新工科“四段式”人才培養(yǎng)課程體系建設的探索與實踐*
——以自動化專業(yè)為例

韓秀峰 程 昀 王 麗

（山東大學（威海） 山東威海 264209）

伴隨著新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命，新工科計劃應運而生。新工科的“新”有兩個內(nèi)涵，一是在于圍繞著新時代經(jīng)濟發(fā)展得需求，打造一批適應當前時代發(fā)展的新專業(yè)，如機器人工程專業(yè)、人工智能專業(yè)等；另一個是對于一些老牌專業(yè)進行改造升級，以適應時代的新發(fā)展[1-2]。隨著全球工業(yè)4.0概念的提出，智能制造技術(shù)在各國發(fā)展得如火如荼，值得一提的是，智能制造的概念并非無基礎憑空而出，對它的發(fā)展脈絡進行梳理，可以看出，它是對傳統(tǒng)的自動化學科方向新的賦能。因此，智能制造方向是傳統(tǒng)自動化學科在新工科計劃背景下的主要的發(fā)展及改革方向。眾所周知，科技的發(fā)展程度與該方向人才培養(yǎng)有密切關(guān)系，智能制造技術(shù)的發(fā)展，離不開智能制造領域的人才培養(yǎng)，如何培育出高質(zhì)量智能制造人才，是目前高校自動化學科所面對的新的挑戰(zhàn)[3-4]。

本文對傳統(tǒng)自動化學科的培養(yǎng)方案進行了分析，對標智能制造知識體系，結(jié)合教育部專業(yè)課“課程教育”要求，提出以教育內(nèi)涵為中心引領，按認知程度進行課程體系遞進設計，構(gòu)建“專業(yè)引導-專業(yè)認知-專業(yè)提升-創(chuàng)新應用”的四段式課程體系，提出在智能制造背景下的傳統(tǒng)自動化專業(yè)培養(yǎng)模式的更新與重構(gòu)方案，旨在培養(yǎng)智能制造方向的專業(yè)性人才，如圖1所示。

圖1 “四段式”課程體系

一、傳統(tǒng)自動化專業(yè)分析

自動化專業(yè)是研究機器如何取代人類工作的學科。近年來，自動化技術(shù)發(fā)展迅猛，許多危險環(huán)境中自動化裝置更是不可或缺。從傳統(tǒng)意義上講，自動化取代了人類的部分腦力勞動和繁重的體力勞動，同時，許多人類無法完成的復雜而精確的工作也可以由自動化完成。中國自動化專業(yè)正式設立于與1998年，教育部將工業(yè)自動化、自動控制、部分飛行器制導等專業(yè)進行合并，首次在在大學本科專業(yè)目錄中出現(xiàn)了自動化專業(yè)。誕生伊始，就決定了自動化專業(yè)是一個多學科交叉專業(yè)，它的人才培養(yǎng)目標不僅涉及機械、電子、工業(yè)等傳統(tǒng)領域，還涉及機器人、人工智能、智能制造等新興領域。但是，傳統(tǒng)的自動化專業(yè)培養(yǎng)中依然存在一些缺點，如重教育教學輕實踐研究、缺乏創(chuàng)新引領類型的課程設計、某些課程與現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展不匹配等，更重要的是，在傳統(tǒng)培養(yǎng)方案設計中，并沒有考慮“課程教育”的因素。因此，對原有自動化專業(yè)課程體系進行修訂，對標智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，合理設置前沿專業(yè)課程，真正體現(xiàn)出自動化專業(yè)多學科交叉的優(yōu)勢，切實融入“課程教育”因素，培養(yǎng)智能制造背景下復合型新工科人才，是自動化專業(yè)課程體系改革的根本目標。

二、新工科人才培養(yǎng)要素與課程建設

1.新工科“四段式”人才培養(yǎng)實施要素

（1）實施產(chǎn)教融合

新工科“四段式”人才培養(yǎng)模式為工科專業(yè)教育創(chuàng)新帶來了機遇。在智能制造背景下，自動化專業(yè)發(fā)展應以新工科教育內(nèi)涵為前提，促進校企合作，同時推進產(chǎn)教融合教育的實施。產(chǎn)教融合是以校企合作為支撐，實現(xiàn)校企教育一體化機制的一種教育教學模式，它可以促進工科專業(yè)課程的創(chuàng)新，提高學生的實踐能力，促進學生全面發(fā)展，為其將來就業(yè)和良好發(fā)展打下基礎。因此，在新工科“四段式”人才培養(yǎng)中，要以新工科思維理念為指導，依托產(chǎn)教融合模式，實現(xiàn)工科專業(yè)課程理念創(chuàng)新[5]。

