提升大學生工程實踐創(chuàng)新能力的措施淺析

馬 壯，曹勝敏，袁 娜，王建龍，王 蕾

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063000)

0 引言

目前，新工科(Emerging Engineering Education，3E)建設是新時期國家戰(zhàn)略發(fā)展的新需求，也是提高我國國際競爭力與高校實現(xiàn)“立德樹人”目標的根本需要[1-2]。新工科的關(guān)鍵特征是充分體現(xiàn)學科交叉，旨在培養(yǎng)工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具有國際視野的高素質(zhì)復合型人才[3]。因此，強化大學生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)對于高校人才培養(yǎng)至關(guān)重要。

文獻[4]在新工科背景下針對浙江大學自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)，從構(gòu)建專業(yè)課程體系、優(yōu)化整合教學內(nèi)容以及完善和更新實驗實踐內(nèi)容等方面進行了深入的研究與探索，取得卓有成效的效果；文獻[5]根據(jù)自動化專業(yè)新工科建設的需要，以培養(yǎng)學生能力為主線，突出理論與實踐教學深度融合，構(gòu)建了邏輯嚴密的專業(yè)課程體系，從而有效地保證了對學生進行工程素質(zhì)教育的水平。文獻[6]依據(jù)無錫的區(qū)域和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，將自動化專業(yè)人才培養(yǎng)與“輕工”特色相結(jié)合，在多元化培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力方面取得了顯著成效。文獻[7]建立了循序遞進式的創(chuàng)新與工程實踐能力培養(yǎng)體系和新型課程體系，構(gòu)建了以學生為主體的教師助導教學模式、自主協(xié)作的實踐教學模式以及“雙中心雙融合”人才實訓模式，在新工科背景下多舉措培養(yǎng)具有工程實踐能力、適應智能自動化時代要求的新型人才。文獻[8]從工程教育認證的視角，提出了反向設計教學、成果導向教育等針對自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的建議。以上文獻，均結(jié)合專業(yè)與區(qū)域特點，從不同方面對提升學生工程實踐創(chuàng)新能力進行了較為深入的研究與實踐，但因所屬區(qū)域不同、專業(yè)特點不同、師資隊伍規(guī)模大小與能力不同等原因，這些文獻中很多理念與措施并不適用高校層次不同而專業(yè)相同的人才的培養(yǎng)。對此，本文基于唐山學院自動化專業(yè)特點及現(xiàn)有專業(yè)教師隊伍現(xiàn)狀，提出提升大學生工程實踐創(chuàng)新能力的幾點措施，以促進自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

1 提升大學生工程實踐創(chuàng)新能力的措施

1.1 強化課內(nèi)實驗

課內(nèi)實驗教學是培養(yǎng)學生工程實踐創(chuàng)新能力的首要途徑，課內(nèi)實驗主要包括基礎實驗與專業(yè)課程實驗兩部分，這是工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎層，側(cè)重訓練學生對基礎知識的獲取及應用，培養(yǎng)學生基本的工程分析和設計能力、計算機編程能力、工程繪圖能力。課內(nèi)實驗教學采用線上與線下相結(jié)合、虛擬仿真與實操相結(jié)合、調(diào)研與項目答辯相結(jié)合的方式。

自動化專業(yè)的課內(nèi)實驗教學主要從專業(yè)基本能力以及專業(yè)核心能力(包括過程控制方向和工業(yè)機器人方向)的培養(yǎng)兩方面著手。近年來，本專業(yè)不斷提高相關(guān)課程的課內(nèi)實驗學時占比，并對相關(guān)實驗的實驗設備進行了逐步改善。培養(yǎng)學生專業(yè)基本能力的專業(yè)基礎課程主要有：C語言程序設計、電路原理、模擬電子技術(shù)基礎、數(shù)字電子技術(shù)基礎、電力電子技術(shù)、電機與電力拖動基礎、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、傳感器與檢測技術(shù)。課內(nèi)實驗為82學時，占課程總學時的16.3%。培養(yǎng)學生專業(yè)核心能力的專業(yè)核心課程主要有：自動控制原理、計算機控制系統(tǒng)與系統(tǒng)仿真、EDA技術(shù)、單片機原理及應用、電氣控制及PLC原理。課內(nèi)實驗為58學時，占課程總學時的20.7%。過程控制方向的專業(yè)核心課程還包括過程控制系統(tǒng)、控制電機及應用、嵌入式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡；工業(yè)機器人方向的專業(yè)核心課程還包括機器人學、運動控制系統(tǒng)、智能控制、現(xiàn)場總線技術(shù)。課內(nèi)實驗均為26學時，均占課程總學時的18.1%。自動化專業(yè)實踐能力培養(yǎng)體系如圖1所示，圖中包含了具體課程及課內(nèi)實驗學時占比情況。

