新工科建設背景下機械電子工程專業(yè)優(yōu)化研究

王美琪 張婉潔 郁洋 曹京亞

[摘 要] 在新工科建設的背景下，以石家莊鐵道大學機械電子工程專業(yè)為例，介紹其在人才培養(yǎng)模式中的探索，包括制定具有鮮明行業(yè)特色的培養(yǎng)目標與培養(yǎng)方案;基于工程教育專業(yè)認證理念，通過分塊設計、指標量化等方式設計課程體系;探索鐵路行業(yè)背景下的機電類人才“產出導向”培養(yǎng)模式，促進專業(yè)教學質量的持續(xù)改進和提高;優(yōu)化課程體系，建設特色核心課程群;以建設國家一流課程為導引，利用混合式教學資源打造精品課程;結合學校在鐵路建設中的貢獻，推進課程思政建設。

[關鍵詞] 新工科;機械電子工程;人才培養(yǎng);教學改革

[基金項目] 2019年度石家莊鐵道大學高等教育教學研究項目“新工科背景下的機械電子工程專業(yè)優(yōu)化與升級研究”（Y2019-2-12）

[作者簡介] 王美琪（1988—），男，河北唐山人，工學博士，石家莊鐵道大學機械工程學院機械電子工程系主任，講師，主要從事車輛動力學與控制研究;張婉潔（1986—），女，河北石家莊人，工學博士，石家莊鐵道大學機械工程學院講師，主要從事非線性動力學研究;郁 洋（1989—），男，山東泰安人，工學博士，石家莊鐵道大學機械工程學院講師，主要從事預測控制系統研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0025-04 [收稿日期] 2021-09-08

引言

為應對新一輪科技革命與產業(yè)變革，支撐與服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，教育部提出新工科建設與研究的要求。2017年形成的“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，共同構成了新工科建設的“三部曲”，開拓了工科教育改革新路徑[1]。2018年3月，教育部辦公廳發(fā)布《關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》，新工科專業(yè)改革類項目中，與機械電子工程專業(yè)相關度較大的項目占總數的14.6%[2]。機械電子工程（簡稱機電）專業(yè)是在機械、電子、控制和計算機科學等學科基礎上建立起來的跨學科專業(yè)，俗稱機電一體化專業(yè)，智能化發(fā)展是機械電子進入新時期的重要標志。一方面，光學、通信技術等進入了機械電子，微細加工技術在機械電子中得到廣泛應用，發(fā)展出了高精密的機電控制設備;另一方面，深度學習、智能優(yōu)化等新技術逐漸與傳統的機電設備相結合，為產業(yè)升級提供了強大助力。在未來十幾年內，機電專業(yè)技術人才需求旺盛，被列為經濟社會發(fā)展急需的工程技術人才之一。新工科建設是以智能制造、人工智能、機器人技術等用于傳統工科專業(yè)的升級改造，而機械電子工程專業(yè)正是將機械與電子、控制、計算機等學科相融合，適合進行新工科的升級改造研究。因此，結合新工科建設背景，探索機械電子工程專業(yè)優(yōu)化與升級改革具有重要的現實意義。

一、石家莊鐵道大學機械電子工程專業(yè)發(fā)展現狀

石家莊鐵道大學機械電子工程專業(yè)源于學校的工程機械專業(yè)。1950年中國人民解放軍鐵道兵工程學院建校，成立了機械訓練隊，1954年設機械專業(yè);1981年改設為工程機械專業(yè)，1998年根據國家頒布的新專業(yè)目錄，更名為“機械設計制造及其自動化專業(yè)”，機械電子工程為專業(yè)方向之一，2003年獲得機械電子工程專業(yè)工學碩士學位授予權，2017年獨立招收第一屆全日制本科生。機械電子工程專業(yè)辦學宗旨為立足河北，服務京津冀，面向全國，緊密圍繞地方經濟發(fā)展和鐵路建設及運營需求，具有鮮明的行業(yè)特色，以培養(yǎng)機械、鐵路與交通三大行業(yè)及區(qū)域經濟發(fā)展的工程技術人才為己任，學校在長期的辦學實踐中，始終堅持“嚴謹治學、勇于創(chuàng)新、精心育人、志在四方”的校風，秉承“質量第一、內涵發(fā)展、特色取勝、追求卓越”的辦學理念，突出“軍魂永駐，校企結合，育艱苦創(chuàng)業(yè)人才”的辦學特色，培養(yǎng)具有國際視野、家國情懷、實踐能力和創(chuàng)新精神的高素質復合型人才。機械電子工程專業(yè)在培養(yǎng)學生具備扎實的機械工程知識的同時，加強電子、計算機、自動化技術的教學，培養(yǎng)基礎扎實、知識面寬、能力強、具有創(chuàng)新精神和較強實踐能力的高級應用型技術人才。

