智能時(shí)代新工科人才培養(yǎng)的教學(xué)組織模式研究

劉冰冰，張建成，劉 偉，趙林惠

（北京聯(lián)合大學(xué) 北京 100101）

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，高等工程教育開展了“新工科”建設(shè)，以創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式?！督逃扛叩冉逃娟P(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》倡導(dǎo)地方高?！皩?duì)接地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，深化產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同育人，推動(dòng)傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級(jí)，開展地方高校新工科研究和實(shí)踐”[1]。相比于傳統(tǒng)的工程教育，新工科要培養(yǎng)具有跨學(xué)科思維、知識(shí)整合能力，能創(chuàng)新性地解決工程實(shí)踐問(wèn)題的現(xiàn)代人才[2]。面對(duì)這樣的新要求，傳統(tǒng)的工程教育就需要進(jìn)行教育理念的改革、教學(xué)組織模式的探索和創(chuàng)新研究，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)。

本文以北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院為例，探索智能時(shí)代下新工科人才的培養(yǎng)模式。

1 目前教學(xué)中存在的問(wèn)題

目前，高校的教學(xué)組織主要以專業(yè)為中心，完成培養(yǎng)方案的制訂、教學(xué)大綱的修訂和教學(xué)任務(wù)的安排[3]。這種傳統(tǒng)的模式是基于縱向挖掘培養(yǎng)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)體系的掌握能力較好。但是這樣的組織模式缺乏橫向練習(xí)，即學(xué)科之間的交叉、專業(yè)之間的交叉，無(wú)法培養(yǎng)出具備跨學(xué)科整合能力的新工科人才。同時(shí)，這樣的組織模式，也使得教師局限于自己專業(yè)的“一方天地”，不具備跨專業(yè)視野和跨專業(yè)知識(shí)，很難進(jìn)行新工科建設(shè)和新工科人才的培養(yǎng)[4]。

2 建立新工科人才培養(yǎng)教學(xué)組織模式的思路

課程群是以特定的素養(yǎng)結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，由若干門性質(zhì)相關(guān)或相近的單門課程組成的一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、彼此連接、相互配合、深度呼應(yīng)的連環(huán)式課程集群。目前大部分探索課程群的研究都是針對(duì)專業(yè)內(nèi)部的課程群建設(shè)，但是課程群的建設(shè)不僅僅局限于一個(gè)專業(yè)，尤其是新工科要求專業(yè)之間進(jìn)行交叉，實(shí)現(xiàn)破除專業(yè)之間壁壘、培養(yǎng)綜合型人才的目的。本研究從平臺(tái)課程建設(shè)、專業(yè)內(nèi)課程群建設(shè)和綜合實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)三個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 多專業(yè)需求課程——平臺(tái)課程建設(shè)

面對(duì)多專業(yè)需要的課程，在傳統(tǒng)的以專業(yè)進(jìn)行教學(xué)的組織模式基礎(chǔ)上增加課程群組織模式，此模式可以整合各專業(yè)的資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同共享的目標(biāo)。但是，如何建立跨專業(yè)的課程群以及如何進(jìn)行跨專業(yè)平臺(tái)課程的建設(shè)一直是課程群建設(shè)探索中的重要研究?jī)?nèi)容。北京聯(lián)合大學(xué)作為一所應(yīng)用型大學(xué)，以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才作為培養(yǎng)目標(biāo)，因此一直與行業(yè)和企業(yè)聯(lián)系緊密。機(jī)器人學(xué)院通過(guò)與機(jī)器人公司進(jìn)行校企合作，對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的人才技術(shù)需求進(jìn)行了詳細(xì)的分析，將人才需求劃分成“動(dòng)力機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境感知、智能決策、人機(jī)交互”五個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)不同的模塊有相應(yīng)的專業(yè)進(jìn)行支撐，不同的模塊有強(qiáng)支撐專業(yè)和弱支撐專業(yè)。同時(shí)建立理論知識(shí)體系和實(shí)踐能力體系支撐專業(yè)培養(yǎng)，其中理論知識(shí)體系劃分為素質(zhì)通識(shí)課程群、專業(yè)基礎(chǔ)課程群和專業(yè)拓展課程群，而實(shí)踐能力體系劃分為基礎(chǔ)型實(shí)踐專題群、進(jìn)階型實(shí)踐專題群和高階型實(shí)踐專題群，學(xué)生可以在完成低階實(shí)踐專題群的實(shí)踐題目后進(jìn)行更高級(jí)別的實(shí)踐專題題目。為了完成課程群的建設(shè)和運(yùn)行以及課程群的優(yōu)化，除了課程群的規(guī)劃外，還包括課程群的建設(shè)機(jī)制和實(shí)施方案，北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院在進(jìn)行課程群的探索中總結(jié)出了適用于新工科學(xué)院建設(shè)的矩陣式教學(xué)組織模式、專業(yè)群建設(shè)的管理制度和運(yùn)行機(jī)制，并提出了課程群教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)實(shí)施方案、工程實(shí)踐條件建設(shè)實(shí)施方案和教學(xué)改革實(shí)施方案以保證課程群的建設(shè)和實(shí)施（圖1）。

