“科—產(chǎn)—賽” 與 “理—實—創(chuàng)” 兩線三維的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式探究

周萌　王晶　董哲

摘? 要：新工科背景下，針對教學存在的模式呆板內(nèi)容陳舊、情景化實踐教學平臺缺乏、人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足等問題，高校應(yīng)面向高水平應(yīng)用型自動化類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，在培養(yǎng)過程中重基礎(chǔ)、重開發(fā)、重設(shè)計、重創(chuàng)造，探索并實踐出一條“科教、產(chǎn)教、賽教”與“理論-實踐-創(chuàng)新”兩線三維融合的工程應(yīng)用人才培養(yǎng)模式，以創(chuàng)新實踐為主軸服務(wù)于教育教學的各環(huán)節(jié)，最終實現(xiàn)“研—學—產(chǎn)—用”一體化創(chuàng)新培養(yǎng)體系。

關(guān)鍵詞：新工科;自制教學平臺;虛實結(jié)合

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）07-0097-04

近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代高新信息技術(shù)飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)自動化專業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)與機遇，也對學生的創(chuàng)新意識與實踐動手能力提出了更高的要求。為全面提升目前高等教育教學人才培養(yǎng)模式與培養(yǎng)體系，2017年教育部積極推進新工科建設(shè)。新工科背景下，為全面落實“學生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的先進工程教育認證理念，我國各高校著眼高等教育創(chuàng)新的基本邏輯，積極開展教育改革創(chuàng)新，以期實現(xiàn)以新工科建設(shè)引領(lǐng)高等教育創(chuàng)新，以高等教育創(chuàng)新助力教育強國建設(shè)。在此背景下，針對自動化專業(yè)，如何探索并發(fā)展出一條全面提升學生動手應(yīng)用能力，與時俱進，真正實現(xiàn)知識直接轉(zhuǎn)化應(yīng)用的教學體系是目前各大高校面臨的重要難題[1-3]。

一、目前高等教育存在的問題

經(jīng)過大量的調(diào)研與分析，本文總結(jié)出目前高校在自動化專業(yè)學生工程能力培養(yǎng)方面普遍存在的問題。

（一）教學模式多以內(nèi)容驅(qū)動，教學內(nèi)容陳舊死板

傳統(tǒng)的理論課堂教學模式多以教師為中心，以知識點貫穿教材，并通過教師講授的形式傳達給學生。這種以內(nèi)容驅(qū)動教學的授課方式往往會導(dǎo)致學生所學知識碎片化，很難形成知識體系架構(gòu)及工程化思維。由于自動化領(lǐng)域依托信息論、系統(tǒng)論與控制論的相關(guān)先進技術(shù)，隨著人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)更新?lián)Q代快，一味講解陳舊的理論知識，很難培養(yǎng)出適應(yīng)當今社會需求的人才，如何依據(jù)人才培養(yǎng)方案對教材等教學資源進行整理編纂是最基本且關(guān)鍵的一步[4-5]。

（二）實踐教學環(huán)節(jié)薄弱、缺乏場景化教學

“新工科”建設(shè)明確指出，實踐能力是“新工科”人才必須具備的基本能力之一。目前本科教育中實踐教學環(huán)節(jié)薄弱，主要原因如下：第一，實驗條件不足、實驗平臺造價高，大班授課模式下，很難保證每個學生都能有適合的實驗平臺。第二，實驗平臺難以與時俱進。物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展迅速，理論教學更新后，配套的實驗平臺很難緊貼領(lǐng)域發(fā)展前沿。第三，實驗平臺簡單，脫離實際應(yīng)用場景。缺乏場景化的實驗平臺，使學生的學習往往停留在理論理解，而無法真正與實際應(yīng)用相聯(lián)系，進而導(dǎo)致學生學習積極性不高、動手能力差、創(chuàng)新思維不能得到良好的培養(yǎng)。

