了校企聯(lián)合授課、校企聯(lián)合指導(dǎo)、校企聯(lián)合設(shè)計和校企聯(lián)合攻關(guān)的“四聯(lián)合”人才培養(yǎng)新模式。在培養(yǎng)方案制訂、開設(shè)工程類課程、探究性實驗項目建設(shè)、在校內(nèi)建設(shè)探究性實驗室和大學(xué)生科研訓(xùn)練基地、在企業(yè)建設(shè)工程實踐教育基地、指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計等方面開展全方位的校企合作。依據(jù)科技發(fā)展和企業(yè)需求，改革電類基礎(chǔ)課程體系和專業(yè)課程體系，建設(shè)工程實踐與創(chuàng)新設(shè)計類系列課程，強化實踐課程、認識實習(xí)、專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)與設(shè)計和科研實踐等“五實”環(huán)節(jié)。積極探索和深化“產(chǎn)、學(xué)、研合作教育”新途徑，以校企間的科學(xué)研究、工程設(shè)計合作項目為支撐，以校企聯(lián)合授課、校企聯(lián)合指導(dǎo)、校企聯(lián)合設(shè)計和校企聯(lián)合攻關(guān)為內(nèi)容，合作培養(yǎng)測控專業(yè)本科生工程實踐、工程設(shè)計和工程創(chuàng)新能力。深化校企合作，是工程人才培養(yǎng)的需要，同時，“四聯(lián)合”能更多地通過校企合作了解企業(yè)對學(xué)生基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)等意見和建議，為深入教學(xué)改革提供參考與動力，形成培養(yǎng)工程人才教學(xué)改革的閉環(huán)系統(tǒng)。校企“四聯(lián)合”的優(yōu)勢在于既能發(fā)揮企業(yè)優(yōu)勢，保持設(shè)備技術(shù)更新，技術(shù)落地，又能發(fā)揮學(xué)校優(yōu)勢，強化理論基礎(chǔ)，培育全面的測控專業(yè)本科人才。

6 新工科視域下的教學(xué)改革新探索成果

經(jīng)過上述一系列理論與實踐教學(xué)改革的探索，學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量普遍提高。就新工科實踐能力而言，近6年測控專業(yè)30%以上本科生在如“挑戰(zhàn)杯”等重要競賽中獲獎140余項，授權(quán)專利31項，在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物和會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文62篇，申報立項國家級、省級創(chuàng)新實踐項目46項。就新工科創(chuàng)新能力而言，近3年本科生連續(xù)獲“中國儀器儀表學(xué)會獎學(xué)金”一等獎，本科畢業(yè)生讀研率在50%以上，出國讀研率在15%以上。就新工科人才培養(yǎng)效果而言，測控專業(yè)畢業(yè)生進入世界前500 強企業(yè)的占總就業(yè)人數(shù)的60%以上，因此在新工科視域下取得了教學(xué)改革新探索初步成果，以期為國內(nèi)工科兄弟院校提供借鑒和參考。

參考文獻

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