（2）創(chuàng)造資源共享平臺

構(gòu)建新工科“四段式”人才培養(yǎng)課程體系，應創(chuàng)造資源共享平臺，為學生提供獲取工科信息的平臺，使工科信息深度流通。以往學生都是通過教材和課堂教學獲取工科信息，這樣狹窄的獲取方式使學生無法根據(jù)市場需求進行有針對性的學習工科信息內(nèi)容，對學生專業(yè)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。在資源共享平臺的支撐下，教師可以根據(jù)教材內(nèi)容，在共享平臺獲取相關(guān)信息，使教材信息更為豐富，整合教材和平臺信息傳遞給學生，使學生學習與時俱進，更具針對性。資源共享平臺的建設可以拓寬師生的工科知識面，促進學校、市場和企業(yè)的工科信息在平臺上的流通，提高教學效率，幫助學生更好地發(fā)展，實現(xiàn)培養(yǎng)具有新工科特色人才的趨勢。

2.課程建設

（1）課程建設的內(nèi)容與現(xiàn)狀

①課程建設內(nèi)容

課程是高校為了實現(xiàn)培養(yǎng)目標而對教師教授的各個學科進行有計劃、有目的的教學活動。所有課程的安排都是以人才培養(yǎng)為核心，以課程為中介來實現(xiàn)培養(yǎng)目標。因此，新工科建設是以課程建設為核心內(nèi)容，課程建設對新工科建設愿景能否實現(xiàn)起著決定性作用。

課程建設主要包括課程目標、課程編制、教材編制、課程實施、課程評價等。課程建設著重于人才培養(yǎng)目標向課程目標的轉(zhuǎn)化，課程目標在課程編制中的貫徹，課程編制對教材編制的需求和課程實施的影響，以及對課程建設的總體評價等內(nèi)容。既然新工科建設是要構(gòu)建新的人才培養(yǎng)模式，那么課程建設的創(chuàng)新探索就是其重點改革內(nèi)容[6]。

②課程建設現(xiàn)狀

我國作為教育大國，對課程建設極其重視，但長久以來所形成的課程建設只把學科知識認知作為培養(yǎng)學生的重點，從而忽視了學生的個體差異性和實踐訓練，這就是所謂的重理論、輕實踐的教學方式，而在為數(shù)不多的實踐教學中，還存在重視實驗教學忽視創(chuàng)新性教學的情況。尤其是從90年代開始，各大高校在開始擴招之后，因為教育資源短缺，使得傳統(tǒng)的工科教育人才培養(yǎng)模式遭受到不小的沖擊。同時，科學技術(shù)的快速發(fā)展使社會對人才培養(yǎng)質(zhì)量提出更高的要求，現(xiàn)有的課程建設已無法滿足人才培養(yǎng)的需求。與此同時，課程建設中教材編寫內(nèi)容更新緩慢，甚至有些教材長久未更新，沒能密切關(guān)聯(lián)科學技術(shù)發(fā)展和社會需求。這些問題導致學生缺乏現(xiàn)場解決實際問題的能力，直接影響后續(xù)的工作[7]。

（2）新工科建設內(nèi)容與新需求

①新工科建設的內(nèi)容

我國正在由教育大國邁向教育強國，國家為了適應新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟、新領域的需求，而對工科教育進行了重大改革，提出了新工科理念這一舉措。新工科建設以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，涵蓋大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、智能科技等新設專業(yè)，結(jié)合智能制造、云計算、機器人等傳統(tǒng)工科專業(yè)進行改造升級，以此來滿足新興產(chǎn)業(yè)的需求。新工科建設主要包括優(yōu)化現(xiàn)有的學科結(jié)構(gòu)以及工科教育理念的更新，以此來建設一流師資隊伍，提高教學質(zhì)量，利用校內(nèi)外教育資源，打造學科專業(yè)特色，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[8]。

②新工科的新需求

近年來，信息化對高等教育產(chǎn)生了強有力的影響。如何適應社會科技的高速發(fā)展，為社會培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才，是高校管理者迫切需要解決的問題。為了應對信息化帶來的影響，就必須要尋找正確的建設思路，探索實踐路徑，整合教育資源，配合企業(yè)發(fā)展需求，適應現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展等，工科教育面向未來科技和未來產(chǎn)業(yè)才能有更好的發(fā)展。

三、智能制造背景下“四段式”人才培養(yǎng)課程體系建設

1.按認知程度進行課程體系遞進設計

根據(jù)認知程度，將本科生的學習劃分為四個階段：專業(yè)引導、專業(yè)認知、專業(yè)提升、創(chuàng)新應用，根據(jù)不同階段特點，設計相應的課程內(nèi)容。

