“新工科”建設(shè)視域下傳統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)改革模式研究與實踐

吳慎將 張維光 聶亮 段存麗 王佳

摘 ?要：以“新工科”建設(shè)內(nèi)涵要求為依據(jù)，以“四個滿足”為評價標準，對光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實施升級改造;創(chuàng)設(shè)四個“新業(yè)態(tài)”項目，并以之為載體開展教學(xué)實踐;通過引入行業(yè)評價，完善質(zhì)量評價體系并持續(xù)改進;在“新工科”建設(shè)視域下，形成了升級傳統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)改革模式，使學(xué)生能具備面向未來新技術(shù)創(chuàng)新需求的實踐能力、工程意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等要素。

關(guān)鍵詞：新工科;專業(yè)改造;實踐教學(xué)體系;質(zhì)量評價

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）15-0125-04

Abstract： This study upgrades and transform of the optoelectronic information science and engineering based on the connotation requirements of the construction of "new engineering" ， with the "four satisfactions" as the evaluation criteria. The paper creates four "new format" projects and use them as carriers to carry out teaching practices; through the introduction of industry evaluation， elevate the quality evaluation system and keep improving; under the perspective of "new engineering" construction， a reform mode of upgrading traditional professional practice teaching has been formed， so that students can have the practical ability， engineering awareness and innovation ability training for future new technological innovation needs.

Keywords： new engineering; professional transformation; practical teaching system; quality evaluation

“新工科”是基于國際經(jīng)濟發(fā)展新形勢、國家戰(zhàn)略發(fā)展新需要、產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求和未來發(fā)展新高度等提出的一種新的“工科形態(tài)”[1-2]。教育部高教司積極推動“新工科”教育改革，面向新經(jīng)濟、 新產(chǎn)業(yè)和新科技，以交叉、融合和創(chuàng)新為主要途徑培養(yǎng)創(chuàng)新型工科人才[3]。近年來，以“機器人工程”“人工智能”“大數(shù)據(jù)”等為代表的“新工科”專業(yè)已在清華大學(xué)等綜合實力較強的院校開始創(chuàng)辦招生，開始了以“新工科”內(nèi)涵和要求為研究目標的專業(yè)教學(xué)實踐。然而，從“新工科”專業(yè)建設(shè)培育及其對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐來看，不僅要關(guān)注新技術(shù)下新專業(yè)建設(shè)問題，更應(yīng)該解決原有專業(yè)的升級改造問題。對原有專業(yè)進行升級改造，使其具有“新工科”內(nèi)涵和人才培養(yǎng)能力。

本文以西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)為例，針對專業(yè)實踐的人才培養(yǎng)目標不能滿足“新工科”面向未來新技術(shù)創(chuàng)新需求的人才培養(yǎng)要求，專業(yè)實踐教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生工程意識、創(chuàng)新思維和知識應(yīng)用能力方面存在不足等問題，開展“新工科”建設(shè)視域下，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)改革模式研究與實踐。

一、“新工科”對原有專業(yè)升級改造過程中的典型問題

（一）現(xiàn)有工科專業(yè)實踐教學(xué)方案，不能滿足以“新工科”為背景下，學(xué)生面向未來新技術(shù)創(chuàng)新需求的實踐能力、工程意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等要求

傳統(tǒng)工科專業(yè)實踐教學(xué)方案的設(shè)計，是基于專業(yè)基礎(chǔ)課程所必須的知識體系進行構(gòu)建的。以光電信息科學(xué)與工程專業(yè)為例，該專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)實驗包括：應(yīng)用光學(xué)實驗、物理光學(xué)實驗、光電檢測技術(shù)實驗、傳感器技術(shù)實驗等;訓(xùn)練的項目均是圍繞教材中的相關(guān)知識模塊內(nèi)容進行設(shè)計。隨著技術(shù)的發(fā)展，原有的實踐教學(xué)體系與“新工科倡導(dǎo)的要體現(xiàn)專業(yè)發(fā)展方向”“技術(shù)發(fā)展動態(tài)”和“產(chǎn)業(yè)技術(shù)需求”目標相行漸遠，對學(xué)生面向未來新技術(shù)的相關(guān)能力訓(xùn)練凸顯不足。