圖1 跨專業(yè)平臺(tái)課程建設(shè)方案

2.2 單獨(dú)專業(yè)需求課程——專業(yè)內(nèi)課程群建設(shè)

單獨(dú)專業(yè)課程也可以進(jìn)行課程群建設(shè)，目前專業(yè)內(nèi)課程大部分為一門一門的課程，忽略了課程知識(shí)之間的銜接，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)后不能有效地運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)，有些課程的內(nèi)容有部分重疊，而有些課程的內(nèi)容又缺乏前導(dǎo)課程，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)聽過(guò)多遍的知識(shí)缺乏興趣，對(duì)缺乏前導(dǎo)課程的內(nèi)容又較難以接受[5]。在專業(yè)內(nèi)部建設(shè)課程群可以將專業(yè)知識(shí)更好地融匯在一起，使各課程內(nèi)部之間相互連接的部分能夠更加清晰地呈現(xiàn)，同時(shí)剔除掉彼此重復(fù)的部分使得課程更加緊湊，也使得多余的學(xué)時(shí)可以用于綜合項(xiàng)目的練習(xí)，促使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

2.3 綜合實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)

學(xué)科實(shí)踐是學(xué)生應(yīng)用所學(xué)習(xí)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際工程項(xiàng)目，進(jìn)一步理解所學(xué)理論知識(shí)的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)踐平臺(tái)就是提供應(yīng)用場(chǎng)合的重要基礎(chǔ)，新工科要求學(xué)生具有學(xué)科交叉的能力，那么在進(jìn)行實(shí)踐平臺(tái)搭建的時(shí)候也需要綜合考慮如何進(jìn)行學(xué)科交叉[6]。由于工科專業(yè)彼此之間有相互交叉的部分，可以在建設(shè)時(shí)進(jìn)一步整合，建設(shè)課程群；同時(shí)，也需要考慮構(gòu)建能夠支撐多專業(yè)教學(xué)任務(wù)的實(shí)踐平臺(tái)，減少重復(fù)建設(shè)，有效地進(jìn)行資源配置；以各類競(jìng)賽為基礎(chǔ)，促使教師積極進(jìn)行知識(shí)拓展，實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

3 具體實(shí)施及效果

3.1 多專業(yè)課程群

下面以工程制圖課為代表說(shuō)明多專業(yè)平臺(tái)課的建設(shè)。工程制圖平臺(tái)課覆蓋四個(gè)工科專業(yè)，包括機(jī)械類專業(yè)如機(jī)械工程、機(jī)器人工程專業(yè)，以及近機(jī)類專業(yè)如自動(dòng)化、電子信息工程專業(yè)，建設(shè)內(nèi)容主要包括以下兩部分。

3.1.1 模塊化建設(shè)

