“科—产—赛”,与,“理—实—创”,两线三维的工程应用型人才培养模式探究
周萌 王晶 董哲
摘 要：新工科背景下，针对教学存在的模式呆板内容陈旧、情景化实践教学平台缺乏、人才培养与社会需求脱节、创新能力培养不足等问题，高校应面向高水平应用型自动化类创新型人才培养需求，在培养过程中重基础、重开发、重设计、重创造，探索并实践出一条“科教、产教、赛教”与“理论-实践-创新”两线三维融合的工程应用人才培养模式，以创新实践为主轴服务于教育教学的各环节，最终实现“研—学—产—用”一体化创新培养体系。
关键词：新工科;自制教学平台;虚实结合
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2022）07-0097-04
近年来，人工智能、大数据、工业物联网、5G等新一代高新信息技术飞速发展，给传统自动化专业带来很大的挑战与机遇，也对学生的创新意识与实践动手能力提出了更高的要求。为全面提升目前高等教育教学人才培养模式与培养体系，2017年教育部积极推进新工科建设。新工科背景下，为全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”的先进工程教育认证理念，我国各高校着眼高等教育创新的基本逻辑，积极开展教育改革创新，以期实现以新工科建设引领高等教育创新，以高等教育创新助力教育强国建设。在此背景下，针对自动化专业，如何探索并发展出一条全面提升学生动手应用能力，与时俱进，真正实现知识直接转化应用的教学体系是目前各大高校面临的重要难题[1-3]。
一、目前高等教育存在的問题
经过大量的调研与分析，本文总结出目前高校在自动化专业学生工程能力培养方面普遍存在的问题。
（一）教学模式多以内容驱动，教学内容陈旧死板
传统的理论课堂教学模式多以教师为中心，以知识点贯穿教材，并通过教师讲授的形式传达给学生。这种以内容驱动教学的授课方式往往会导致学生所学知识碎片化，很难形成知识体系架构及工程化思维。由于自动化领域依托信息论、系统论与控制论的相关先进技术，随着人工智能、工业物联网、5G等高新技术的飞速发展，该领域相关技术更新换代快，一味讲解陈旧的理论知识，很难培养出适应当今社会需求的人才，如何依据人才培养方案对教材等教学资源进行整理编纂是最基本且关键的一步[4-5]。
（二）实践教学环节薄弱、缺乏场景化教学
“新工科”建设明确指出，实践能力是“新工科”人才必须具备的基本能力之一。目前本科教育中实践教学环节薄弱，主要原因如下：第一，实验条件不足、实验平台造价高，大班授课模式下，很难保证每个学生都能有适合的实验平台。第二，实验平台难以与时俱进。物联网等技术发展迅速，理论教学更新后，配套的实验平台很难紧贴领域发展前沿。第三，实验平台简单，脱离实际应用场景。缺乏场景化的实验平台，使学生的学习往往停留在理论理解，而无法真正与实际应用相联系，进而导致学生学习积极性不高、动手能力差、创新思维不能得到良好的培养。
（三）校企两张皮问题严重，缺乏可行合作通道
“新工科”背景下，高校所培养的人才应且紧密结合社会需求。目前，高校本科教育普遍存在校企两张皮问题，多数为从高校到企业的单向驱动，存在“高校热企业冷”的现象。尽管近年来国家大力倡导校企联合办学与产学研用一体化，但是校企合作板块仍然较为松散，动力不足，形式化较为严重，因所合作的项目缺乏良好的约束机制而步履维艰，学生的培养目标与社会企业的需求差距较大。
（四）创新能力培养不足，科教分离较为严重
党的十八大以来，习近平总书记把创新摆在国家发展全局的核心位置，高度重视科技创新。创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，但目前我国的创新教育仍存在不足，主要原因有：部分学生在长期的应试教育下，已经养成了精神上的惰性，缺乏形成创造性思维的意识与习惯;对于高校科学研究的支持与建设，很难覆盖本科生创新能力的培养，存在科教分离;教学过程中一味空泛地谈创新，无法给学生具体的指导，导致学生想创新但不知道如何创新，使创新难以落到实处。
二、理实一体化工程应用型人才培养新模式
针对上述教学问题，北京大学充分借鉴已有教改研究成果与方法，采用以“学生”为中心的培养模式，在培养过程中重基础、重开发、重设计、重创造，探索出一条“科教、产教、赛教”三维融合的理实一体化工程应用创新型人才培养模式，全面提升学生的工程应用能力与创新能力。
（一）重组课程群，理论教学高阶化
为适应新工科建设对自动化专业卓越工程人才的需要，北方工业大学自动化专业以“创新实验班”为试点，采用分层分流策略，在大三阶段将自动化专业课分为智能机器人与智能制造（智能工业控制系统）两个专业方向，并针对这两个方向设计相应的教学组及课程群，经过两年实践，现已将该培养方案推广到全体自动化专业学生。