石家莊鐵道大學作為行業(yè)特色型大學，以軌道交通行業(yè)為依托，圍繞行業(yè)發(fā)展，長期堅持服務國家及地方重大工程需要，面向國內外交通基礎設施建設和高端交通裝備制造領域的工程需求開展科技攻關、技術服務，形成了隧道掘進裝備設計理論及關鍵技術、機械系統動態(tài)設計與優(yōu)化、車輛系統動力學與控制、機械裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等特色鮮明的研究方向，形成了具有自身特色、相對完整的學科體系，為機械類學科的新工科建設奠定了堅實的基礎。機械電子工程專業(yè)師資隊伍不斷擴充，教師學緣結構豐富、年齡結構合理?，F有在編專任教師32人，其中教授7人，副教授9人，具有博士學位的教師26名。教師隊伍中有河北省教學名師1人，河北省“三三三”人才工程3人，河北省省管專家2人;所有教師均具有工程相關經歷或研究背景。擁有河北省重點學科、河北省重點實驗室、河北省協同創(chuàng)新中心、河北省工程技術研究中心、河北省與央企合作共建重點實驗室、河北省省級實驗教學示范中心。本文在新工科建設與OBE理念的指引下，從課程體系和教學改革兩方面提出本專業(yè)的做法及改革思路。

二、基于OBE理念的課程體系

課程體系的設計始終堅持“以學生為本”，以及“通識教育基礎上的寬口徑專業(yè)教育”與“厚基礎+專業(yè)特色”的人才培養(yǎng)模式，密切結合機械電子行業(yè)產業(yè)發(fā)展需求和學校鐵路行業(yè)特色及本專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，在征詢行業(yè)企業(yè)專家意見的基礎上，從通識教育、專業(yè)基礎和道德素養(yǎng)三個方面構建學生的知識結構。以2017級培養(yǎng)方案為例，本專業(yè)課程設置涉及以下問題。

（一）分塊設計

課程體系包括四個模塊，即通識與公共基礎課程、學科基礎課程、專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程。通識與公共基礎課程中的必修課按照教育部高等學校教學指導委員會的一般要求統一設置，著重于學生綜合素質的培養(yǎng)，包括人文與社會科學、體育和外語類課程，幫助學生拓寬視野，樹立正確的歷史觀、人生觀和價值觀。選修課主要包括哲學、文學與藝術類、經濟、管理與法律類、工程技術類等課程。學科基礎課程包括數學類、物理類、化學類的理論和實踐課程，為學生繼續(xù)學習提供基礎知識與基本理論，培養(yǎng)學生的基本能力與基本素質。專業(yè)基礎課程包括力學類、電工電子類、制圖類、機械基礎類、管理類等理論和實踐課程，為學生奠定扎實的專業(yè)知識基礎。專業(yè)課程類包括專業(yè)課程、專業(yè)集中實踐環(huán)節(jié)及畢業(yè)設計（論文）等理論和實踐課程，培養(yǎng)專業(yè)學生掌握機械電子工程領域的理論知識和相應技能，知曉機械電子工程領域的先進技術和發(fā)展情況，具備解決機械電子工程領域內實踐問題的知識和能力。

（二）指標量化

各個模塊有對應的學分限制，并使得總體培養(yǎng)方案能夠滿足普通高等學校本科專業(yè)類教學質量國家標準與工程教育專業(yè)認證標準的最低要求。明確每門課程所支撐的畢業(yè)要求指標點的貢獻，并在期末考試出題時嚴格按照大綱所預設的比例，考試后計算各門課程的達成度，并在下一輪授課中進行改進。

（三）課程目的

通識與公共基礎課程模塊中的數學與自然科學類課程主要培養(yǎng)學生應用數學和自然科學的能力。通識與公共基礎課程中的人文社會科學類通識教育課程使學生在進行機械電子工程設計時，能夠考慮經濟、環(huán)境、法律、倫理等各種制約因素。學科基礎類課程、專業(yè)基礎類課程與專業(yè)類課程模塊則是培養(yǎng)學生的設計和實現能力。在學科基礎類課程、專業(yè)基礎類課程與專業(yè)類課程模塊中設置完善的實踐教學體系，強調結合本專業(yè)的工程實際問題，通過與企業(yè)合作開設實習、實訓，培養(yǎng)學生的工程意識、協作精神及綜合應用所學知識解決復雜問題的能力，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