根據(jù)各個(gè)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃及授課情況，進(jìn)行工程制圖平臺(tái)課模塊化建設(shè)。工程制圖平臺(tái)課分為四個(gè)模塊，其內(nèi)容逐層遞進(jìn)，逐步提高學(xué)生對(duì)工程圖樣的讀、識(shí)、畫能力。

模塊一（基礎(chǔ)知識(shí)）：基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)；

模塊二（技能訓(xùn)練）：專業(yè)技術(shù)、專業(yè)技能訓(xùn)練；

模塊三（技能應(yīng)用）：計(jì)算機(jī)輔助繪圖（二維和三維）；

模塊四（實(shí)踐操作）：測(cè)繪和拆裝平臺(tái)。

3.1.2 重構(gòu)課程體系

根據(jù)各個(gè)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃及后續(xù)課程的銜接情況，重構(gòu)以機(jī)械工程專業(yè)為主體的“工程制圖”課程體系，并輻射相關(guān)專業(yè)，完成相應(yīng)線下課程資源建設(shè)，包括大綱修訂、課程實(shí)施方案設(shè)計(jì)、重要知識(shí)點(diǎn)課程教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)范例建設(shè)等。具體內(nèi)容包括教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)方法教學(xué)手段創(chuàng)新、以賽促建等。

3.2 單專業(yè)課程群

以機(jī)械類課程為例進(jìn)行課程群建設(shè)。機(jī)械類課程之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性和先后順序性，本研究以機(jī)械類課程群的建設(shè)說(shuō)明單專業(yè)課程群建設(shè)的具體實(shí)施。

3.2.1 課程群的建立

由于課程群是由幾門課程共同組成的，因此確定課程群中所包含的科目是課程群建設(shè)中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。根據(jù)課程群的定義，首先，課程群針對(duì)的是特定素養(yǎng)的培養(yǎng)，因此在本研究中以機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)目標(biāo)為指導(dǎo)，確定課程群所需培養(yǎng)的素養(yǎng)。比如機(jī)械類專業(yè)其中重要的一個(gè)分支就是機(jī)械設(shè)計(jì)類，其培養(yǎng)目標(biāo)是機(jī)械設(shè)計(jì)師。其次，需針對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)所需能力進(jìn)行細(xì)化。針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)師的培養(yǎng)目標(biāo)，需要學(xué)生能夠針對(duì)需求提出方案、分析受力關(guān)系、進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)行關(guān)鍵零件校核并形成三維圖紙和二維圖紙。最后，根據(jù)能力確定課程群的組成課程。確定課程群的相關(guān)課程須包括互換性與技術(shù)測(cè)量（公差內(nèi)容）、工程材料基礎(chǔ)、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（包括機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容）、機(jī)械制圖。由以上三個(gè)步驟確定機(jī)械設(shè)計(jì)課程群中所需包括的課程，為后續(xù)的工作奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)是指為滿足專業(yè)或課程群的建設(shè)需要，以既能互補(bǔ)又能互相溝通、相互協(xié)作的教師為主體，以教學(xué)改革為途徑，以專業(yè)建設(shè)和系列課程為平臺(tái)，為提高教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)效果而組建的教學(xué)業(yè)務(wù)組合[7-8]。在課程群的團(tuán)隊(duì)建設(shè)中需要合理配置團(tuán)隊(duì)的成員，以教學(xué)能力強(qiáng)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師作為教學(xué)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，在專業(yè)方面、年齡方面、職稱方面都要考慮，從而建立合理的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，同時(shí)，為了提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)的實(shí)踐能力，還可增加校外企業(yè)人員，促進(jìn)校企深度合作。

