基于多元融合的應(yīng)用型自動化專業(yè)實踐教學(xué)模式研究

中圖分類號：G461 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，自動化專業(yè)人才需求呈現(xiàn)出多樣化和高端化的趨勢。作為培養(yǎng)滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展與需求人才的重要陣地，應(yīng)用型本科高校自動化專業(yè)在推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提升工業(yè)自動化水平進程中發(fā)揮著不可替代的作用。實踐教學(xué)作為自動化人才培養(yǎng)的重要模塊，通過模擬或?qū)嶋H工作環(huán)境中的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R應(yīng)用于實際工作中，培養(yǎng)其解決復(fù)雜問題的能力、創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作精神[1]。當(dāng)前，應(yīng)用型高校的實踐教學(xué)普遍面臨著時代的沖擊，實踐教學(xué)模式與高精尖應(yīng)用人才培養(yǎng)存在脫節(jié)的問題。對此，廣大一線教育工作者和研究人員都已有所覺察，并著手嘗試尋求改變。閆一冰以應(yīng)用型本科高校數(shù)學(xué)專業(yè)為例開展實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析，創(chuàng)新性構(gòu)建了“3344”產(chǎn)教協(xié)同育人實踐教學(xué)體系。張昌盛等3提出基于項目學(xué)習(xí)的IC設(shè)計類專業(yè)實踐教學(xué)體系優(yōu)化策略。龐振天等[4]面向物流專業(yè)構(gòu)建了以O(shè)BE理念為導(dǎo)向的“一核四維實踐教學(xué)體系”。陳燕友[5]以土木專業(yè)為靶向探討了基于產(chǎn)學(xué)研一體化實踐教學(xué)模式。楊珊珊從教學(xué)設(shè)計、教學(xué)模式的實施策略、考核評價體系提出基于成果導(dǎo)向的BIM實踐教學(xué)模式。除研究實踐教學(xué)模式構(gòu)建方式以外，還有部分學(xué)者圍繞如何更加客觀地評價實踐教學(xué)開展了深人研究，為實踐教學(xué)的改進提供了很好的參照[7-9]。以上研究在推動各專業(yè)實踐教學(xué)發(fā)展方面成果頗豐，專業(yè)針對性強但普適性不足，無法直接滿足自動化專業(yè)實踐教學(xué)在多方面的要求。因此，探索一種創(chuàng)新的實踐教學(xué)模式，成為提升自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。

1自動化專業(yè)實踐教學(xué)面臨的困境

1.1實踐教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)

自動化產(chǎn)業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代迅速，而部分高校實踐教學(xué)內(nèi)容未能及時跟上產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐。教學(xué)中使用的設(shè)備和技術(shù)相對陳舊，實踐項目多為驗證性實驗，缺乏綜合性、創(chuàng)新性和與實際工程項目緊密結(jié)合的內(nèi)容。以工業(yè)機器人應(yīng)用為例，自前企業(yè)中工業(yè)機器人的智能化程度不斷提高，具備視覺識別、力覺感知等先進功能，但部分高校的實踐教學(xué)仍停留在對工業(yè)機器人基本操作的訓(xùn)練上，學(xué)生無法接觸到機器人編程算法優(yōu)化、復(fù)雜任務(wù)協(xié)同作業(yè)等前沿應(yīng)用場景。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，在對筆者所在地區(qū)10所應(yīng)用型本科高校自動化專業(yè)的實踐教學(xué)內(nèi)容調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，僅有不到30 % 的實踐項目與當(dāng)?shù)刂髁髯詣踊髽I(yè)的實際生產(chǎn)項目有一定關(guān)聯(lián)，且這些關(guān)聯(lián)項目的技術(shù)應(yīng)用水平普遍落后企業(yè)實際應(yīng)用2一3年。這種脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后無法快速適應(yīng)企業(yè)工作崗位的要求，需要企業(yè)花費大量成本進行再培訓(xùn)。