（四）校企合作進行課程體系設計

本專業(yè)在課程體系設計過程中，由專業(yè)任課教師及鐵路行業(yè)專家共同討論完成。行業(yè)專家根據大型工程建設、鐵路車輛及大型施工機械的設計制造、運用維護等方面的人才需求，提出相應的課程體系建議，使得機械電子工程專業(yè)所培養(yǎng)的學生能夠具備企業(yè)所需的各類知識和能力。

三、教學改革

（一）探索鐵路行業(yè)背景下機電類人才“產出導向”培養(yǎng)模式

本專業(yè)堅持“學生為本、產出導向、持續(xù)改進”的理念，以“解決復雜工程問題”的能力為導向整合課程體系及教學模式，積極探索基于“產出導向”的鐵路行業(yè)人才培養(yǎng)模式。從學校的定位、歷史和本專業(yè)在鐵路行業(yè)中的優(yōu)勢，以及河北省和鐵路行業(yè)發(fā)展對機電一體化人才的需求進行分析，制定本專業(yè)培養(yǎng)目標及培養(yǎng)方案，培養(yǎng)方案中設置包括動車組概論、鐵道概論、高速鐵路技術、盾構和TBM、大型機電設備控制系統等一系列與鐵路行業(yè)背景相關的課程。通過在導論課上的宣講，使學生知曉本專業(yè)的培養(yǎng)目標;通過對畢業(yè)要求指標點達成度的分析，促進各課程支撐各項畢業(yè)要求指標點的達成;通過中國中鐵、中國鐵建、中國建筑、中國交通建設、中國中車等一系列用人單位及畢業(yè)生的反饋意見，采取相應措施，調整課程內容和課程體系，促進專業(yè)教學質量的持續(xù)改進和全面提高。

（二）優(yōu)化課程體系，建設特色核心課程群

在教學過程中，加強專業(yè)特色課程和精品課程為引導的高質量核心課程群的建設，以點帶面帶動課程教學內容和方法的改革。優(yōu)化理論主干課程體系結構，為防止各課程間的教學內容重復，重組現有專業(yè)課程，優(yōu)化調節(jié)每學期的教學內容和學時;確定機械類與機電控制類課程的主干課程，建設包含機械原理、機械設計、互換性與測量技術基礎、工程材料與成型技術基礎、機械制造技術基礎的機械設計基礎課程群，以及包含控制工程、測試技術、微機原理及應用、機電傳動控制、計算機控制技術基礎、可編程控制器原理的機電控制類課程群;嚴格篩選教學內容，增加與鐵路行業(yè)背景相關的教學內容。在限選課程中設置兩個方向，大型工程機械方向包括“盾構與TBM”和“工程機械”，突出石家莊鐵道大學機械工程學院在鐵路領域的工程機械特色;控制方向包括“現代控制理論”“嵌入式系統設計與應用”“數字信號處理技術”，供對控制方向更感興趣的學生選擇。同時本專業(yè)是機械、電子、計算機、自動化技術綜合性的專業(yè)，非常適合與智能科學及智能制造相結合，已開設了“機器人技術基礎”課程，講授機器人機械結構、傳感器、驅動系統、控制技術、通信技術和電源技術，各類機器人的結構組成、工作原理與應用;開設了“人工智能應用”課程，講授人工智能的知識表示方法和高級知識推理、人工神經網絡、模糊計算、智能優(yōu)化算法、專家系統、自動規(guī)劃等。

（三）以建設國家一流課程為導引，打造精品課程

積極推進以一流課程為目標的課程改革，開展線上線下混合式教學，自專業(yè)成立以來陸續(xù)建成了國家級線上線下混合式一流本科課程及省級課程思政示范課“專業(yè)制圖”、河北省在線開放課程“CAD建模技術及應用”、河北省精品在線開放課程“工程機械”等多門精品課程，利用混合式的教學資源，線上線下相結合，學習時空不受限，培養(yǎng)學生主動思考和學習的能力，促進專創(chuàng)融合，提高學生的創(chuàng)新能力。