（三）校企兩張皮問題嚴重，缺乏可行合作通道

“新工科”背景下，高校所培養(yǎng)的人才應(yīng)且緊密結(jié)合社會需求。目前，高校本科教育普遍存在校企兩張皮問題，多數(shù)為從高校到企業(yè)的單向驅(qū)動，存在“高校熱企業(yè)冷”的現(xiàn)象。盡管近年來國家大力倡導(dǎo)校企聯(lián)合辦學與產(chǎn)學研用一體化，但是校企合作板塊仍然較為松散，動力不足，形式化較為嚴重，因所合作的項目缺乏良好的約束機制而步履維艱，學生的培養(yǎng)目標與社會企業(yè)的需求差距較大。

（四）創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，科教分離較為嚴重

黨的十八大以來，習近平總書記把創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置，高度重視科技創(chuàng)新。創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力，但目前我國的創(chuàng)新教育仍存在不足，主要原因有：部分學生在長期的應(yīng)試教育下，已經(jīng)養(yǎng)成了精神上的惰性，缺乏形成創(chuàng)造性思維的意識與習慣;對于高?？茖W研究的支持與建設(shè)，很難覆蓋本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，存在科教分離;教學過程中一味空泛地談創(chuàng)新，無法給學生具體的指導(dǎo)，導(dǎo)致學生想創(chuàng)新但不知道如何創(chuàng)新，使創(chuàng)新難以落到實處。

二、理實一體化工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)新模式

針對上述教學問題，北京大學充分借鑒已有教改研究成果與方法，采用以“學生”為中心的培養(yǎng)模式，在培養(yǎng)過程中重基礎(chǔ)、重開發(fā)、重設(shè)計、重創(chuàng)造，探索出一條“科教、產(chǎn)教、賽教”三維融合的理實一體化工程應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，全面提升學生的工程應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力。

（一）重組課程群，理論教學高階化

為適應(yīng)新工科建設(shè)對自動化專業(yè)卓越工程人才的需要，北方工業(yè)大學自動化專業(yè)以“創(chuàng)新實驗班”為試點，采用分層分流策略，在大三階段將自動化專業(yè)課分為智能機器人與智能制造（智能工業(yè)控制系統(tǒng)）兩個專業(yè)方向，并針對這兩個方向設(shè)計相應(yīng)的教學組及課程群，經(jīng)過兩年實踐，現(xiàn)已將該培養(yǎng)方案推廣到全體自動化專業(yè)學生。

立足智能機器人和智能制造新工科專業(yè)方向，對自動化專業(yè)的課程體系進行全面改革，依據(jù)社會對學生能力的培養(yǎng)需求，將課程分為基礎(chǔ)層、技能層、核心層與目標層。

為了提高學生的實際動手操作能力，重點將技能層分為軟件設(shè)計課程群與硬件設(shè)計課程群，并配套相應(yīng)教學團隊與教材。其中，技能層又分為基礎(chǔ)知識、工程技能、產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計等四個層面?；A(chǔ)知識包含“信號分析與處理”“數(shù)字圖像處理”等課程;工程技能包含“PLC技術(shù)與應(yīng)用”“電子線路CAD”“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”等課程;產(chǎn)品開發(fā)包括“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用”“智能設(shè)備開發(fā)”“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”等課程;系統(tǒng)設(shè)計層包含“自動化系統(tǒng)設(shè)計”“計算機控制系統(tǒng)設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”等課程。