圖1 自動化專業(yè)實踐能力培養(yǎng)體系

對自動化專業(yè)分方向講授選修課前，課內(nèi)實驗學時占課程總學時的15.2%，課程大類和課程體系不清晰，提升學生實踐能力的支撐度不強。當對自動化專業(yè)分方向講授選修課后，增加了實驗學時，增強了提升學生實踐能力的支撐度，也使得專業(yè)知識的實際應用場景更加明確。

同時，為了配合專業(yè)方向的調(diào)整，對相關(guān)課內(nèi)實驗的實驗設備進行了改善。如電機實驗室增設了控制電機設備，以配合控制電機課程的實踐教學；控制原理實驗室增設了倒立擺設備，以開設創(chuàng)新性實驗，提高學生的創(chuàng)新能力；PLC實驗室完成了設備升級，將控制器由原來的S7-200升級為S7-1200，保證了設備的更新?lián)Q代與工程應用同步；過程控制實驗室增加了實驗設備臺套數(shù)，將演示性實驗調(diào)整為驗證性實驗，以提高學生的操作能力。并且，根據(jù)設備發(fā)展的特點，設置了數(shù)字控制器、變頻器、PLC等不同的控制系統(tǒng)實驗課程；運動控制實驗室添置了六自由度機械臂、視頻智能車、六自由度運動平臺控制系統(tǒng)，以配合完成機器人學、運動控制系統(tǒng)等課程的實踐教學任務。

1.2 強化課外實踐

自動化專業(yè)學生實踐能力培養(yǎng)需要專業(yè)與學科之間的“交叉融合”。在這方面，目前舉辦的各種學科競賽無疑起到了引領作用與帶動作用，如“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“大學生電子設計競賽”“全國西門子自動化設計大賽”“臺達杯”“菲尼克斯杯”以及省內(nèi)、校內(nèi)的創(chuàng)新實踐比賽等。以上賽事賽項均要求參賽學生做出一個完整的項目或系統(tǒng)，并且需要有一定的創(chuàng)新性。而一個完整的項目或系統(tǒng)，一定不是僅靠某一個專業(yè)或?qū)W科的知識就能完成，而且任何單一專業(yè)或?qū)W科的課內(nèi)教學環(huán)節(jié)所達成的知識維度都不足以支撐一個完整項目或系統(tǒng)的實施，必然用到其他專業(yè)和學科的知識和技能，因此，課外的實踐訓練非常必要。

1.2.1 建立學生課外訓練團隊

從新生開始抓起，在新生的專業(yè)教育中，引導他們關(guān)注相關(guān)的學科競賽信息，鼓勵他們在適當時間，通過自己組隊或與高年級同學組隊參與競賽，以積累經(jīng)驗。尤其鼓勵以老帶新、以強帶弱的組隊模式，在形成知識和經(jīng)驗傳承的同時，還能夠使新生快速進入自主學習狀態(tài)，并喜歡專業(yè)課程，進而提高解決工程問題的能力，而且以點帶面形成實踐創(chuàng)新的濃厚氛圍。