1.2實踐教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)實踐教學(xué)方法多以教師講解、演示，學(xué)生模仿操作為主。這種教學(xué)方式注重知識的傳授，忽視了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。在實驗課程中，學(xué)生往往按照教師給定的實驗步驟進行操作，缺乏獨立思考和解決問題的能力，創(chuàng)新思維難以得到激發(fā)。例如，在“自動控制原理實驗”課程中，教師通常詳細講解實驗原理、步驟和注意事項，學(xué)生只需按部就班完成實驗，記錄數(shù)據(jù)。這種教學(xué)方式下，學(xué)生對實驗原理的理解僅停留在表面，無法深入思考實驗過程中出現(xiàn)的問題，更難以提出創(chuàng)新性的改進方案。同時，單一的教學(xué)方法無法滿足不同學(xué)習(xí)風(fēng)格和能力水平學(xué)生的需求，學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生可能覺得實驗內(nèi)容過于簡單，缺乏挑戰(zhàn)性，而學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生可能在理解實驗步驟上就存在困難，影響教學(xué)效果。

1.3實踐教學(xué)平臺建設(shè)滯后

實踐教學(xué)平臺是開展實踐教學(xué)的重要保障。部分應(yīng)用型本科高校自動化專業(yè)實踐教學(xué)平臺存在設(shè)備老化、數(shù)量不足、功能不完善等問題。校內(nèi)實驗室與企業(yè)實際生產(chǎn)環(huán)境存在較大差距，無法為學(xué)生提供真實的工程實踐場景。一些高校的自動化實驗室中，實驗設(shè)備大多是幾年前甚至十幾年前購置的，部分設(shè)備的精度和性能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代自動化技術(shù)的實驗需求。例如，在一些涉及高精度運動控制的實驗中，由于設(shè)備老化，運動控制精度無法達到實驗要求，導(dǎo)致實驗結(jié)果誤差較大，影響學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握。校外實習(xí)基地建設(shè)也不夠穩(wěn)定，實習(xí)過程缺乏有效的管理和指導(dǎo)。部分校外實習(xí)基地只是為了滿足學(xué)校實習(xí)任務(wù)的要求而建立，企業(yè)參與度不高，學(xué)生在實習(xí)過程中只能進行簡單的參觀和輔助工作，無法真正參與到企業(yè)的實際項目中，實習(xí)效果難以保證。

1.4實踐教學(xué)師資隊伍薄弱

實踐教學(xué)需要既具備扎實理論知識，又有豐富工程實踐經(jīng)驗的教師。然而，目前部分高校自動化專業(yè)教師多為高校畢業(yè)后直接任教，缺乏企業(yè)工作經(jīng)歷，實踐教學(xué)能力不足。對筆者所在地區(qū)5所應(yīng)用型本科高校的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，具有3年以上企業(yè)工作經(jīng)驗的教師占比不到 20 % 。這些教師在教學(xué)過程中，對行業(yè)發(fā)展動態(tài)了解不夠，難以將最新的技術(shù)和工程案例融入實踐教學(xué)中。例如，在講解自動化生產(chǎn)線故障診斷技術(shù)時，由于缺乏實際工作經(jīng)驗，教師只能按照教材內(nèi)容進行理論講解，無法結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)中的故障案例進行分析，學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力受到限制，影響學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

2基于多元融合的實踐教學(xué)模式構(gòu)建

2.1產(chǎn)業(yè)需求與實踐教學(xué)內(nèi)容融合

建立與行業(yè)企業(yè)緊密合作的機制，定期開展企業(yè)調(diào)研，了解產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和人才需求變化。邀請企業(yè)專家參與實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和更新，將企業(yè)實際工程項目轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)項目。例如，與當(dāng)?shù)匾患抑闹悄苤圃炱髽I(yè)合作，引入其正在實施的“智能工廠升級改造項目”中的部分內(nèi)容，如自動化倉儲物流系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)等，作為實踐教學(xué)項目。在項目實施過程中，企業(yè)專家與學(xué)校教師共同指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生不僅能夠接觸到企業(yè)實際的技術(shù)和流程，還能了解到企業(yè)在項自實施過程中的需求和挑戰(zhàn)。同時，根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求設(shè)置選修課程模塊，如新能源汽車自動化技術(shù)、智能電網(wǎng)自動化等，拓寬學(xué)生的知識面和就業(yè)渠道。通過對選修課程學(xué)生的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，選修相關(guān)課程的學(xué)生在對應(yīng)領(lǐng)域的就業(yè)競爭力明顯提高，就業(yè)薪資也相對較高。

