自动化新工科专业课程体系改革与实践

    蔡林沁 杨万秀 郭鹏 向敏

    

    摘? 要 紧密结合新工科建设需要，以学生能力培养所需知识点为主线，理工结合，构建自动化专业课程新体系。深度融合理论教学与实践教学，提出基础性、验证性、综合性多层次实验实践教学模式，加大学生课上课下学习强度，培养学生自主学习能力、综合实践能力和创新意识，保障自动化专业人才的工程素质教育水平。

    关键词 新工科;课程体系;工程教育;自动化专业;金课

    中图分类号：G642.3? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）20-0099-03

    Reform and Practice of Curriculum System for Automation New

    Engineering//CAI Linqin， YANG Wanxiu， GUO Peng， XIANG Min

    Abstract Oriented to new engineering， a new curriculum system for?automation specialty was constructed by combining science and engi-neering. Deeply integrated theory teaching and experiment teaching， the multi-level teaching mode for basic experiment， replication expe-riment， and comprehensiveness experiment was presented to enhance?students learning intensity inside and outside the classroom and tocultivate students independent learning ability， comprehensive prac-tice ability and innovation consciousness.

    Key words new engineering; curriculum system; engineering educa-tion; automation specialty; golden course

    1 前言

    2015年5月，“中国制造2025”国家战略规划发布，其主线是信息化与工业化的深度融合、互联网与传统工业的融合，这是中国新一轮制造发展的制高点，将会驱动中国制造向中国智造加速转变。自动化技术作为智能制造的核心关键技术，“中国制造2025”国家战略的实施，既向自动化（学科、专业）提出挑战，更为自动化发展提供了前所未有的机遇，是未来自动化人才发挥核心竞争力的重要领域。然而，作为培养我国自动化人才主力军的我国自动化专业，特别是承担为国家培养工程应用型人才的普通高等本科院校自动化专业，从全国整体上看，其课程体系未能根据自动化技术的新发展和国家新战略做出相适应的、根本性的改变，教学内容严重滞后于最新的自动化科技发展[1]。

    2017年，教育部出台新工科建设方案。在此背景下，一些高校进行了新工科背景下的多学科教学改革尝试，将工程问题引入课堂进行项目式教学，在课程中间设计带有研究性、设计性环节，提高学生理解程度和实践动手能力，为培养学生工程意识和创新能力提供了重要支撑[2]。然而，以往课程体系改革大多着重于专业课程与专业基础课程，不能从根本上改变当前自动化专业课程体系在培养自动化工程人才中存在的典型问题。

    本文在重庆邮电大学承担的教指委“自动化专业课程体系改革与试点”项目的研究成果基础上，结合新形势下“中国制造2025”国家发展战略及新工科建设对自动化人才培养带来的机遇与挑战，介绍自动化专业课程体系改革关键措施，供相关专业课程体系建设参考。

    2 紧密结合新工科建设需要，以学生能力培养要求所需知识点为主线，理工结合，构建新形势下自动化专业新体系

    根据自动化技术在当前科技发展新形势下面临的问题与机遇，特别是“中国制造2025”国家战略实施及工业4.0、“互联网+”等信息科技新浪潮对自动化工程人才的能力培養需求[3]，不断深化对自动化专业内涵的认识，进一步梳理“中国制造2025”国家战略实施对自动化专业人才的需求及其知识、能力、素质结构，以实现典型自动化控制系统的设计与实施所需的专业知识与能力素质为主线，从时间维度和空间维度上，按“人文—数理—工程技术基础—自动化技术基础—控制理论与方法—控制系统开发技术—自动控制工程技术—网络化控制系统”的逻辑结构，文理通融，理工结合，彻底打破传统自动化专业课程体系构建模式，突破传统自动化课程体系下多门课程的设置方式，以能力培养所需的知识结构来构建新形势下自动化专业课程体系，不断优化各知识模块间的逻辑结构，有效减少知识点的重复和理论课程学时，把更多时间用于加强实践教学。在教学组织模式上，各模块可跨多个学期，强调各知识点的连贯性和系统性;突出人文、数理类知识教育在培养新形势下自动化工程技术人才综合素质和工程素养方面的作用。

    新的课程体系如图1所示，包括人文社会科学模块、数学模块、物理模块、工程技术基础模块、自动化技术基础模块、控制系统理论与方法模块、控制系统开发技术模块、自动控制工程模块和网络化控制系统模块[3]，由A学分和B学分两部分组成，共157学分。

    3 深度融合理论教学与实践教学，打造专业金课，加大学生课上课下学习强度，培养学生的自主学习能力与创新意识

    教育部“六卓越一拔尖”计划2.0的核心任务之一是一流课程建设“双万计划”，即“金课”建设，以提高课程的挑战度，打造金课，淘汰水课，是要让学生忙起来，教学活起来，学校管理严起来[4]。

    首先，基于CDIO工程教育理念，构建适应自动化工程能力培养的多层次综合性实践教学模式，在新课程体系下深度融合理论教学与实验教学，突破传统理论课与实验课的划分方式。对基础性、验证性实验，将理论教学与实践教学融合，不断探索“边讲理论边做实验，或通过实验引出理论问题，再讲解基本原理和方法，通过实验加深对理论问题的理解”的新模式。