為了便于學生將所學知識成功轉(zhuǎn)化，在教學過程中應(yīng)充分考慮與科研項目緊密結(jié)合的方式。北方工業(yè)大學現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點實驗室歷年來面向工業(yè)自動化、智能交通、有色冶金、環(huán)?？刂频阮I(lǐng)域，在現(xiàn)場總線、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、環(huán)保儀器設(shè)備開發(fā)等方面進行了大量研究，研究所需的軟件與硬件知識均與本專業(yè)培養(yǎng)能力密切相關(guān)。依托現(xiàn)場總線重點實驗室，本課程組主要承擔了自動化專業(yè)的硬件設(shè)計模塊下的大部分課程。依據(jù)新版自動化人才培養(yǎng)方案，對課程群重新改組，深入分析各環(huán)節(jié)對學生能力的培養(yǎng)效果與實際，對硬件開發(fā)課程體系與課程設(shè)置進行了全方位的調(diào)整。

重組課程群后，在教學內(nèi)容與教學方式上也進行了相應(yīng)改進，為打破傳統(tǒng)教學模式與教學資源普遍存在的“內(nèi)容驅(qū)動”的理論深、要求高，概念抽象、公式繁多、晦澀難懂、學生學習興趣不高等問題，探索并實施一種新的“任務(wù)驅(qū)動”型教學模式。

首先，將硬件設(shè)計課程群依據(jù)任務(wù)驅(qū)動，重組為“基礎(chǔ)知識—工程技能—產(chǎn)品開發(fā)—系統(tǒng)設(shè)計”四部分，逐步提升課程的難度與高階性。在教學內(nèi)容方面也改變改以往以內(nèi)容知識點貫穿的方式，依據(jù)任務(wù)驅(qū)動，對課程內(nèi)容按項目任務(wù)劃分，讓學生學習一門課程完成一項具體任務(wù)為主線，每個知識點緊密圍繞這條主線，最終目標通過實際任務(wù)來驗證。按照此教學模式重新整理教學資源，新編兩部教材《施耐德Premium/M340PLC實用教程》與《羅克韋爾ControlLogix PLC實用教程》，該教材已服務(wù)并應(yīng)用于多個兄弟院校。

近年來，為積極貫徹落實全國高校思想政治工作會議及《關(guān)于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》《高校思想政治工作質(zhì)量提升工程實施綱要》等重要文件精神，如何以立德樹人、育才造士為目標，有意識、有計劃、有目的地將學科文化、職業(yè)規(guī)范、道德操守、精神內(nèi)涵等有機融入教學過程，實現(xiàn)課程思政引領(lǐng)教學全流程成為高等教育教學改革的重中之重。

本文深入挖掘思政元素，立足自動化專業(yè)頂層設(shè)計，依托現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點實驗室實際科研課題，圍繞國產(chǎn)元器件自主開發(fā)等卡脖子需求，從“理念、技術(shù)、制度”三個角度融入思政內(nèi)容。

（二）虛實結(jié)合，實踐教學科研化

在理論教改的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)情景化教學，北方工業(yè)大學自動化專業(yè)搭建了場景化實驗室作為學生的綜合實踐基地，本教學團隊立足北京市現(xiàn)場總線重點實驗室，從底層設(shè)計與開發(fā)的技術(shù)層面（如嵌入式軟件開發(fā)能力、PLC操作能力、CAD畫圖能力等）服務(wù)于學生的場景化實踐能力，分別從實踐仿真平臺與虛擬仿真平臺兩方面展開研究。

一方面，針對實驗平臺老舊、與培養(yǎng)目標不匹配的問題，以“自制實驗設(shè)備”為創(chuàng)新實踐主軸，服務(wù)于教學培養(yǎng)主軸各環(huán)節(jié)具體需求。首先，將實驗教學儀器開發(fā)作為科研項目的重要板塊，提出了“需求分析—科研立項—自制開發(fā)—成果轉(zhuǎn)化—實踐教學—迭代更新”一體化科教融合路線。首先，課程組將任務(wù)分解，形成多個內(nèi)容明確、分工合理、接口清晰、工作量相當、難度適宜的子課題，通過開放實驗室課題和畢業(yè)設(shè)計課題的方式吸納學生參與，以任務(wù)書的形式指導(dǎo)學生;由實驗室科研崗專職教師帶領(lǐng)研究生和本科生形成梯隊化培養(yǎng)團隊;在平臺開發(fā)完成后，由學生自主進行實驗內(nèi)容的組織和撰寫，形成完整的實驗指導(dǎo)書和配套軟件。

