新工科背景下地方高校自動化專業(yè)核心課程改革與實踐

陳奕梅 李紅利 田慧欣

摘要自動化專業(yè)是一門多學(xué)科交叉的工科專業(yè)。由于在課程體系中普遍缺乏行業(yè)背景及相關(guān)的專業(yè)應(yīng)用，學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)以及知識結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的認(rèn)知和理解。在新工科建設(shè)背景下，文章以天津工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)為例，結(jié)合學(xué)校的行業(yè)特色，以控制系統(tǒng)認(rèn)知―分析―綜合―前沿技術(shù)為主線進(jìn)行核心課程體系改革。同時，建設(shè)了科教創(chuàng)新實踐平臺，豐富了實踐教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，提高了自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 新工科；課程體系；自動化專業(yè)；實踐平臺

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.008

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的深入發(fā)展，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行。為了在全球經(jīng)濟(jì)和科技競爭中取得優(yōu)勢，“新工科”這一概念自2016年提出之后，高校就新形勢下的傳統(tǒng)高等教育提出要探索更加多樣化的人才培養(yǎng)模式[1]。自動化專業(yè)是“新工科”建設(shè)的主要內(nèi)容之一，提升自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義[2]。在新形勢下我國地方工科院校自動化專業(yè)傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式主要存在以下問題：

①自動化專業(yè)具有寬口徑、寬背景的特點，并且有大量的學(xué)科交叉存在，而傳統(tǒng)自動化專業(yè)由于在課程體系中普遍缺乏行業(yè)背景及相關(guān)的專業(yè)應(yīng)用，理論與實際不能緊密結(jié)合，學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)以及知識結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識和理解[3]。

②隨著“新工科”建設(shè)和工程教育的開展，高等教育更加關(guān)注學(xué)生能力的培養(yǎng)，特別是解決復(fù)雜工程問題的能力。但是由于教學(xué)設(shè)備缺乏更新，系統(tǒng)性不足，無法開展更多的創(chuàng)新性、設(shè)計性實驗[4]。

③不斷更新的新知識、新技術(shù)使自動化技術(shù)進(jìn)入到快速發(fā)展的軌道。對于傳統(tǒng)工科專業(yè)來說，不僅在縱向上要求培養(yǎng)體系要有與時俱進(jìn)的結(jié)構(gòu)性改革和內(nèi)容性更新，而且在橫向上要進(jìn)行適應(yīng)新興科學(xué)技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)革命的擴(kuò)

展和融合[5]。

本文介紹了天津工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)在“新工科”建設(shè)背景下，依托學(xué)校的行業(yè)特色與優(yōu)勢，對自動化專業(yè)建設(shè)進(jìn)行的改革與創(chuàng)新，為類似專業(yè)的新工科建設(shè)積累經(jīng)驗、提供借鑒。

1具有專業(yè)特色的核心課程體系建設(shè)

1.1以行業(yè)特色為核心課程體系的主線

天津工業(yè)大學(xué)為國家“雙一流”建設(shè)高校，“紡織科學(xué)與工程”為其“雙一流”建設(shè)學(xué)科。學(xué)校的自動化專業(yè)始建于1972年，2021年入選國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點。根據(jù)學(xué)校的辦學(xué)特色，自動化專業(yè)相關(guān)課程中以自動化系統(tǒng)為核心，依托專業(yè)教師在紡織自動化領(lǐng)域的積淀，將紡織自動化的各個環(huán)節(jié)按照“新工科”工程認(rèn)證模式，逐步融入課程中。在近幾年多次培養(yǎng)方案的修訂中，逐漸形成了以系統(tǒng)認(rèn)知―系統(tǒng)分析與設(shè)計―系統(tǒng)綜合為主線，以紡織自動化技術(shù)為特色的課程體系。

1.2強(qiáng)化“自動化”與“智能化”的融合，調(diào)整課程設(shè)置

近年來，人工智能、機(jī)器人等技術(shù)的快速發(fā)展也給自動化行業(yè)帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，專業(yè)的培養(yǎng)必須以學(xué)生為中心，以社會需求為導(dǎo)向。通過近幾年課程設(shè)置的調(diào)整，逐漸實現(xiàn)了“自動化”與“智能化”相融合，新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相融合的課程特色。

①建設(shè)了“智能機(jī)器人”的特色課程群。根據(jù)專業(yè)特點，開設(shè)了“智能控制技術(shù)”“模式識別與機(jī)器學(xué)習(xí)”“機(jī)器人控制技術(shù)”“模式識別與機(jī)器學(xué)習(xí)實踐”等課程。