3.2.3 教學(xué)資源優(yōu)化

課程群建設(shè)的優(yōu)勢(shì)在于課程內(nèi)容的彼此連接，同時(shí)可以在進(jìn)行課程建設(shè)時(shí)優(yōu)化掉彼此之間相互重復(fù)的課程內(nèi)容，增加實(shí)踐部分，提高學(xué)生對(duì)課程群內(nèi)容的理解和應(yīng)用，從更加系統(tǒng)和完整的角度掌握專業(yè)知識(shí)。因此，對(duì)于教學(xué)資源的整合和優(yōu)化是其中必要的環(huán)節(jié)[9-10]。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程群的建設(shè)中，首先進(jìn)行課程群的規(guī)劃，調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容，修訂教學(xué)大綱；其次，增加實(shí)踐學(xué)時(shí)，以項(xiàng)目作為牽引，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)，同時(shí)提供分層次的項(xiàng)目，使學(xué)生能夠根據(jù)自己的水平逐步提高設(shè)計(jì)水平；最后，建立線上資源及虛擬資源，包括線上課程、云班課及虛擬實(shí)驗(yàn)室等。

3.2.4 教材建設(shè)

教材是課程群建設(shè)中的重要因素，由于目前機(jī)械設(shè)計(jì)課程群內(nèi)各門課程均單獨(dú)開課，教材也是由任課教師自行選擇，因此會(huì)出現(xiàn)教材銜接不好或有部分重復(fù)、綜合性例子少，而且任課教師選擇的教材有些屬于經(jīng)典教材，不適用于基礎(chǔ)差的學(xué)生，因此教材建設(shè)也是課程群建設(shè)的重要部分。在進(jìn)行教材建設(shè)時(shí)要根據(jù)課程群的培養(yǎng)目標(biāo)，以新工科要求為基礎(chǔ)，開發(fā)有特色、綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的教材。

3.3 實(shí)踐平臺(tái)搭建

以機(jī)器人競(jìng)賽作為載體搭建實(shí)踐平臺(tái)，整合課程內(nèi)容，增開新技術(shù)課程群，以賽促建，通過(guò)實(shí)際任務(wù)驅(qū)動(dòng)新工科人才建設(shè)多專業(yè)共享、分層次的實(shí)踐專題群等途徑實(shí)現(xiàn)綜合性實(shí)踐平臺(tái)的搭建[11-12]，具體措施如下：

3.3.1 課程內(nèi)容整合

在進(jìn)行實(shí)踐平臺(tái)搭建時(shí)綜合考慮五個(gè)人才需求模塊與專業(yè)間的支撐關(guān)系，保留專業(yè)基礎(chǔ)、兼顧專業(yè)特色，整合內(nèi)容相近或技術(shù)關(guān)聯(lián)度較高的課程和訓(xùn)練項(xiàng)目，組建理論課程群和實(shí)踐專題群，增設(shè)新技術(shù)課程群，如人工智能課程群等，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的整合和提升。

3.3.2 跨專業(yè)實(shí)踐任務(wù)

以各類學(xué)科競(jìng)賽為契機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生跨專業(yè)組隊(duì)參加智能車競(jìng)賽、機(jī)器人競(jìng)賽等，通過(guò)各類競(jìng)賽提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

3.3.3 建立多專業(yè)共享的實(shí)踐專題群

梳理支撐各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的能力要素，構(gòu)建“基礎(chǔ)型、進(jìn)階型、高階型”三個(gè)層次的實(shí)踐專題平臺(tái)，對(duì)復(fù)雜性、綜合性、創(chuàng)新性的要求逐層遞增，專題涵蓋多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，通過(guò)逐步添加項(xiàng)目任務(wù)，使不同層次的專題項(xiàng)目具有一定的連續(xù)性，逐步提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，形成遞進(jìn)式、跨學(xué)科、跨專業(yè)的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。

4 結(jié)論

新工科人才的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)跨專業(yè)能力，傳統(tǒng)的縱向?qū)I(yè)授課具有一定的局限性，因此通過(guò)增加橫向的課程群授課從而形成矩陣式的教學(xué)模式可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)之間的有機(jī)融合。

本文以北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院為例，通過(guò)跨專業(yè)課程群建設(shè)、單專業(yè)課程群建設(shè)和實(shí)踐專題群建設(shè)三大方面實(shí)現(xiàn)了矩陣式人才培養(yǎng)模式，實(shí)踐證明，此種教學(xué)組織模式可以有效地實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)人才的培養(yǎng)。