為服務(wù)自動化專業(yè)課程實踐教學，依托重點實驗室項目，由實驗室專任科研教師指導(dǎo)學生，師生共同研制了面向工控網(wǎng)絡(luò)、過程控制、機器人、虛擬仿真等四大類共16種創(chuàng)新實驗平臺。

上述自制實驗平臺除在本校應(yīng)用外，在相關(guān)企業(yè)與兄弟院校產(chǎn)學研也得到了大力推廣應(yīng)用，分別推廣到清華大學、華北電力大學、北京電子科技職業(yè)學院、北京物資學院、北京印刷學院、北京工商大學、西安郵電大學等11所高校。

為進一步優(yōu)化實驗平臺，形成學生能力培養(yǎng)閉環(huán)，達到持續(xù)更新，與時俱進的效用，針對上述教學實驗平臺的后續(xù)改進，借鑒PDCA教學模式，構(gòu)建了“高?！獙W生—企業(yè)—兄弟院校”四方聯(lián)合評價機制。圍繞自制教學儀器，由教師帶領(lǐng)學生研發(fā)更新，學生通過參與課堂配套實驗的方式實際應(yīng)用到所開的平臺，進而對該平臺形成反饋意見;研制的平臺通過與企業(yè)進行成果轉(zhuǎn)化，企業(yè)對其形成綜合評價意見;此外，合作的兄弟院校使用該平臺后亦會形成相應(yīng)的評價，通過調(diào)查問卷與調(diào)研等方式，收集多方意見，對產(chǎn)品進行改造升級，最終實現(xiàn)該培養(yǎng)模式與自制平臺的全方位反饋滾動優(yōu)化。

在虛擬仿真平臺建設(shè)方面，基于自動化專業(yè)課程實驗特點，本著為自動化系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)類課程的實踐教學環(huán)節(jié)提供創(chuàng)新實驗平臺的目的，開發(fā)了基于半實物仿真的虛擬-實體實驗對象及快速原型控制器，設(shè)計了基于機器人、機械臂等創(chuàng)新實驗對象的硬件在回路實驗系統(tǒng)，開發(fā)了基于快速原型（RCP）技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制器與實驗設(shè)備。該設(shè)備為學生提供實體設(shè)備和虛擬設(shè)備兩類被控對象，實體設(shè)備有實際的控制對象，虛擬設(shè)備則相反，通過虛擬化的三維模型替代實體實驗對象進行控制，通過可視化界面對控制對象的運行狀態(tài)進行實時觀察和監(jiān)測，直觀地展現(xiàn)其控制過程和控制效果，讓學生能針對典型實驗對象快速實現(xiàn)自己的設(shè)計目標，通過圖形化的方式對機器人、機械臂等綜合實驗對象進行控制和監(jiān)控，在線調(diào)節(jié)參數(shù)。

（三）賽教融合，第二課堂創(chuàng)新化

為全面提升學生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)造能力，課程組以興趣為導(dǎo)向，以國內(nèi)外重要學科競賽為依托，結(jié)合本專業(yè)在自動化、人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的優(yōu)勢，圍繞實踐基地建設(shè)、第二課堂建設(shè)、指導(dǎo)教師團隊建設(shè)、訓(xùn)練制度建設(shè)、競賽平臺建設(shè)以及“師、生、研、本”多方傳幫帶競賽機制等方面，鼓勵學生動手，強調(diào)工程教學的實踐化，營造了良好的學科競賽氛圍，力爭達到通過“創(chuàng)業(yè)教育課、大學生創(chuàng)新項目、科技競賽、創(chuàng)業(yè)孵化”，全面提升學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造能力。