1.2.2 構(gòu)建校內(nèi)競賽平臺

培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力，保證參賽隊伍的質(zhì)量和水平。首先，為參賽學生提供實踐創(chuàng)新平臺，由學校的電子科技協(xié)會、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)協(xié)會吸納對科技競賽感興趣的學生進入實踐創(chuàng)新平臺，對他們進行培訓。依托河北省信息與控制實驗教學示范中心、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心的眾創(chuàng)空間和工程訓練中心為學生提供實踐場地，采用導師制指導項目團隊進行優(yōu)化，通過淘汰機制推選優(yōu)質(zhì)項目進入眾創(chuàng)空間進行孵化。其次，按照國賽標準對參賽項目進行準備，采用院賽、校賽、省賽和國賽4級篩選步驟逐步進階，不斷提升項目水平。再次，配備專業(yè)指導教師、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導師、企業(yè)技術(shù)導師對參賽作品進行專業(yè)指導，發(fā)揮他們在“三把關(guān)兩跟進”(“三把關(guān)”指項目立項、中期檢查和項目結(jié)題答辯三個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)；“兩跟進”指跟進作品設計與跟進調(diào)試環(huán)節(jié))工作中的作用。最后，競賽團隊采用梯隊式培養(yǎng)、跨專業(yè)合作方式，從創(chuàng)意來源、方案設計、問題解決，到作品的安裝及調(diào)試、模擬市場推廣，逐步培養(yǎng)學生從基礎知識能力的提升過渡到專業(yè)應用能力的提升。這樣不僅培養(yǎng)了學生的工程實踐能力，而且也促使教師隊伍提升了自身實踐創(chuàng)新能力，進而推動“雙師”型教師隊伍的建設。

因此，課外實踐以競賽為載體，常態(tài)化高質(zhì)量地開展課外訓練，有效提高了學生的理論聯(lián)系實際的能力，為其提高實踐創(chuàng)新能力打下了良好基礎。

1.3 科學設計實踐、實訓環(huán)節(jié)

以基于學習產(chǎn)出的教育模式(Outcomes Based Education，簡稱OBE)為學科建設理念(其關(guān)系圖如圖2所示)，并以學生為中心，提出了項目導向的“產(chǎn)學研”協(xié)同育人的教學方案，使學生參加的實踐與實訓環(huán)節(jié)既是對課堂知識的檢驗，又是對解決實際生產(chǎn)問題的演練；既有知識的積累，又有能力的產(chǎn)出，進而增加企業(yè)對學生實踐創(chuàng)新能力的認可度。自動化專業(yè)的課程設計、綜合實訓、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)是工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的提高層，共計200學時，側(cè)重專業(yè)知識的綜合實踐與應用。

圖2 基于學習產(chǎn)出的教育模式

深化產(chǎn)教融合是新時期提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的內(nèi)在需要。2017年10月18日，習近平總書記在十九大報告中已明確指出要深化產(chǎn)教融合，旨在通過產(chǎn)業(yè)與教育的深度融合，提高師生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新性。學院積極探索與京津冀地區(qū)自動化領域的企業(yè)進行產(chǎn)教融合，理清自動化專業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求之間的差異，突破雙方“對接”的難點，充分利用雙方優(yōu)勢，并形成合力，共同構(gòu)建人才培養(yǎng)新模式，進一步完善專業(yè)人才培養(yǎng)體系、課程體系，實現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)需求一致。具體實施過程為：首先，將實踐、實訓環(huán)節(jié)嚴格對應培養(yǎng)目標，合理設計實踐、實訓方案；其次，聘請企業(yè)專家對學生實踐、實訓進行指導，比如多年來聘請北京至芯開源科技有限公司高級工程師參與自動化專業(yè)學生EDA實踐的教學，并且結(jié)合企業(yè)實際需求，共同培養(yǎng)高技能型人才，同時增加企業(yè)在學生實踐和實訓中的參與度；最后，嚴格執(zhí)行實踐、實訓的考核方案，做到有據(jù)可依、有據(jù)可查、依據(jù)改進，以此形成良性的、可持續(xù)發(fā)展的閉環(huán)式實踐教學模式，以促進高校與企業(yè)共同參與實踐創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

近三年，本專業(yè)與大唐供電、三友集團、唐山匯中儀表有限公司等共計15家企業(yè)簽署了校企實習基地協(xié)議，自動化專業(yè)共有240多名學生進入實習單位，累計完成120學時的校企共建課程實訓任務，實訓與實踐內(nèi)容設置逐步科學、完善。

