新工科背景下“四维一体”进阶式新型教学体系

［摘 要］ 面向现代新型工程人才的社会需求，设计了成果导向的电气控制技术方向新型教学体系，以满足自动化专业解决复杂工程问题能力的培养要求。同时，在教学方式和教学方法上改革创新，引入企业工程实践项目，进行项目化教学改革，课内外相结合，探索实践了课程+项目+实习+竞赛“四维一体”进阶的培养模式。教学方案的实施取得了良好的教学效果，学生从中获得了运用工程原理解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 解决复杂工程问题；成果导向；项目化教学

［基金项目］ 2023年度大连民族大学本科教育教学改革研究与实践重点项目“构建成果导向的电气控制技术方向新型教学体系，培养新工科人才”（ZD202336）；2021年度大连民族大学本科教育教学改革研究与实践项目“集散控制系统与现场总线课程线上线下混合式教学一体化设计与实践”（YB2021061）；2020年度大连民族大学一流本科课程建设项目“集散系统与现场总线技术”（YLKC21053）

［作者简介］ 张明君（1966—），女，吉林吉林人，博士，大连民族大学机电工程学院教授，主要从事智能控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）36-0073-05 ［收稿日期］ 2023-08-15

现代新型工程人才是推动制造业转型升级、实现“中国制造2025”战略的关键要素。地方高校作为高等工程教育的中坚力量，在新工科背景下如何培养出高素质、高水平的未来工程师，是一项重要而急迫的任务［1］。

工业4.0时代具有高度自动化、高度信息化及高度网络化三个特征［2］。但已有的工科课程体系以传统教学内容为主，教学更新普遍滞后于工业技术的发展速度，难以满足新经济背景下对新工科人才的知识结构和工程能力的要求。地方高校现有的培养方案和课程体系主要构成要素是知识，侧重完整地传授专业知识，而符合工程教育的知识与能力培养体系尚未建立［3］。虽然我国高等工程教育的规模已经位居世界第一，但要成为世界高等工程教育强国并培养出一大批卓越工程师，还任重道远［4］。

面向新一轮科技革命和产业变革，世界范围内的高校在广泛探索工程教育改革的新路径和新模式。例如，麻省理工学院的“新工程教育转型”（NEET）计划、斯坦福大学的技术创业项目（STVP）、康奈尔大学的AguaClara项目等［5］，都围绕以学生为中心、回归工程实践和跨学科教育进行改革探索。我国部分高校在工程教育中也积极探索实践。例如，浙江大学工程师学院将工程教育与工程实践相结合，破除学科专业壁垒，面向以智能化为特征的产业前沿领域工程实践问题的改革实践，提出了工程教育创新范式［6］；北京理工大学依托核心课程、企业需求、竞赛要求打造三类项目制课程，以优势工科为代表创新智慧化、研究型、项目制课程，建立智慧教育体系新范式［5］。可见，以学生为中心、回归工程实践、面向产业前沿、多种课程平台的人才培养成了现代工程教育改革的新路径和新模式，为各高校的工程教育改革提供了参考。目前，我国高等工程教育仍存在供需矛盾、学校发展目标与模式趋同、教学体系不适应工程特点，以及对创新创业教育重视不足等问题［6］。

2016年6月，我国成为《华盛顿协议》第18个正式成员。工程教育专业认证已成为我国高等教育的重要组成部分。在工程教育专业认证框架下，高校开展有效的、深层的复杂工程问题能力培养的教学改革，以满足工程人才胜任复杂工程活动的要求，是近年来工科专业建设的重要任务。

自动化类专业作为典型的工程教育专业，面对新兴技术快速发展和不断更新，面对制造业、机器人等关联产业的加速升级，对工程教育的改革需求更为迫切。由于工程教育认证普遍起步较晚、专业实力不足等原因，导致地方本科高校的自动化类专业工程教育改革步伐参差不齐，仍存在一些亟待解决的问题。