②打破知識“孤島”。為了解決新建特色課程相互之間缺乏協(xié)同，造成不同課程間的知識冗余或知識“孤島”等問題，專業(yè)課程中也進(jìn)行了內(nèi)容統(tǒng)一調(diào)整及規(guī)劃。例如“機(jī)器人控制技術(shù)”課程的教學(xué)，學(xué)生由于缺少機(jī)器人學(xué)科等相關(guān)基礎(chǔ)知識，在課程學(xué)習(xí)中存在不少困難。根據(jù)課程的前后關(guān)系，在“自動控制原理”“電機(jī)及拖動基礎(chǔ)”等課程中，分別通過內(nèi)容的調(diào)整或案例教學(xué)等形式，將機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型、環(huán)境感知、驅(qū)動與控制等知識融入課程，使學(xué)生具備學(xué)習(xí)機(jī)器人控制技術(shù)課程的理論基礎(chǔ)，形成完整的知識體系結(jié)構(gòu)。

③傳統(tǒng)的紡織自動化與新技術(shù)結(jié)合?！爸悄芑贝龠M(jìn)了“自動化”的快速發(fā)展，紡織自動化也隨著新知識、新技術(shù)得到了快速發(fā)展。在“智能機(jī)器人”課程群相關(guān)的課程中通過紡織工程中的案例教學(xué)，強(qiáng)化了先進(jìn)紡織自動化的理念。

2以紡織自動化為背景的多層次課程體系建設(shè)

圍繞解決紡織自動化中的復(fù)雜工程問題，從底層課程體系的紡織行業(yè)背景及認(rèn)知實習(xí)、中層課程體系中的紡織自動化基礎(chǔ)知識以及典型案例教學(xué)、高層課程體系中的紡織自動化的綜合設(shè)計到畢業(yè)設(shè)計中相關(guān)工程問題的解決，并通過紡織行業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)，將行業(yè)優(yōu)勢融入課程體系，使學(xué)生對紡織自動化有了完整的認(rèn)知，同時也具有了將知識舉一反三，拓展到其他行業(yè)的能力，最終對自動化專業(yè)的知識和應(yīng)用有了系統(tǒng)完整的理解。課程體系建設(shè)技術(shù)路線圖如圖1所示。

①系統(tǒng)認(rèn)知。在大一課程“自動化專業(yè)概論”中通過對織布張力控制系統(tǒng)工作原理的分析，使學(xué)生初步了解系統(tǒng)的工作方式。接下來的“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”在紡織企業(yè)完成，學(xué)生通過現(xiàn)場參觀，再結(jié)合之前的課堂內(nèi)容，對控制系統(tǒng)有了直觀的認(rèn)知，明確了今后的學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)，以及在學(xué)習(xí)中的重點與難點。

②系統(tǒng)分析與設(shè)計。在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中，通過案例教學(xué)的方式，對課程中所涉及的紡織自動化系統(tǒng)中的相關(guān)模塊進(jìn)行分析、理解。例如，在“自動控制原理”課程的學(xué)習(xí)中，圍繞張力控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，建立了數(shù)學(xué)模型，分析PID控制器的原理及參數(shù)整定，并設(shè)計出相應(yīng)的控制器。

③系統(tǒng)綜合。在專業(yè)綜合實踐課程中，將專業(yè)課中案例模塊進(jìn)行綜合，并完成獨(dú)立被控對象的系統(tǒng)實現(xiàn)。同時，針對紡織綜合自動化實現(xiàn)的具體要求，完成方案分析、元器件選型、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計的全過程。

④系統(tǒng)前沿。新的課程體系中也對專業(yè)課程的設(shè)置進(jìn)行了合理調(diào)整，突出“智能化”的理念。同時，傳統(tǒng)的紡織自動化要與新技術(shù)結(jié)合，例如，在“模式識別導(dǎo)論”中，引入紡織車間疵點檢測技術(shù)等。同時，在新的培養(yǎng)方案中增設(shè)了“紡織智能制造前沿課程”，使學(xué)生以紡織自動化為窗口了解專業(yè)的發(fā)展方向，強(qiáng)化先進(jìn)紡織自動化的理念。

3升級完善實驗實踐平臺

實踐課程教學(xué)的目的是幫助學(xué)生建立本學(xué)科的知識體系，并將所學(xué)知識運(yùn)用于實際生活和工作中。為此，本專業(yè)建設(shè)了“虛實結(jié)合、線上線下整合”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)，建立了“課內(nèi)實驗、綜合實踐、實習(xí)實訓(xùn)”相結(jié)合的實踐教學(xué)體系。

3.1“虛實結(jié)合、線上線下整合”的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)

專業(yè)實驗室面積共1909平方米，擁有設(shè)備985臺/套，8個本科實踐平臺，擁有天津市“自動化與電氣工程實驗教學(xué)示范中心”。同時，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體等信息化技術(shù)建有天津市“自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。中心可面向?qū)W生預(yù)約開放，以充實學(xué)生課外實踐活動內(nèi)容，同時也使實驗活動的時空環(huán)境得到擴(kuò)充。