（四）推進課程思政建設

機械電子工程系開展了全員課程思政建設的活動，在教學過程中，重點培育學生踏實嚴謹、吃苦耐勞的品質，使其樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，激發(fā)其愛國情懷。2020年新增兩項校級課程思政示范課，分別為“測試技術”與“微機原理及應用”。機電系教師將課程思政全面融入專業(yè)課中，利用校友親自參與設計研發(fā)的各類裝備實例進行專業(yè)課的思想政治教育，如在“大型機電傳動控制”課程中引入實際案例，其中架橋機[3]、TBM[4]、盾構[5]、高鐵裝備[6]等這些設備的設計制造，大型基礎建設的施工當中都有校友的貢獻，激發(fā)學生對于國家的熱愛之情和專業(yè)自豪感，也鼓勵他們在學校期間充分利用時間，珍惜機會，學好本領，以便為國家的發(fā)展做出自己更大的貢獻。

（五）教學改革成果

專業(yè)成立以來，激勵教師進行教學研究和教學改革，2020年機械電子工程專業(yè)教學團隊被評為“河北省優(yōu)秀教學團隊”，并獲得多項教學改革項目資助與獎項，包括教育部新工科研究與實踐項目、河北省高等教育教學改革研究與實踐項目、河北省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教改項目、河北省課程思政示范課程、河北省虛擬仿真實驗項目、河北省教學成果二等獎、石家莊鐵道大學課堂教學改革團體。通過上述改革舉措，堅持夯實專業(yè)基礎和鼓勵創(chuàng)新實踐并舉，注重學生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學生能力得到明顯提高，在學科競賽中獲得了全國大學生數學競賽全國三等獎及省級二等獎、三等獎，河北省“互聯網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎，河北省挑戰(zhàn)杯大學生創(chuàng)業(yè)大賽一等獎，河北省高校三維設計大賽二等獎，河北省大學生機器人大賽三等獎，河北省力學競賽一等獎，河北省數學競賽二等獎，河北省物理競賽二等獎，河北省高校制圖與構型能力大賽二等獎，河北省大學生工程訓練綜合能力競賽三等獎等多項國家級與省級獎項。

結語

本文根據我校機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)現狀，基于新工科理念從課程體系和教學改革兩個方面提出了一些改革方法和思路，旨在優(yōu)化人才培養(yǎng)模式，推進新工科專業(yè)建設，培養(yǎng)滿足鐵路行業(yè)需要的創(chuàng)新型復合型工程科技人才。

參考文獻

[1]李周男，高占鳳，徐紅.高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與新工科建設的框架及其融合[J].河北農業(yè)大學學報（農林教育版），2018，20（2）：9-14.

[2]賈廣飛，楊光，任有志，等.新工科背景下機電專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革探索[J].科技創(chuàng)新與生產力，2019（2）：88-90.

[3]馬建，孫守增，芮海田，等.中國筑路機械學術研究綜述·2018[J].中國公路學報，2018，31（6）：1-164.

[4]《中國公路學報》編輯部.中國隧道工程學術研究綜述·2015[J].中國公路學報，2015，28（5）：1-65.

[5]李杰，付柯，郭京波，等.復合地層下盾構掘進速度模型的建立與優(yōu)化[J].現代隧道技術，2017，54（3）：142-147+161.

[6]錢靈姝.石家莊鐵道大學：踐行協同創(chuàng)新建設現代裝備制造研發(fā)高地[J].建筑機械，2017（11）：16-19.

Research on Optimization of Mechatronic Engineering under the Background of New Engineering Construction： Taking Railway Industry Colleges and Universities as an Example

WANG Mei-qi， ZHANG Wan-jie， YU Yang， CAO Jing-ya

（School of Mechanical Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei

050043， China）

Abstract： In the context of the construction of new engineering， taking the mechanical and electronic engineering major of Shijiazhuang Tiedao University as an example， we introduce the exploration of this major in the talent training mode， including formulating the training objectives and training scheme with distinctive industry characteristics， designing the curriculum system based on the certification concept of engineering education major， exploring the output-oriented training mode of mechanical and electrical talents in the context of railway industry， promoting the continuous improvement of professional teaching quality， optimizing the curriculum system and building characteristic core courses. In addition， guided by the construction of national first-class courses， we use mixed teaching resources to create high-quality courses， and promote the ideological and political construction of courses in combination with the contribution to railway construction.

Key words： “emerging engineering education”; mechatronic engineering; talent training; teaching reform