第一階段（1～2學期）：專業(yè)引導。通過導論課、公選課、講座等進行專業(yè)引領，開展基本素質(zhì)訓練和認知實踐，引導學生對創(chuàng)新有初步認識。

第二階段（3～4學期）：專業(yè)認知。開設專業(yè)核心課程，建立學生良好的專業(yè)基礎，培養(yǎng)學生科學思維能力為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打好基礎。

第三階段（5～6學期）：專業(yè)提升。通過專業(yè)特色課、跨學科輔修等方式，提升學生知識水平。在此階段，充分利用校內(nèi)實驗實訓環(huán)境及企業(yè)實訓環(huán)境，強化專業(yè)訓練，提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

第四階段（7～8學期）通過大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、畢業(yè)設計、企業(yè)實習等實現(xiàn)創(chuàng)新應用，給學生創(chuàng)造將所學的知識應用到實際項目中的環(huán)境，提升學生解決實際問題的能力。這一階段，最重要的是引導學生建立創(chuàng)業(yè)意識，對較好的科技成果進行扶持及轉(zhuǎn)化。

通過對課程體系按學生認知程度進行遞進設計，在低年級段，以夯實學生文化素養(yǎng)、身心素養(yǎng)、職業(yè)素養(yǎng)和國際素養(yǎng)，促進學生個性發(fā)展，形成積極的學習態(tài)度，為后續(xù)學生專業(yè)性學習培養(yǎng)興趣，并為學生終身發(fā)展奠定基礎；在中年級段，夯實學生專業(yè)基礎，提升學生專業(yè)訓練，通過參與科研、競賽活動，提高學生創(chuàng)新能力，完成專業(yè)學習目標；在高年級段，通過各種實訓活動，培養(yǎng)學生解決實際問題能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)業(yè)意識。在每一階段有計劃、有偏重，搭建學生培養(yǎng)的系統(tǒng)化、高效的課程體系。

2.教育內(nèi)涵貫穿全過程

立德樹人是教育的根本目標，專業(yè)課程的學習始終要與思想政治理論同向同行，形成協(xié)同效應。在課程體系建設過程中，教育內(nèi)涵貫穿全過程，在“三全育人”的格局下，體現(xiàn)“專業(yè)課程承載教育內(nèi)耗”“教育內(nèi)涵寓于課程內(nèi)容”的基本理念，實現(xiàn)兩者的有機融合與無縫對接。

（1）將課程教育建設目標納入學生培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求中，適時對培養(yǎng)方案進行調(diào)整

人才培養(yǎng)目標應該有兩方面組成，一種是專業(yè)目標，一種是教育目標，整合這兩種培養(yǎng)目標制定的人才培養(yǎng)方案才是符合國家提出的德才兼?zhèn)涓邔哟稳瞬排囵B(yǎng)方案。專業(yè)目標包括專業(yè)知識、學科素養(yǎng)、思維養(yǎng)成等；教育目標則是指愛國情懷、職業(yè)素養(yǎng)、團隊協(xié)作、國際視野等。人才培養(yǎng)的目標就應該將兩種目標有機統(tǒng)一。在確定人才培養(yǎng)目標后，對現(xiàn)有的專業(yè)課進行教育融合，從而建立符合本專業(yè)專業(yè)目標及教育目標人才培養(yǎng)的專業(yè)課程體系，以達到復合型新工科人才培養(yǎng)的目標，如圖2所示。

圖2 教育目標與專業(yè)目標有機統(tǒng)一

（2）聚焦學科特色，完善包含“課程教育”內(nèi)容的專業(yè)課教學大綱設計

教育目標確定后，以課程核心內(nèi)容知識點為基礎，以具有學科特點的教育元素為輔助，尋找課程教育與研究生專業(yè)課程的契合點，重構(gòu)教學大綱，將教育目標和知識目標細化滲透到教學全過程中，如圖3所示。

圖3 引入教育目標的專業(yè)課程大綱重構(gòu)

值得注意的是，與專業(yè)目標中每一章節(jié)知識點不會涵蓋全部的專業(yè)知識一樣，每一章節(jié)的知識點所對應的教育元素也是不同的。這一部分最重要的工作就是任課教師根據(jù)自己每一章節(jié)的內(nèi)容，對標教育目標里面的元素，深挖其專業(yè)知識與教育元素之間的關(guān)系，以達到“課程教育”潛移默化影響的作用。比如，自動化專業(yè)比較重要的專業(yè)課《自動控制原理》，在第一章自動控制概論中，首先明確章節(jié)的專業(yè)目標為：學生掌握自動控制系統(tǒng)的組成及工作原理、了解有關(guān)概念名詞及術(shù)語、掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求；教育目標為：愛國精神、和諧社會。根據(jù)這兩個元素，進一步尋找相關(guān)教學案例，如通過分析工業(yè)5.0過程中我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變所要面對的機遇與挑戰(zhàn)、給學生講述控制論創(chuàng)始人錢學森及愛國和治學精神，以激發(fā)學生的愛國情懷，既達到了學生了解專業(yè)知識的目的，也達成了課程教育的目標。