    其次，基于CDIO工程能力培养教育理念，考虑各知识点的逻辑性和完整性，设计综合性实践教学环节，课堂上主要讲授实验构思思路与基本原理、设计方法和实施步骤，演示实验实施关键过程和结果，引导学生对涉及的理论知识点、实验思路与策略、设计方法、实验过程和结果等进行分析、讨论，实验的具体实现（实施）、实验报告撰写等由学生在课后完成;然后采用翻转课堂模式[5]，在规定时间内由学生在课堂汇报实验结果，教师作进一步点评、引申，激发学生不断进行研究性学习，进而加大学生课上课下学习强度，提高课程学习挑战性，培养学生的自主学习能力与实践动手能力。

    最后，各模块（章节）完整的知识点学习结束，结合实际工程案例，精心设置综合性实践教学环节，引导学生（或学生小组）按照CDIO工程教育思想与方法，自主选择实验对象，自己构思实验方案，综合考虑实际工程项目实施中的非技术因素，如安全、经济、伦理、环保等，独立设计实验方法，并实现实验实践过程，获得有用的实验结果，切实加强实践环节，有效培养学生的综合实践能力与创新意识。

    4 将工程素质教育贯穿于专业课程教学和人才培养的全过程，培养学生解决复杂工程问题的能力

    2018年10月，教育部在《关于加快建设发展新工科 实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》中指出：树立工程教育新理念，着力提升学生解决复杂工程问题的能力，加大课程整合力度，推广实施案例教学、项目式教学等研究性教学方法，注重综合性项目训练[6]。面向新形势下“中国制造2025”国家战略实施及新工程建设对自动化工程人才的能力培养需求，深入分析工程教育专业认证对自动化专业人才解决复杂工程问题能力培养的具体要求及其工程教育属性与特征，在人才培养过程中，除了加强人文社会科学类课程所承担的思想道德、文化和身心素质教育外，坚持把与工程教育密切相关的创新意识、经济、环境、可持续发展、总结与表达、沟通与合作等非技术因素方面的工程素质教育贯穿于专业课程教学和人才培养的全过程，保障新形势下自动化专业人才的工程素质教育水平。

    与此同时，加强工程素质教育中复杂工程问题能力培养的综合实践平台建设与实践。有效结合科研成果，面向自动化领域实际工程问题，选择新课程体系中典型工程实践类模块，构建基于复杂工程问题能力培养的综合实践平台，贯穿整个模块的教学活动，有效提高学生的工程实践能力。如对于“控制系统开发技术”模块，主要涉及计算机与编程语言基础、数据结构、单片机、嵌入式系统、PLC和工程控制软件设计等知识点，设计以“单片机最小系统—智能小车—智能小车协同控制（车联网/车载仪表）—立体车库”为主线，构造由立体仓库、多个搬运机器人与智能小车以及车联网组成的复杂自动化系统作为综合性开发/实验平台，教学过程的各环节，包括理论教学、实验以及课外设计/开发，均与该平台密切结合。

    单片机部分要求组装并开发智能小车及其控制系统;嵌入式部分要求开发车联网终端系统，并与智能小车及其控制系统集成，以支持智能小车的协同控制;PLC部分要求开发出立体仓库及搬运机械手控制系统;工程控制软件设计部分要求能为相应子系统软件的开发提供合适的解决方案。整个项目贯穿模块内的主要知识点，而且要求多个课外综合型开发实验的结果最终能集成运行。在系统集成开发过程中，要求学生综合考虑经济、可靠性等制约因素，评价技术选择是否合理、设计方案是否先进，把创新意识、科学研究方法、工程意识、管理决策等工程素质教育融入系统分析、系统设计的整个教学活动中，培养学生从事工程职业所具有的综合能力和素质。

    5 结语

    1）紧密结合新工科建设需要，以学生能力培养要求所需知识点为主线，理工结合，构建自动化专业课程新体系，包括人文社会科学模块、数学模块、物理模块、工程技术基础模块、自动化技术基础模块、控制系统理论与方法模块、控制系统开发技术模块、自动控制工程模块和网络化控制系统模块共九大模块。

    2）深度融合理论教学与实践教学，提出基础性、验证性、综合性多层次实验实践教学模式，打造专业金课，加大学生课上课下学习强度，培养学生自主学习能力、综合实践能力和创新意识。

    3）将工程素质教育贯穿于专业课程教学和人才培养的全过程，培养学生解决复杂工程问题的能力，加强综合实践平台建设与实践，保障新形势下自动化专业人才的工程素质教育水平。

    参考文献

    [1]吴晓蓓.《中国制造2025》与自动化专业人才培养[J].中国大学教学，2015（8）：9-11.

    [2]赵肖宇，田芳明，谭峰.新工科背景下自动控制原理课程的分层次教学模式研究[J].高师理科学刊，2019，39（5）：83-85，90.

    [3]王平，蔡林沁，吕霞付，等.基于工业化与信息化深度融合的自动化专业课程体系改革[M]//2017年全国自动化教育学术年会论文集.2017（8）：628-632.

    [4]教育部.介绍“六卓越一拔尖”计划2.0有关情况[DB/OL].[2019-04-29].http：//www.moe.gov.cn/fbh/live/2019/50601/twwd/201904/t20190429_380086.html.

    [5]王坤.“自動控制原理”课程翻转课堂教学模式研究与思考[J].教育现代化，2019（4）：138-140.

    [6]教育部 工业和信息化部 中国工程院 关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.