（二）現(xiàn)有工科專業(yè)教材及其他教學(xué)資源，目前沒有針對性的、適應(yīng)“新工科”背景的實踐教學(xué)模式與方法

現(xiàn)有的教學(xué)模式一般為指定預(yù)設(shè)的實驗項目、提供現(xiàn)成的實驗裝置、要求統(tǒng)一的實驗步驟，提交預(yù)期的實驗結(jié)果。通過教師講述基本過程及要求，學(xué)生按部就班地進行重復(fù)性的實驗，學(xué)生的思維模式基本上被限定在預(yù)設(shè)場景之中?！靶鹿た啤睂I(yè)實踐過程包含大量的、綜合的或以項目開發(fā)為載體的實踐項目，實踐項目包含光、機、電及信息處理等多學(xué)科交叉實驗內(nèi)容?！靶鹿た啤背珜?dǎo)的教學(xué)模式更多的是以專業(yè)知識為基礎(chǔ)的、自主地對未知結(jié)果實施探索的過程，包括設(shè)計實驗過程，搭建實驗裝置，摸索實驗規(guī)律，獲得不同的實驗結(jié)果，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程意識及實踐能力。

（三）原有實踐教學(xué)效果評價體系，在“新工科”升級改造過程中已經(jīng)不適用，同時缺少針對實踐教學(xué)效果的有效評價方法

通常進行教學(xué)評價，常采用的方法是學(xué)生評教和專家評價相結(jié)合，按照不同的權(quán)重進行綜合評定，而且學(xué)生評教的權(quán)重往往占比更大，但實踐教學(xué)效果對解決行業(yè)技術(shù)問題，體現(xiàn)專業(yè)發(fā)展動態(tài)，更應(yīng)該融入行業(yè)的評價或評測因素，以此綜合評判實踐教學(xué)效果。

二、“新工科”建設(shè)視域下傳統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)改革模式的構(gòu)建

依據(jù)“新工科”背景，西安工業(yè)大學(xué)原有光電信息科學(xué)與工程專業(yè)所采取的教學(xué)模式重構(gòu)整體思路，針對性地制定實踐教學(xué)實施效果整體評價方案。擬實施的原有專業(yè)實踐教學(xué)模式重構(gòu)的實施方案如圖1所示。該方案以學(xué)生面向?qū)I(yè)技術(shù)領(lǐng)域未來技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)對專業(yè)實踐能力的要求，實現(xiàn)專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標。

構(gòu)建的實施方案由四部分組成。首先是“找差距”，即：對比專業(yè)升級改造前后，原有實踐教學(xué)的內(nèi)容板塊、教學(xué)方法及評價方式上，與“新工科”要求內(nèi)涵上的差距，特別是在培養(yǎng)目標、知識體系及培養(yǎng)模式上的差距;二是“新業(yè)態(tài)”，立足技術(shù)發(fā)展方向、產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，調(diào)研和梳理光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出具體的知識、能力需求，在確立實踐教學(xué)過程中學(xué)生專業(yè)素質(zhì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標時，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，研究光電信息技術(shù)領(lǐng)域“新業(yè)態(tài)”，同時兼顧原有專業(yè)人才培養(yǎng)優(yōu)勢，選擇具有未來新技術(shù)內(nèi)涵的工程項目作為實踐教學(xué)的研發(fā)目標;三是確定“新項目”，將原有的基礎(chǔ)能力訓(xùn)練模塊進行調(diào)整，實施開放式、探索式、主題逼近式等多種模式的訓(xùn)練內(nèi)容，教學(xué)活動組織以加強各項目之間的橫向聯(lián)系和縱向支撐為基礎(chǔ)，同時遵循“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念。在新的教學(xué)模式創(chuàng)新及實踐過程中，需明確原有專業(yè)實踐教學(xué)與“新工科”專業(yè)實踐教學(xué)要求之間的差距，突破原有實驗項目的束縛。通過對光電信息技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展方向進行調(diào)研，擬定“人工智能視覺技術(shù)開發(fā)”“基于全息及計算成像的新型成像技術(shù)開發(fā)”“高能短脈沖光纖激光器及其應(yīng)用技術(shù)開發(fā)”和“面向瞬態(tài)非電量檢測對象的光電信息系統(tǒng)開發(fā)”四個具有未來新技術(shù)發(fā)展內(nèi)涵的工程項目，作為實踐教學(xué)工程開發(fā)目標，并評測這些項目涉及的新技術(shù)，如視覺仿生技術(shù)、圖像目標自動識別技術(shù)、基于光波波前調(diào)制與解調(diào)及信息處理技術(shù)相融合的新型成像技術(shù)、新型光纖激光器技術(shù)、瞬態(tài)非電量測量技術(shù)等是否能夠滿足“新工科”的整體要求，及時總結(jié)，實施持續(xù)改進;四是實施“新評價”。實施方案中針對構(gòu)建的“分類分層次的實踐項目”，其構(gòu)建原則，以“四個新要求”為評價基礎(chǔ)，落實“分類分層次實踐教學(xué)”細則和監(jiān)控實施過程;構(gòu)建實踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果進行多元動態(tài)評價方案，特別是關(guān)注創(chuàng)設(shè)的項目，是否能夠加強實踐項目橫向之間的聯(lián)系，實踐項目內(nèi)含的工程能力是否能夠縱向支撐;最后，對培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力合力的執(zhí)行效果，從學(xué)生、教師及第三方等進行綜合評價。