一、目前教学中存在的主要问题

（一）教学内容和教学模式跟不上新技术的发展，不能完全满足社会人才需求

智能制造产业兴起、自动化技术的迅猛发展，现有的自动化朝着智能化、网络化的方向发展。由于高校现有教学内容和实验设备的滞后，电气控制方向中工控网络技术、新型人机交互技术等相关知识更新滞后技术发展，教学内容和教学模式跟不上社会发展需求，因此，出现毕业生与社会人才需求错位。

（二）解决复杂工程问题能力培养的教学目标不能有效落实

新技术的更新不是一两门课程能解决的问题，能力培养需要不断的实践训练和强化。传统课程体系的设计，将每门课程视为一个个相对独立、完整、边界清晰的知识单元，弱化了知识单元之间的联系，导致学生在解决复杂工程问题时，难以实现对不同学科知识的交叉融合和综合应用［7］，从而导致培养体系中知识学习与解决问题的关联性不明确，各门课程及实践环节衔接不够紧密。针对解决复杂工程问题能力培养的毕业要求指向性不强，支撑度不够，难以形成持续改进机制。

（三）面对教学的新挑战性，亟待教学方式的转变和教学方法的创新

随着新技术的不断更新，教学内容在不断增加，但专业课程的学时却不断压缩减少，教学要求和教学目标在不断提升，学生缺乏学习兴趣与学习动力的问题也普遍存在。因此，亟待解决教学手段和人才培养模式的改革创新问题，以激发学生的求知欲和学习热情，提高学生的获得感和知识应用能力，提升教学效果。

（四）需要进一步提高实践教学针对性，突出成果导向性

目前，实践课程大多是精准对应专业课程的知识点，跨学科的综合性实践项目偏少，缺乏融合性强的实验平台，且实验平台升级慢［8］。现有教学中，教学方法与教学目标不匹配，重知识、轻能力，重理论、轻实践，实践教学针对性不强，成果导向性不强的问题依然存在。

（五）需要课程思政与专业教育进一步有机融合

新工科人才培养不仅要面向社会需求、提高解决问题的能力，还要融入新的价值观、工程伦理、人文艺术素养等人文素质指标［9］。我们需要逐渐转变目前以知识传授为主的一元化教学方式，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一。因此，专业教育的内涵需要不断提升，课程思政与专业教育需要进一步有机融合，高素质的应用型专门人才的高素质特征培养才能有效落实。

针对上述问题，需要各高校在工程教育改革中，有针对性地、系统性地加以解决，才能从根本上提升工程教育质量，提高人才培养质量。

二、新型课程体系改革探究

现代新型工程人才的培养要求以及工程教育专业认证的推进，都要求高校在教学内容、教学方法手段和教学模式方面不断探索，以适应新经济环境下产业升级对工程人才的需求。针对上述问题，大连民族大学自动化专业以解决复杂工程问题能力培养为教学目标，瞄准自动化技术的智能化、网络化的发展方向，借鉴以学生为中心、回归工程实践、面向产业前沿、多种课程平台的人才培养的现代工程教育改革的新路径和新模式，对电气控制方向课程群进行教学改革，构建基于OBE教育理念的教学方案，探索实践“四维一体”进阶的培养模式，形成多门课程有机一体的、阶梯渐进的电气控制专业方向教学体系。

（一）面向网络化、智能化综合自动化控制领域，构建新的课程体系

为解决传统课程体系的滞后问题，使专业教学跟随新技术发展，大连民族大学自动化专业在课程体系构建过程中，首先面向智能制造产业增长点，瞄准自动化技术的智能化、网络化的发展方向，加强工业控制网络技术、新型电气控制技术、信息技术应用相关知识和实践训练内容，使人才培养各环节融会贯通，内容上不断叠加，能力训练上不断强化升级（教学项目从独立设备控制到组网控制，再到形成集散控制系统），各门课程和实践环节紧密衔接，形成有机整体。以解决复杂工程问题能力培养为教学目标，设计安排教学内容、开展教学活动、进行评价。按照从简单到复杂，从小规模到大规模，循序递进，构成体系［10］。设计构建了从电气设计基础、工业控制网络技术，以及人机交互技术的进阶式教学方案，最终形成面向网络化、智能化综合自动化控制系统的教学体系，与解决复杂工程问题能力培养的人才培养目标指向性一致，教学针对性更强。