（3）教學設計要考慮到所面對的學生認知的發(fā)展規(guī)律

學生在不同階段的認知是有差別的，教學設計時，要結(jié)合學生的認知及課程進展規(guī)律將教育內(nèi)涵以不同的方式融入到課程中。低年級學生的教育內(nèi)涵要點在于科學思維及科學意識的培養(yǎng)，所以在教學設計中融入馬克思主義的原理及方法，引導學生運用馬克思主義的原理和方法看待和解決科學問題的能力；高年級學生的教育內(nèi)涵要點在于學生的世界格局和科學情懷的培養(yǎng)，實現(xiàn)對其世界觀、人生觀、價值觀的塑造。所以，在課程設計中，教師應更注重引用典型愛國科學家、時代楷模的案例對學生進行引導。

3.基于智能制造知識體系，更新自動化專業(yè)課程內(nèi)容

結(jié)合山東大學機電與信息工程學院自動化專業(yè)培養(yǎng)的具體情況，建立智能制造技術(shù)與自動化專業(yè)相關(guān)理論的關(guān)聯(lián)，從而更新自動化專業(yè)課程內(nèi)容，如圖4所示，使課程設置與培養(yǎng)目標相一致。

圖4 基于智能制造技術(shù)更新專業(yè)課程

智能制造系統(tǒng)是一個復雜的概念，而智能制造技術(shù)是智能制造系統(tǒng)的最基本構(gòu)成---生產(chǎn)基礎自動化系統(tǒng)層，主要包括生產(chǎn)現(xiàn)場設備及其控制系統(tǒng)。在自動化專業(yè)培養(yǎng)的專業(yè)目標中，應該包含這些技術(shù)的認知，如智能儀表、機器人、物流設備、檢測設備等，因此需要對照這些技術(shù)研究所包含的自動化相關(guān)理論內(nèi)容。比如，在檢測設備中所包含的自動化相關(guān)理論有智能檢測、圖像處理等，將這些理論梳理，確定與其相關(guān)的專業(yè)課程，并按照認知程度，安排在合理學期，建立適應于智能制造知識體系的自動化專業(yè)課程內(nèi)容。

四、建立“自動化+”跨學科融合模式

2013年，國外慕課平臺edX開啟了全球范圍的首個“微專業(yè)”模式，它是將同一類知識體系下的多門課程組合開設，從而形成了最早的“微專業(yè)”概念。山東大學在2020年啟動了“微專業(yè)”建設，開啟了山大特色的“微專業(yè)”模式。該模式的重要設計思路在于在本科專業(yè)目錄以外，圍繞某個特定的方向，提煉一組核心課程，組成“微專業(yè)”模式，學生可以自由修讀，修讀完成即獲得“微專業(yè)”證書。這一模式使得學生能夠跨學科選修，實現(xiàn)知識的交叉融合，從而實現(xiàn)復合型新工科人才培養(yǎng)的目標。

山東大學機電與信息工程學院，基于“微專業(yè)”體系，自動化專業(yè)與相關(guān)智能制造、計算機等專業(yè)共同設計學科拓展模塊，每個跨學科拓展模塊包括學科特色課，統(tǒng)一設計培養(yǎng)方案，做到通選課一致，學生可根據(jù)自己的興趣及需要選擇跨學科拓展模塊，通過課程學習，使得學生能夠?qū)π屡d行業(yè)及新型技術(shù)等最前沿發(fā)展趨勢有所了解，同時拿到“微專業(yè)”輔修證書，為學生盡早適應行業(yè)需求奠定堅實基礎。

五、結(jié)論

隨著科技的快速發(fā)展，新時代對高校人才培養(yǎng)提出了更高的要求。作為人才培養(yǎng)的具體實施單位，一定要緊貼時代發(fā)展，及時對學生的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案及課程具體設計進行更新，在“新工科”等理念背景下，從課程體系、教育內(nèi)耗、更新專業(yè)課程、跨建“自動化+”跨學科融合模式出發(fā)，構(gòu)建全員、全過程、全方位的一體化育人格局，形成一個以價值、知識、能力為核心的，貫通型、進階式的特色課程體系，以求探索出一條智能制造背景下的新工科人才培養(yǎng)的新途徑。