三、以“四個新需求”為參照，對實踐教學(xué)進行效果評價

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在“新工科”諸多教育環(huán)節(jié)中占據(jù)核心位置，是因為其對知識能力有新需求。因此，在實施方案中構(gòu)建的“分類分層次的實踐項目”首先要滿足這些新需求：

（一）緊跟學(xué)生知識能力需求

隨著中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽持續(xù)開展，還有中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽以及各種行業(yè)比賽等諸多賽事，已經(jīng)吸引了全球越來越多的青年學(xué)生積極投入到賽事中來。賽事培訓(xùn)與教育已經(jīng)成為了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容之一。在“天大行動”和“北京指南”中，均強調(diào)了“雙創(chuàng)”教育的重要性及其在“新工科”專業(yè)建設(shè)中的必要性。實踐教學(xué)體系中，突出課程創(chuàng)新性，瞄準學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及競賽對新知識能力的需求，進行必要環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。如，在項目遴選過程中，訓(xùn)練學(xué)生能夠從發(fā)現(xiàn)行業(yè)痛點入手，提出解決方案，明確市場及競品后，突出運營狀況和應(yīng)用反饋，對項目未來進行財務(wù)和融資上的規(guī)劃，組建能夠有效執(zhí)行的團隊，形成一個有利于學(xué)生參與大賽、能力提升、自我發(fā)展、循序漸進的成長之路。

（二）緊跟產(chǎn)業(yè)行業(yè)發(fā)展需求

原有工科專業(yè)存在的另外一個問題就是跟不上行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展步伐。構(gòu)建的“分類分層次的實踐項目”實踐教學(xué)體系，首先要研判市場對該專業(yè)人才需求所必須的專業(yè)知識、專業(yè)技能和專業(yè)工具的學(xué)習(xí)，都要緊跟市場發(fā)展動態(tài)，依托自身專業(yè)優(yōu)勢、著眼長遠發(fā)展、科學(xué)規(guī)劃。

（三）緊跟技術(shù)升級迭代需求

實踐教學(xué)方案中，需增加當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展中最“迫切”需求的關(guān)鍵知識點，避免出現(xiàn)“教師講授的行業(yè)已淘汰”“產(chǎn)業(yè)需求的學(xué)生學(xué)不到”的尷尬情景。與技術(shù)升級迭代相關(guān)的前沿科學(xué)研究成果及科學(xué)技術(shù)發(fā)展進展等知識能力點，不僅要及時更新，而且要縮短周期，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中進行必要的呈現(xiàn)。

（四）緊跟多學(xué)科交叉融合需求

以國家自然科學(xué)基金為牽引的多學(xué)科、多專業(yè)交叉項目，最能形成原創(chuàng)性和獨創(chuàng)性成果。在“新工科”背景下的實踐教學(xué)項目，如果能夠體現(xiàn)多學(xué)科、多專業(yè)交叉融合，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識拓展知識能力體系幫助很大。因此，在實踐環(huán)節(jié)嵌入并實現(xiàn)多學(xué)科、多專業(yè)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，深度考慮多學(xué)科、多專業(yè)交叉融合很有必要。

為了落實“新工科”背景下“分類分層次實踐教學(xué)”細則和執(zhí)行過程，針對“新工科”背景下原有專業(yè)實踐教學(xué)模式重構(gòu)的實施方案，對具體的教學(xué)方案進行細化，監(jiān)控課內(nèi)、課外及中間過程，從“四個新需求”角度，評判每個環(huán)節(jié)是否能夠體現(xiàn)內(nèi)涵反映。

因此，針對這種教學(xué)模式的特點，需要構(gòu)建多元和動態(tài)的教學(xué)效果評價機制，注重評價的客觀主體、方式方法和規(guī)則標準三個方面的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。設(shè)計多維、立體的評價體系，對教學(xué)過程及教學(xué)目標達成度進行評價。一般情況下的教學(xué)效果評價，都由教師評學(xué)、學(xué)生評教和督導(dǎo)評教組成，現(xiàn)在需要引入第三方（外校教師、行業(yè)企業(yè)專家等）來共同完成，還鼓勵學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)過程做出評價，學(xué)生之間進行互評，重視對整個實踐教育過程的綜合評價，建立的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果評價體系，如圖2所示。