隨著紡織自動化課程體系的建設(shè)，專業(yè)的“紡織自動化綜合實踐”等綜合實踐課存在設(shè)備更新?lián)Q代慢，元器件易損壞，實驗較難滿足綜合性、創(chuàng)新性要求等問題。針對此問題，教學(xué)中心進(jìn)一步開發(fā)了“紡織自動化虛擬仿真平臺”。在平臺上，學(xué)生可進(jìn)行控制系統(tǒng)建構(gòu)、控制算法的反復(fù)實驗以及創(chuàng)新嘗試，從仿真平臺實時讀取各環(huán)節(jié)參數(shù)，能夠直觀感受實驗的實際運(yùn)行情況，達(dá)到傳統(tǒng)實驗方法不可及的教學(xué)效果。

“紡織自動化虛擬仿真平臺”在建設(shè)中逐漸完善，已經(jīng)為專業(yè)的多門課程提供了支撐。2022年的課程基本是以線上教學(xué)方式進(jìn)行，其面臨的最大問題就是實驗實踐環(huán)節(jié)無法正常展開，因此虛擬仿真平臺得到了更廣泛的應(yīng)用。例如，過程控制和過程控制綜合實踐課程所有實驗實踐環(huán)節(jié)都是在該平臺上完成。在實驗中，學(xué)生接觸到實際的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境與直觀形象的系統(tǒng)運(yùn)行過程，線上實踐教學(xué)收到了良好的反饋和預(yù)期的實驗效果。

3.2加強(qiáng)校內(nèi)外實習(xí)基地建設(shè)，改革實踐教學(xué)模式

除在校內(nèi)開展實踐教學(xué)外，學(xué)校還與企業(yè)合作，建立了校外實習(xí)基地，以多基地分布式實習(xí)模式開展實習(xí)、實訓(xùn)。目前專業(yè)與6家企業(yè)合作共建了實習(xí)和實訓(xùn)基地，采用“課程實習(xí)（集中實習(xí)）+認(rèn)知實習(xí)（集中實習(xí)）+畢業(yè)實習(xí)（分散實習(xí)）”三位一體的方式，提升了本專業(yè)學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段的工程能力。

在實習(xí)基地的基礎(chǔ)上，打造“產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人”的人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建基礎(chǔ)實驗和專業(yè)實驗相銜接、課內(nèi)實踐和課外實踐相結(jié)合、校內(nèi)實習(xí)和校外實習(xí)相配套的實踐教學(xué)體系。同時，積極推行企業(yè)科技特派員制度，有效地提升了教師的工程經(jīng)驗與技術(shù)實踐能力。為了將教學(xué)與實踐較好地結(jié)合，在實踐環(huán)節(jié)同樣會突出紡織行業(yè)的應(yīng)用。①與天紡?fù)顿Y控股有限公司、天津紡織工程研究院等多家企業(yè)簽署“產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)議”，開展校企聯(lián)合人才培養(yǎng)工作。②建立天津市“紡織工藝與裝備工程實踐教育中心”，為自動化專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力提供“零距離”環(huán)境。

4結(jié)語

新工科背景下的本科教學(xué)改革是一項艱巨、長期的系統(tǒng)工程，改革的目的是使學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量滿足新工科人才培養(yǎng)要求和社會對專業(yè)人才的新需求。我校自動化專業(yè)建設(shè)在借助行業(yè)優(yōu)勢，突出專業(yè)特色的同時，進(jìn)一步將自動化領(lǐng)域的新技術(shù)、新知識與傳統(tǒng)行業(yè)融合，并打造了培養(yǎng)學(xué)生多元化實踐創(chuàng)新能力的實踐教學(xué)體系，使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)盡可能滿足社會需求，同時在校期間能夠受到良好的工程實踐鍛煉，具有較好的解決復(fù)雜工程問題的能力，為學(xué)生走上工作崗位打下堅實的實踐基礎(chǔ)。

基金項目：中國紡織工業(yè)聯(lián)合會高等教育教學(xué)研究改革項目（2021BKJGLX660，2021BKJGLX707）；天津市本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃（B231005804）；教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會教改研究項目（202111）。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡銘，黃林，沖梁燕.新工科背景下人才培養(yǎng)模式改革的研究與探索[J].科教導(dǎo)刊，2022（2）：16-18.

[2]文春明，李尚平，黃天星.新工科背景下提升自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的策略[J].高教論壇，2021（3）：65-67.

[3]李衛(wèi)軍，邢延，蔡述庭，等.面向多學(xué)科融合的自動化類人才培養(yǎng)模式探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021（6）：31-37.

[4]劉肖燕，左鋒，張玨，等.新工科背景下面向復(fù)雜工程問題的自動化實驗教學(xué)改革實踐[J].實驗室研究與探索，2020， 39（9）：188-191

[5]梁軍，侯迪波，張光新.新工科背景下自動化專業(yè)課程教學(xué)體系的優(yōu)化重構(gòu)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（9）：15-21.