成立了西門子Campus-Hub校園學習中心、鋼鐵俠協(xié)同育人創(chuàng)新中心以及珞石產(chǎn)學研實驗室，依托中國機器人大賽、“挑戰(zhàn)杯”、西門子智能制造挑戰(zhàn)賽、飛思卡爾智能汽車大賽等大學生科技競賽平臺，為學生配備專任科技競賽指導(dǎo)教師，提供無人機、無人車、智能機器人、機械臂等參賽設(shè)備，提供充足的實驗經(jīng)費;完善多種激勵與獎勵措施，將競賽獲獎成績作為獎學金評定與保研資格評定的重要指標，極大地激發(fā)學生參與競賽的積極性;在競賽過程中重視學生對高水平研究、發(fā)明專利提煉等能力的提升，鼓勵學生從科研項目中提煉競賽方案，通過競賽的經(jīng)驗提升學生的科研創(chuàng)新能力，最終引導(dǎo)學生自主設(shè)計并實現(xiàn)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)。

綜上，依托現(xiàn)場總線重點實驗室科研項目，通過“理實結(jié)合、虛實結(jié)合”，采用創(chuàng)新實踐主軸服務(wù)于教學培養(yǎng)主軸的方式，最終形成了“研—學—產(chǎn)—用”一體化培養(yǎng)模式，主要體現(xiàn)在：

1. 研：在校內(nèi)科研基地（北京市重點實驗室）立項并組織實施，將需求分解為內(nèi)容明確、難度適中、接口合理的多個子任務(wù)，通過開放課題、競賽、畢設(shè)、實習等形式吸納學生投入研發(fā)過程，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力。

2. 學：將研制的實驗設(shè)備服務(wù)于教學、實驗、競賽、畢設(shè)等教學培養(yǎng)主軸各環(huán)節(jié)，鼓勵學生積極參與，形成閉環(huán)。

3. 產(chǎn)：以產(chǎn)品示范、校外實習、輸送優(yōu)秀畢業(yè)生到合作企業(yè)就業(yè)等形式與產(chǎn)學研基地合作，實現(xiàn)成果的轉(zhuǎn)化和推廣。

4. 用：對自制實驗設(shè)備進行產(chǎn)品化，在兄弟院校推廣應(yīng)用;基于應(yīng)用組織的反饋對自制教學產(chǎn)品迭代優(yōu)化，對學生能力進行評估，最終實現(xiàn)滾動式發(fā)展。

三、結(jié)語

近年來，高新信息技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)自動化專業(yè)迎來了更大的挑戰(zhàn)與機遇，兼具創(chuàng)新意識與實踐動手能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需求日益突顯。在此背景下，針對自動專業(yè)教學中存在的模式呆板內(nèi)容陳舊、情景化實踐教學平臺缺乏、人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足等問題，如何探索并發(fā)展出一條全面提升學生動手應(yīng)用能力，與時俱進，且能真正實現(xiàn)知識直接轉(zhuǎn)化應(yīng)用的教學體系成為各高校亟待解決的難題。

本文面向新工科建設(shè)，為全面提升自動化專業(yè)高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，提出了一種“科—產(chǎn)—賽”與“理—實—創(chuàng)”兩線三維的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。首先分析了目前自動化專業(yè)人才培養(yǎng)存在的主要問題，依托北京市重點實驗室，探索并實踐出一條以自制實驗設(shè)備為創(chuàng)新實踐主軸，服務(wù)于教學培養(yǎng)主軸各環(huán)節(jié)具體需求的培養(yǎng)方式，通過“科教、產(chǎn)教、賽賽”三維高度融合，提升理論與實踐相融合的層次與水平，實現(xiàn)“研—學—產(chǎn)—用”一體化的培養(yǎng)效果，為新工科人才培養(yǎng)提供借鑒與參考。

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（責任編輯：胡甜甜）