“分類分層次的實踐項目”“是否深度融入了”“新工科”元素，在基于項目的實踐課程或含實踐環(huán)節(jié)的理論課程中，根據(jù)學(xué)習(xí)進展情況，以選定的一個或多個實踐環(huán)節(jié)知識能力點作為對象，使用“多元動態(tài)評價方案”進行評價。首先是如何把需求設(shè)計進問題中。例如，在2020年8月，由“教指委”舉辦的光電設(shè)計大賽中，學(xué)生提出的“薄膜激光損傷閾值測試儀”項目，考慮激光與物質(zhì)相互作用的相關(guān)知識能力點在該項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項目需求中，如何把大功率激光器保護鏡片的薄膜制備、工藝優(yōu)化、激光防護和ISO11254國際測試標準等因素融合進去，讓學(xué)生了解行業(yè)對激光損傷閾值的要求，學(xué)會對測試數(shù)據(jù)運用最小二乘法進行擬合的方法，并最終獲得材料激光零幾率損傷閾值;其次，考慮當前最前沿的該專業(yè)相關(guān)科研成果所體現(xiàn)的能力知識點是否可以融入到該能力點的問題創(chuàng)設(shè)中，如何確?！捌惹小钡募夹g(shù)需求能夠得到“及時更新”，并讓學(xué)生及時學(xué)習(xí)并掌握;最后，要考慮知識能力點與相關(guān)交叉學(xué)科或?qū)I(yè)的融合問題。在所創(chuàng)設(shè)的實踐教學(xué)項目中，如何將傳統(tǒng)、單一的知識能力點多樣化、多元化，符合行業(yè)和企業(yè)對人才的需求;最后，針對“四個新需求”的內(nèi)涵，在考察每個項目是否能夠緊跟學(xué)生知識能力需求、緊跟產(chǎn)業(yè)行業(yè)發(fā)展步伐、緊跟技術(shù)更新迭代進度、緊跟多學(xué)科交叉融合現(xiàn)狀四個方面，從學(xué)生、教師、第三方（外校教師、行業(yè)企業(yè)專家）角度，分別進行評價和反饋，進而修改和完善創(chuàng)設(shè)的“分類分層次的實踐項目”。

四、實施與成效

本研究所依托的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)已基本建立“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進”的人才培養(yǎng)體系，2019年11月專業(yè)認證專家組已經(jīng)完成進校考查工作，并已經(jīng)在2020年6月收到通過專業(yè)認證的通知。前期完成的“基于CDIO理念的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)綜合訓(xùn)練新模式探索與實踐”課題，已經(jīng)探索形成面向市場的產(chǎn)品研發(fā)項目人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐教學(xué)模式。近三年內(nèi)，光信息科學(xué)與工程專業(yè)的本科學(xué)生在Opitics Express、Optical Laser and Engineering、《光學(xué)精密工程》《真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報》《光學(xué)學(xué)報》等國際知名期刊上發(fā)表論文33篇，獲批大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目354項，“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽省級獎項62人次，校級獎項752人次，光電設(shè)計大賽共獲獎181人次。此外，學(xué)生作為課題組成員，參與指導(dǎo)教師科研項目共253人。通過該實踐教學(xué)模式的調(diào)整后，學(xué)生對本專業(yè)認可度提高，研究生報考該學(xué)科方向的意愿也從原來的15%提高到34%。通過對傳統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)改革模式改造和升級，以“新業(yè)態(tài)”項目為訓(xùn)練載體，經(jīng)過相關(guān)賽事及實踐活動，學(xué)生在實踐能力、工程意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面都有了顯著提升。這些研究成果為新實踐教學(xué)模式的教學(xué)理念確立、教學(xué)思想的構(gòu)建、課程結(jié)構(gòu)的組織、評價體系的創(chuàng)立等方面探索了可借鑒的研究方法和成果。

五、結(jié)束語

本文針對西安工業(yè)大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實踐教學(xué)體系，以“新工科”為背景，對所涉及的實踐教學(xué)模式與方法及評價體系進行研究?；贠BE理念，內(nèi)含持續(xù)改進機制，以“四個新需求”為出發(fā)點，制定“新工科”專業(yè)實踐教學(xué)方案。構(gòu)建“新工科”背景下實踐教學(xué)效果多元動態(tài)評價機制。針對創(chuàng)設(shè)的四類“分類分層次的實踐項目”，以實踐項目知識點、能力點為標準，以達成度評價為基本方法，檢驗項目是否達到教學(xué)和訓(xùn)練目標。采取的多元動態(tài)評價方案，以評價結(jié)果反饋形成適合本專業(yè)發(fā)展的、具有未來新技術(shù)需求內(nèi)涵的實踐教學(xué)項目，取得了較好的實踐效果。

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