2.2前沿技術(shù)與實踐教學(xué)手段融合

積極引入自動化領(lǐng)域的前沿技術(shù)，如人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等，豐富實踐教學(xué)手段。利用虛擬仿真技術(shù)搭建虛擬實驗室，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行復(fù)雜實驗和項目設(shè)計，降低實驗成本和風(fēng)險。例如，通過虛擬仿真軟件模擬自動化生產(chǎn)線的運行和調(diào)試過程，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行參數(shù)設(shè)置、故障排查等操作，提高實踐操作技能。筆者所在高校自動化專業(yè)利用虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)了一套“智能工廠虛擬仿真實踐教學(xué)平臺”，學(xué)生可以在平臺上模擬搭建智能工廠的各個環(huán)節(jié)，包括生產(chǎn)設(shè)備布局、物流配送系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)過程監(jiān)控等。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以自由進行實驗探索，嘗試不同的設(shè)計方案和控制策略，觀察實驗結(jié)果，這大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實踐效果。此外，借助在線教學(xué)平臺，開展線上線下混合式實踐教學(xué)，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)實踐教學(xué)資源，與教師和同學(xué)進行交流互動。通過在線教學(xué)平臺，教師可以發(fā)布實驗指導(dǎo)視頻、相關(guān)技術(shù)資料等學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在課前可以通過觀看視頻預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，了解實驗原理和操作步驟；在實驗過程中遇到問題時，可以隨時在線向教師和同學(xué)請教；課后，學(xué)生可以將實驗報告和總結(jié)上傳至平臺，教師在線進行批改和反饋。

2.3跨學(xué)科知識與實踐教學(xué)項目融合

自動化專業(yè)具有較強的跨學(xué)科性，涉及電子、計算機、控制、機械等多個學(xué)科領(lǐng)域。在實踐教學(xué)中，可以設(shè)置跨學(xué)科實踐教學(xué)項目，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。例如，開展“智能家居系統(tǒng)設(shè)計”項目，學(xué)生需要綜合運用自動化控制技術(shù)、電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等知識，完成智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件開發(fā)和系統(tǒng)調(diào)試。在項目實施過程中，學(xué)生首先需要根據(jù)用戶需求確定智能家居系統(tǒng)的功能和架構(gòu)，然后進行硬件選型和電路設(shè)計，接著利用編程語言開發(fā)控制軟件，實現(xiàn)對家居設(shè)備的遠程控制和智能化管理。通過跨學(xué)科項目實踐，能夠打破學(xué)科界限，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。據(jù)對參與跨學(xué)科實踐項目學(xué)生的問卷調(diào)查顯示，超過 80 % 的學(xué)生認為跨學(xué)科實踐項目提高了他們的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，能夠更好地將不同學(xué)科的知識融會貫通，應(yīng)用到實際項目中。

2.4多樣化教學(xué)方法與實踐教學(xué)過程融合

采用項目驅(qū)動教學(xué)法、案例教學(xué)法、小組合作學(xué)習(xí)法等多樣化教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。在項目驅(qū)動教學(xué)中，教師提出具有挑戰(zhàn)性的實踐項目，學(xué)生在完成項目的過程中，自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識和技能，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。例如，在“自動化生產(chǎn)線設(shè)計”課程中，教師給定一個“飲料灌裝自動化生產(chǎn)線設(shè)計”的項目任務(wù)，學(xué)生分組進行項目設(shè)計。在項目實施過程中，學(xué)生需要自主查閱資料，了解飲料灌裝工藝和自動化生產(chǎn)線的設(shè)計原理，進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制設(shè)計和程序編寫等工作。每個小組在完成項目后，需要進行項目匯報和演示，展示項目成果和設(shè)計思路。案例教學(xué)法通過引入實際工程案例，引導(dǎo)學(xué)生分析問題、解決問題，提高學(xué)生的工程實踐能力。小組合作學(xué)習(xí)法讓學(xué)生分組完成實踐任務(wù)，促進學(xué)生之間的交流與合作，培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力和團隊精神。在小組合作過程中，學(xué)生可以根據(jù)各自的優(yōu)勢和特長進行分工，共同完成項目任務(wù)，在合作過程中相互學(xué)習(xí)、相互促進。

3基于多元融合的實踐教學(xué)模式實施保障

3.1加強實踐教學(xué)平臺建設(shè)