1.4 加強教師隊伍建設和鼓勵師生創(chuàng)新

提升學生的工程實踐創(chuàng)新能力，首先教師要有過硬的綜合素質(zhì)尤其是有較強的實踐能力，提升教師隊伍的實踐能力也是產(chǎn)教融合的核心要素之一。高校教師大多從高校畢業(yè)直接到高校任教，雖然具有較強的理論知識，但缺少工程實踐能力的鍛煉，也欠缺創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。因此，教育者應先受教育，學院近年來加強了與企業(yè)的深度融合，以激發(fā)廣大教師參與工程、參與實踐的熱情，進而增強其工程實踐創(chuàng)新能力，這對于提高師資隊伍整體業(yè)務水平與高校教育教學質(zhì)量具有重要的意義。

(1)專業(yè)教師進企業(yè)進行實踐鍛煉，參與唐山市高新技術(shù)企業(yè)的橫、縱向課題研究。近三年來，完成企業(yè)橫向課題金額近300萬元，教師實踐創(chuàng)新能力與科研能力得到較大程度的提高。

(2)組建強有力的科研團隊，參與企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)。集中有能力的教師與企業(yè)專家組成強有力的科研團隊，將科技實踐創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為真正的生產(chǎn)力。目前，我院與唐山新禾智能科技有限公司成立了唐山學院機器人應用產(chǎn)業(yè)研究院，這將在一定程度上提升自動化專業(yè)教師的整體實力，為培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才提供支撐。

(3)加快師生工程實踐創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)化。學院與周邊企業(yè)密切配合，不斷健全技術(shù)轉(zhuǎn)移與成果轉(zhuǎn)化體制機制和服務體系，加快將工程創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟社會發(fā)展的現(xiàn)實動力。

(4)師生積極參與學校的眾創(chuàng)空間項目。我校組建眾創(chuàng)空間的目的就是培育師生的實踐創(chuàng)新能力，推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作。自動化專業(yè)入駐眾創(chuàng)空間的團隊目前為6組，每組3人。這促進了創(chuàng)新成果的孵化和最終轉(zhuǎn)化，對于提高師生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)激情、提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)水平起到了積極作用。

2 近年來取得的成績

近三年來，我院自動化專業(yè)的師生在實踐創(chuàng)新方面取得了一些成績。本專業(yè)的學生共有300多人次參與競賽活動，獲國家級競賽一等獎2項、二等獎5項、三等獎23項；獲省級競賽一等獎19項、二等獎35項、三等獎43項，其中，獲“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河北賽區(qū)二等獎2項。在2020年學生參加的學科競賽中，以團隊身份參賽的獲獎數(shù)占獲獎總數(shù)的比例較2018年上升了12.5%；在2020年全國第六屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，我院跨專業(yè)參賽隊伍的數(shù)量占總參賽隊伍總數(shù)的76.3%。同時近三年，學生順利完成國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目3項、省級項目102項。在學生取得良好成績的同時，近三年本專業(yè)教師也做出了一些成績，如10名教師獲學科競賽優(yōu)秀指導教師稱號；指導學生發(fā)表學術(shù)論文5篇、發(fā)明實用新型專利3項。同時，在產(chǎn)學研融合方面，順利完成橫向課題4項，協(xié)同育人項目3項。由此可見，師生的實踐創(chuàng)新能力均得到了明顯提升。

3 結(jié)語

提高大學生實踐創(chuàng)新能力是建設新工科的內(nèi)在要求，地方高校建立健全提高工程創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的體制與機制，將極大提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。在踐行新工科的要求中，我院以“學生工程實踐創(chuàng)新”為中心，從構(gòu)建專業(yè)人才培養(yǎng)體系、優(yōu)化專業(yè)實踐課程、開展課內(nèi)課外實踐創(chuàng)新競賽以及加強師資隊伍建設等方面，逐步完善了提升學生工程實踐創(chuàng)新能力的行之有效的幾項措施，從而穩(wěn)步提升了學生的實踐能力、創(chuàng)造能力、溝通能力、問題分析能力、領導能力、終身學習的能力以及專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)了一批綜合應用型人才。