整个教学体系以学科教育为基础，以课程思政为支撑，由专业基础训练教学平台、工程实践及创新训练教学平台、综合设计训练教学平台逐级进阶。学生能力培养效果通过阶段性成果体现学生的工程实践动手能力进阶式阶段性评价，并针对各培养阶段的教学目标进行持续改进。该体系为学生提供更加系统的知识体系，将系统知识体系与重要的工程实践领域对接［8］。

（二）创新教学方式和教学方法，探索成果导向的课程+项目+实习+竞赛“四维一体”进阶的培养模式

在教学体系改革的同时，进行教学方法和教学模式改革创新。以OBE工程教育认证理念为指导，完善培养方案，形成以学生为中心、成果导向的课程+项目+实习+竞赛“四维一体”进阶的人才培养模式。

1.教学方法。课堂讲授+MOOC学习翻转课堂+案例教学+任务驱动+实操训练+小组讨论。

2.教学模式。根据教学内容采用多模式结合：课程+项目+实习+竞赛。每个教学阶段都有阶段性项目和实践成果，实践促进理论升华，使能力培养显性化，评价多元化。

3.项目化教学。以电气控制技术课程设计为例，约32个真实工程项目，学生自主选做。以学生为主体，开展学生“自主设计+教师引导提问+讨论+调试答辩”方式的实践教学活动。学生自主分析、查阅资料、方案论证、设计和编程、现场调试。训练学生综合运用多门课程知识解决复杂环境中的工程问题。教师负责关键原理、方法引导，检查学生项目设计的可行性，验收实验结果，提问答辩等环节。

4.教学手段。利用信息技术、互联网技术和仿真技术等教学手段，促进教学方法的不断改进。

（三）在实践教学中引入企业项目，进行项目化教学改革

针对实践教学内容更新滞后、实践教学平台不完善、教学手段不丰富等问题，设计了新的实践教学方案，增加了实践的难度和训练度。引入罗克韦尔和西门子多种新型PLC和组态软件设计任务和实操训练项目，强化信息化集成控制方面创新能力和工程实践能力训练。设计系统化的教学项目，让学生在实践中学到新技术、掌握新方法、接触新设备，形成进阶提升的实践训练体系。

具有工程背景的企业项目设计，可以调动学生的求知欲和学习主动性。通过项目设计将创新思维和工程实践能力培养落实到教学环节中，紧跟知识和技术更新的步伐。企业最新的技术、设备和理念呈现在学生眼前，学生在项目任务驱动下进行原理学习、工程设计、实操调试，进而有效地缩短教学与企业技术进步之间的差距。学生在完成项目的过程中，不断培养提升面对问题的自主学习能力、规划与组织实施项目的能力、寻找所需知识并综合运用的能力以及解决复杂工程问题的能力［1］。

新的教学模式和教学体系，建立了从理论学习、动手实践再到探究学习的教学链条，项目设计贯穿实践教学全过程，实现理论教学与实践教学交叉螺旋进行，能力培养不断线，从而形成未来工程师的综合品质和工程能力，有益于对学生创新意识、科学素养、实践精神和团队合作精神的培养。

（四）完善实践教学平台，课内外相结合，形成人才培养新途径

近两年，大连民族大学自动化专业建设或完善了多个实践教学平台（见表1），建设教学资源库、教学案例库。建设了通用技术集团大连机床有限责任公司、奇瑞汽车股份有限公司大连分公司等多个校外实践基地，与罗克韦尔自动化有限公司、美国国家仪器（NI）有限公司、上海ABB工程有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、固高科技（深圳）有限公司、北京力控元通科技有限公司等公司签订了校企合作协议，开展项目式教学。

同时，课内外相结合，发挥教师工作室的培养作用，以教师科研课题、大学生创新创业项目、学科竞赛以及学生自发创意、自主创新项目为驱动，教师带领学生参与科研项目研发，开展课外创新实践活动、各级各类学科竞赛，开阔学生视野，提升实践能力，形成人才培养新途径。