加大對自動化專業(yè)實踐教學(xué)平臺的投人，更新實驗設(shè)備，完善實驗室功能。建設(shè)具有真實工程環(huán)境的校內(nèi)實踐基地，如智能制造實訓(xùn)中心、自動化生產(chǎn)線實驗室等，為學(xué)生提供良好的實踐條件。筆者所在高校建設(shè)了智能制造實訓(xùn)中心，如表1所示，該中心包含PLC（ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器）實驗室、檢測技術(shù)實驗室、運動控制實驗室等10間實驗實訓(xùn)室，配備了先進的工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線、智能倉儲物流系統(tǒng)等設(shè)備，模擬真實的智能制造工廠環(huán)境，能夠滿足專業(yè)所有實踐教學(xué)活動需求，實踐課程開出率達到 100 % 。學(xué)生在實訓(xùn)中心可以進行從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造到質(zhì)量檢測的全流程實踐操作，提高實踐能力。同時，加強與企業(yè)的合作，建立穩(wěn)定的校外實習(xí)基地，拓寬學(xué)生的實踐渠道；與企業(yè)共同制定實習(xí)計劃和考核標(biāo)準(zhǔn)，加強實習(xí)過程的管理和指導(dǎo)，確保實習(xí)效果。筆者所在高校與當(dāng)?shù)囟嗉易詣踊髽I(yè)建立了長期合作關(guān)系，共同制定實習(xí)計劃，企業(yè)為學(xué)生安排經(jīng)驗豐富的工程師作為實習(xí)導(dǎo)師，指導(dǎo)學(xué)生參與企業(yè)實際項目。學(xué)校教師定期到企業(yè)了解學(xué)生實習(xí)情況，與企業(yè)導(dǎo)師共同對學(xué)生進行考核評價。

3.2打造高水平實踐教學(xué)師資隊伍

加強教師實踐能力培訓(xùn)，鼓勵教師到企業(yè)掛職鍛煉，參與企業(yè)實際工程項目，提高教師的工程實踐經(jīng)驗和實踐教學(xué)能力。筆者所在高校規(guī)定自動化專業(yè)教師每3年必須到企業(yè)掛職鍛煉6個月以上，并將掛職鍛煉情況作為教師職稱評定和績效考核的重要指標(biāo)。通過掛職鍛煉，教師能夠了解企業(yè)的實際需求和技術(shù)發(fā)展動態(tài)，將企業(yè)的實際項目和工程案例帶回課堂，豐富教學(xué)內(nèi)容。引進具有豐富企業(yè)工作經(jīng)驗的高層次人才，充實實踐教學(xué)師資隊伍。邀請企業(yè)專家擔(dān)任兼職教師，定期來校開展講座和指導(dǎo)實踐教學(xué)，使學(xué)生能夠接觸到行業(yè)最新的技術(shù)和理念。建立實踐教學(xué)教師激勵機制，對在實踐教學(xué)中表現(xiàn)突出的教師給予表彰和獎勵，提高教師參與實踐教學(xué)的積極性。例如，設(shè)立“實踐教學(xué)優(yōu)秀獎”，對在實踐教學(xué)中教學(xué)效果好、學(xué)生評價高的教師給予獎勵，激勵教師不斷改進實踐教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.3完善實踐教學(xué)評價體系

建立多元化的實踐教學(xué)評價體系，全面評價學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力等綜合素質(zhì)。評價指標(biāo)不僅包括實踐項目的完成情況、實驗報告的撰寫質(zhì)量，還應(yīng)涵蓋學(xué)生在實踐過程中的表現(xiàn)、創(chuàng)新思維的體現(xiàn)以及團隊協(xié)作能力等方面。例如，在評價學(xué)生的實踐項目時，除了考核項目的最終成果，還考察學(xué)生在項目實施過程中的問題解決能力、創(chuàng)新點以及團隊成員之間的協(xié)作配合情況。采用教師評價、學(xué)生自評、小組互評等多種評價方式，確保評價結(jié)果的客觀公正。同時，將評價結(jié)果及時反饋給學(xué)生，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，改進學(xué)習(xí)方法，提高實踐能力。例如，在每次實踐項目結(jié)束后，教師先對學(xué)生的項目成果進行評價，指出優(yōu)點和不足；然后學(xué)生進行自評，反思自己在項自實施過程中的收獲和不足；最后小組成員之間進行互評，相互學(xué)習(xí)和借鑒。通過這種多元化的評價方式，學(xué)生能夠全面了解自己的實踐能力水平，明確努力方向。