立足智能机器人和智能制造新工科专业方向，对自动化专业的课程体系进行全面改革，依据社会对学生能力的培养需求，将课程分为基础层、技能层、核心层与目标层。
为了提高学生的实际动手操作能力，重点将技能层分为软件设计课程群与硬件设计课程群，并配套相应教学团队与教材。其中，技能层又分为基础知识、工程技能、产品开发、系统设计等四个层面。基础知识包含“信号分析与处理”“数字图像处理”等课程;工程技能包含“PLC技术与应用”“电子线路CAD”“嵌入式系统开发”等课程;产品开发包括“物联网技术与应用”“智能设备开发”“无线传感器网络”等课程;系统设计层包含“自动化系统设计”“计算机控制系统设计”“毕业设计”等课程。
为了便于学生将所学知识成功转化，在教学过程中应充分考虑与科研项目紧密结合的方式。北方工业大学现场总线技术及自动化北京市重点实验室历年来面向工业自动化、智能交通、有色冶金、环保控制等领域，在现场总线、物联网技术、环保仪器设备开发等方面进行了大量研究，研究所需的软件与硬件知识均与本专业培养能力密切相关。依托现场总线重点实验室，本课程组主要承担了自动化专业的硬件设计模块下的大部分课程。依据新版自动化人才培养方案，对课程群重新改组，深入分析各环节对学生能力的培养效果与实际，对硬件开发课程体系与课程设置进行了全方位的调整。
重组课程群后，在教学内容与教学方式上也进行了相应改进，为打破传统教学模式与教学资源普遍存在的“内容驱动”的理论深、要求高，概念抽象、公式繁多、晦涩难懂、学生学习兴趣不高等问题，探索并实施一种新的“任务驱动”型教学模式。
首先，将硬件设计课程群依据任务驱动，重组为“基础知识—工程技能—产品开发—系统设计”四部分，逐步提升课程的难度与高阶性。在教学内容方面也改变改以往以内容知识点贯穿的方式，依据任务驱动，对课程内容按项目任务划分，让学生学习一门课程完成一项具体任务为主线，每个知识点紧密围绕这条主线，最终目标通过实际任务来验证。按照此教学模式重新整理教学资源，新编两部教材《施耐德Premium/M340PLC实用教程》与《罗克韦尔ControlLogix PLC实用教程》，该教材已服务并应用于多个兄弟院校。
近年来，为积极贯彻落实全国高校思想政治工作会议及《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》等重要文件精神，如何以立德树人、育才造士为目标，有意识、有计划、有目的地将学科文化、职业规范、道德操守、精神内涵等有机融入教学过程，实现课程思政引领教学全流程成为高等教育教学改革的重中之重。
本文深入挖掘思政元素，立足自动化专业顶层设计，依托现场总线技术及自动化北京市重点实验室实际科研课题，围绕国产元器件自主开发等卡脖子需求，从“理念、技术、制度”三個角度融入思政内容。
（二）虚实结合，实践教学科研化
在理论教改的基础上，为实现情景化教学，北方工业大学自动化专业搭建了场景化实验室作为学生的综合实践基地，本教学团队立足北京市现场总线重点实验室，从底层设计与开发的技术层面（如嵌入式软件开发能力、PLC操作能力、CAD画图能力等）服务于学生的场景化实践能力，分别从实践仿真平台与虚拟仿真平台两方面展开研究。
一方面，针对实验平台老旧、与培养目标不匹配的问题，以“自制实验设备”为创新实践主轴，服务于教学培养主轴各环节具体需求。首先，将实验教学仪器开发作为科研项目的重要板块，提出了“需求分析—科研立项—自制开发—成果转化—实践教学—迭代更新”一体化科教融合路线。首先，课程组将任务分解，形成多个内容明确、分工合理、接口清晰、工作量相当、难度适宜的子课题，通过开放实验室课题和毕业设计课题的方式吸纳学生参与，以任务书的形式指导学生;由实验室科研岗专职教师带领研究生和本科生形成梯队化培养团队;在平台开发完成后，由学生自主进行实验内容的组织和撰写，形成完整的实验指导书和配套软件。
为服务自动化专业课程实践教学，依托重点实验室项目，由实验室专任科研教师指导学生，师生共同研制了面向工控网络、过程控制、机器人、虚拟仿真等四大类共16种创新实验平台。
上述自制实验平台除在本校应用外，在相关企业与兄弟院校产学研也得到了大力推广应用，分别推广到清华大学、华北电力大学、北京电子科技职业学院、北京物资学院、北京印刷学院、北京工商大学、西安邮电大学等11所高校。
为进一步优化实验平台，形成学生能力培养闭环，达到持续更新，与时俱进的效用，针对上述教学实验平台的后续改进，借鉴PDCA教学模式，构建了“高校—学生—企业—兄弟院校”四方联合评价机制。围绕自制教学仪器，由教师带领学生研发更新，学生通过参与课堂配套实验的方式实际应用到所开的平台，进而对该平台形成反馈意见;研制的平台通过与企业进行成果转化，企业对其形成综合评价意见;此外，合作的兄弟院校使用该平台后亦会形成相应的评价，通过调查问卷与调研等方式，收集多方意见，对产品进行改造升级，最终实现该培养模式与自制平台的全方位反馈滚动优化。