4實踐教學(xué)模式應(yīng)用實例與效果分析

4.1 應(yīng)用實例

以“運動控制系統(tǒng)設(shè)計”課程為例，采用基于多元融合的實踐教學(xué)模式進行教學(xué)改革，如圖1所示。在教學(xué)內(nèi)容上，引入企業(yè)實際的自動化控制系統(tǒng)項目，如污水處理廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計。學(xué)生在完成項目的過程中，需要綜合運用自動控制原理、PLC編程技術(shù)、傳感器技術(shù)等知識，設(shè)計系統(tǒng)方案、編寫控制程序、調(diào)試系統(tǒng)運行。在教學(xué)過程中，采用項目驅(qū)動教學(xué)法和小組合作學(xué)習(xí)法。教師將學(xué)生分成若干小組，每個小組負責(zé)一個項目模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。在項目實施過程中，教師進行指導(dǎo)和答疑，引導(dǎo)學(xué)生自主解決問題。同時，利用虛擬仿真技術(shù)對設(shè)計方案進行驗證，降低實驗成本和風(fēng)險。例如，學(xué)生在設(shè)計污水處理廠自動化控制系統(tǒng)的控制程序時，可以先在虛擬仿真軟件中進行模擬調(diào)試，檢查程序的正確性和穩(wěn)定性，然后再將程序下載到實際的PLC控制器中進行現(xiàn)場調(diào)試。

4.2 效果分析

通過對參與課程改革的學(xué)生進行問卷調(diào)查和實踐能力考核，學(xué)生對課程的滿意度達到 9 0 % 以上，認為這種教學(xué)模式提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和主動性。在實踐能力方面，學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力、編程能力、調(diào)試能力等均得到顯著提升。在相關(guān)學(xué)科競賽中，參與課程改革的學(xué)生獲獎人數(shù)明顯增加。

實踐教學(xué)成果豐碩，學(xué)生在各類學(xué)科競賽和實踐活動中屢獲佳績。近5年來，在全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽、機器人及人工智能大賽、“西門子\"智能制造挑戰(zhàn)賽、“挑戰(zhàn)杯”等比賽中，我校學(xué)生獲得國家級獎項11項，區(qū)級獎項36項，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力得到了企業(yè)和社會的高度認可，畢業(yè)生的就業(yè)率和就業(yè)質(zhì)量明顯提升，許多畢業(yè)生成為企業(yè)的技術(shù)骨干和創(chuàng)新人才。此外，學(xué)生的團隊協(xié)作能力、溝通能力和創(chuàng)新思維也得到了有效鍛煉，畢業(yè)后能夠快速適應(yīng)企業(yè)工作崗位的要求，受到用人單位的好評。據(jù)對畢業(yè)生就業(yè)單位的回訪調(diào)查顯示，用人單位對參與課程改革的畢業(yè)生的綜合素質(zhì)評價較高，認為他們能夠快速融入企業(yè)工作環(huán)境，獨立承擔(dān)工作任務(wù)，在工作中表現(xiàn)出較強的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。

5結(jié)語

基于多元融合的實踐教學(xué)模式，通過將產(chǎn)業(yè)需求、前沿技術(shù)、跨學(xué)科知識和多樣化教學(xué)方法有機融合，有效解決了應(yīng)用型本科高校自動化專業(yè)實踐教學(xué)面臨的問題。該模式在提高學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)方面取得了顯著成效，為應(yīng)用型本科高校自動化專業(yè)實踐教學(xué)改革提供了有益的借鑒。未來，我校將進一步加強與行業(yè)企業(yè)的合作，不斷更新實踐教學(xué)內(nèi)容和手段，完善實踐教學(xué)保障體系，持續(xù)推進自動化專業(yè)實踐教學(xué)模式的創(chuàng)新與發(fā)展，為培養(yǎng)適應(yīng)新時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)自動化專業(yè)人才奠定堅實基礎(chǔ)。

參考文獻

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