在虚拟仿真平台建设方面，基于自动化专业课程实验特点，本着为自动化系统设计和开发类课程的实践教学环节提供创新实验平台的目的，开发了基于半实物仿真的虚拟-实体实验对象及快速原型控制器，设计了基于机器人、机械臂等创新实验对象的硬件在回路实验系统，开发了基于快速原型（RCP）技术的网络化控制器与实验设备。该设备为学生提供实体设备和虚拟设备两类被控对象，实体设备有实际的控制对象，虚拟设备则相反，通过虚拟化的三维模型替代实体实验对象进行控制，通过可视化界面对控制对象的运行状态进行实时观察和监测，直观地展现其控制过程和控制效果，让学生能针对典型实验对象快速实现自己的设计目标，通过图形化的方式对机器人、机械臂等综合实验对象进行控制和监控，在线调节参数。
（三）赛教融合，第二课堂创新化
为全面提升学生的创新、创业、创造能力，课程组以兴趣为导向，以国内外重要学科竞赛为依托，结合本专业在自动化、人工智能、工业物联网领域的优势，围绕实践基地建设、第二课堂建设、指导教师团队建设、训练制度建设、竞赛平台建设以及“师、生、研、本”多方传帮带竞赛机制等方面，鼓励学生动手，强调工程教学的实践化，营造了良好的学科竞赛氛围，力争达到通过“创业教育课、大学生创新项目、科技竞赛、创业孵化”，全面提升学生的创新创业创造能力。
成立了西门子Campus-Hub校园学习中心、钢铁侠协同育人创新中心以及珞石产学研实验室，依托中国机器人大赛、“挑战杯”、西门子智能制造挑战赛、飞思卡尔智能汽车大赛等大学生科技竞赛平台，为学生配备专任科技竞赛指导教师，提供无人机、无人车、智能机器人、机械臂等参赛设备，提供充足的实验经费;完善多种激励与奖励措施，将竞赛获奖成绩作为奖学金评定与保研资格评定的重要指标，极大地激发学生参与竞赛的积极性;在竞赛过程中重视学生对高水平研究、发明专利提炼等能力的提升，鼓励学生从科研项目中提炼竞赛方案，通过竞赛的经验提升学生的科研创新能力，最终引导学生自主设计并实现复杂的控制系统，形成闭环。
综上，依托现场总线重点实验室科研项目，通过“理实结合、虚实结合”，采用创新实践主轴服务于教学培养主轴的方式，最终形成了“研—学—产—用”一体化培养模式，主要体现在：
1. 研：在校内科研基地（北京市重点实验室）立项并组织实施，将需求分解为内容明确、难度适中、接口合理的多个子任务，通过开放课题、竞赛、毕设、实习等形式吸纳学生投入研发过程，培养创新实践能力。
2. 学：将研制的实验设备服务于教学、实验、竞赛、毕设等教学培养主轴各环节，鼓励学生积极参与，形成闭环。
3. 产：以产品示范、校外实习、输送优秀毕业生到合作企业就业等形式与产学研基地合作，实现成果的转化和推广。
4. 用：对自制实验设备进行产品化，在兄弟院校推广应用;基于应用组织的反馈对自制教学产品迭代优化，对学生能力进行评估，最终实现滚动式发展。
三、结语
近年来，高新信息技术得到了迅猛发展，传统自动化专业迎来了更大的挑战与机遇，兼具创新意识与实践动手能力的高素质创新型人才的需求日益突显。在此背景下，针对自动专业教学中存在的模式呆板内容陈旧、情景化实践教学平台缺乏、人才培养与社会需求脱节、创新能力培养不足等问题，如何探索并发展出一条全面提升学生动手应用能力，与时俱进，且能真正实现知识直接转化应用的教学体系成为各高校亟待解决的难题。
本文面向新工科建设，为全面提升自动化专业高水平应用型人才培养质量，提出了一种“科—产—赛”与“理—实—创”两线三维的工程应用型人才培养模式。首先分析了目前自动化专业人才培养存在的主要问题，依托北京市重点实验室，探索并实践出一条以自制实验设备为创新实践主轴，服务于教学培养主轴各环节具体需求的培养方式，通过“科教、产教、赛赛”三维高度融合，提升理论与实践相融合的层次与水平，实现“研—学—产—用”一体化的培养效果，为新工科人才培养提供借鉴与参考。
参考文献：
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[4] 王鉴雪，杨兔珍，陈红梅. 推动抑或牵引：混合式课程自主学习投入的困境與破解[J]. 黑龙江高教研究，2021，39（09）：156-160.
[5] 李绍纯，耿永娟，候东帅. 应用型本科院校产教融合现状及对策研究[J]. 高教学刊，2020（32）：77-80.
（责任编辑：胡甜甜）
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