数智化时代自动化专业实验教学体系改革探索

［摘 要］ 基于互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术相互融合与集成创新，推动社会迈向人机协同、跨界融合、共创共享的数智化时代。在此背景下，深刻分析了自动化专业人才培养面临的问题与挑战，提出了“一中心五融合”的实验教学理念，优化教学模式，形成了“五类型、五模块、三平台”的实验教学体系。通过重构实验教学体系，为人才培养提供了有力保障，将更好地服务于自动化专业实验基础建设，也为相关专业课程改革提供了一定的借鉴。

［关键词］ 数智化时代；一中心五融合；实验教学体系；人才培养

［基金项目］ 2021年度西安科技大学校级教育教学改革研究项目“‘多维协同、多模共享’式自动化专业实验教学改革探索”（JG21044）；2021年度西安科技大学校级教育教学改革研究项目“‘人工智能’视阈下自动化类专业人才培养体系重构的研究与实践”（JG21005）

［作者简介］ 高 瑞（1991—），男，陕西榆林人，硕士，西安科技大学电气与控制工程学院工程师，主要从事计算机视觉与智能控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）47-0073-04 ［收稿日期］ 2023-11-30

引言

以互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术相互融合、集成创新、充分运用，推动社会迈向人机协同、跨界融合、共创共享的数智化时代［1］。2022年12月21日，教育部部长怀进鹏在《人民日报》撰文指出，“推进教育数字化”是新时代加快建设教育强国的总体方向和重点任务之一。高等教育作为新一代信息技术的研究主体和应用领域，相较于其他教育阶段，将最先迎来数智化转型的机遇。

我国的自动化专业有比较悠久的历史（1952年起已有70多年历史），从自动化专业成立以来，就一直是国家急需的专业之一。在专业培养目标上，一直坚持宽口径“通才”，这使得自动化专业成为我国工科专业中为数极少的没有对口行业的专业之一。如今，在数智化时代背景下，自动化专业人才培养毫无疑问地面临着一系列的问题与挑战。

一、数智化时代背景下自动化专业实验教学面临的问题与挑战

（一）数智化时代教学方式面临的挑战

自动化专业需要学生掌握多种知识和技能，包括计算机、通信、电子、控制等多个领域，然而传统的教学方式往往难以满足学生的需求。数智技术赋能教育，拓展了教学方式，以更好地适应学生的需求和时代的发展。另外，自动化专业需要培养学生的实践能力和创新精神，但传统的实验教学往往存在实验设备不足、实验内容单一等问题。因此，需要引入更加智能化的实验教学手段，如虚拟仿真、远程实验等，以提高实验教学的效果和质量。最终在数智化时代，学生的学习需求和特点更加多样化，教学依旧遵循“因材施教、有教无类”的教学原则，“因材”更加注重精准，推动教学方式由“以教定学”向“以学定教”转变。

（二）数智化时代教师素养面临的挑战

教师是教育数字化战略得以落地、教育理念创新与教育模式深刻变革得以实现的核心力量。因此，高校教师须积极应对数智化时代新型学习环境提出的挑战，提升自身的“数智力”，从传统教育素养向数字素养拓展［2］。2022年12月2日，教育部发布了《教师数字素养》教育行业标准。另外，数智化时代知识生产模式体现为以应用驱动为导向，体现了跨学科和多学科融合以及知识生产参与者的多样性和异质性，这使基于单一学科知识传授的传统教师角色面临严峻的挑战。数智化时代学生亦是知识创生的主体，改变了以教师为中心的传统课堂［3］，使教学成为一种以学习者为中心的动态知识建构过程，对教师的教学能力和专业素养都提出了更高的要求。

（三）数智化时代教学内容面临的挑战

自动化领域的知识和技术更新加快，专业知识不再仅仅来源于书本，还来自全球网络与信息资源，源自工程与理论实践知识。因此需要不断更新和优化教学内容，以适应时代的要求和学生的需求。自动化专业需要多学科交叉融合，但现有的教学内容缺乏跨学科的整合和贯通。因此，需要加强跨学科的课程设置，培养学生的综合素质和创新能力。数智技术赋能高等教育有助于突破传统时空限制，这使得教学内容的表征方式由静态、平面、线性转为动态、立体、交互，使得教学内容的组织、呈现及讲授向着信息化、数字化、智能化等特征知识与内容发展。

二、自动化专业实验教学体系重构

借助专业认证［4］、一流专业、一流课程、新工科专业建设［5］等高等教育新变化，对标教学评估观测点，夯实基础，全面落实立德树人根本任务，打造新时代一流专业实验教学。结合学校特色优势，关联矿山信息化、数字化、智能化等实际场景，嵌入本专业研究方向，更好地开展自动化专业实验教学工作。

（一）“一中心五融合”教学理念

以往的实验教学通常是教师讲授和演示，学生被动学习。此种教学模式下，容易导致实验教学脱离实际、传统单一、拓展性差及学赛融合不紧密；学生缺乏主动探索和外延创新的意识，限制了学生专业能力的提升，在未来发展中有一定的局限性。

参照《自动化类教学质量国家标准》与工程教育认证的相关要求，建设“高质量、满意型”实验教学体系，提出以学生为中心，多主体融合、多学科融合、多维度融合、多层次融合以及学赛融合的数智化时代“一中心五融合”的实验教学育人新理念。通过重构实验教学体系，采用科学的考核评价机制反哺理念创新，形成健全闭环的实验教学新模式。

（二）实验教学新模式

教学理念的落实需要教学模式作为载体，在分析了自动化专业实验教学存在的问题后，建立“学生自主协作”和以“学生为主体”的教师助导教学新模式，如图1所示。教师启发引导，学生通过自主设计、自主创新和小组协作的教学模式搭配新颖的课堂教学和教学方法，从而实现“学中做、做中学、做中思”，全方位培养学生的知识获取、认知重构和创新实践能力，同时培养学生的批判性和创新性思维，提升课堂教学和学习效果。

实验教学管理系统方面，通过远程在线管理，集多种管理和应用功能于一体的师生共用系统，针对不同实验需求开发、适配多种应用需求和场景。教学管理要做到：（1）实验过程全面质量管控：从实验到课出勤、实验过程辅导检查、实验数据差错分析及数据的合格验收等方面，严格实验过程的质量保证，把实验教学质量落实到日常教学细节中，为学生学习后续课程打下坚实基础。（2）多方位成绩评价：课程考核评价应遵循全过程、多样化、考能力的原则，成绩的评定分为实验课的出勤和实验过程的检查、实验数据的合格验收、实验报告的完整、实验数据的分析及课后总结思考；另外针对创新型、开放性题目，课前下发任务，课堂进行展示，对学生能力进行多方位的综合评价。以此推动教学评价改革，丰富考评内容，加强学生课堂内外、线上线下评价［6］，强化数智化能力考查，拓展教师教学和学生学习的广度。

（三）重构实验教学体系

针对多主体融合，可结合行业优势进行校内融合、省内外高校间融合、校企融合及各类协会学习。通过多主体共研共商共建，使实验教学更加趋近现场实际和专业类发展热点。具体有深化产学研校企合作［7］，与国家能源集团、陕煤集团、山东能源、平煤集团、山西焦煤集团等煤矿类企业交流商讨符合数智化时代的实验创新项目。例如矿井皮带系统异物识别与定位抓取，煤矿智能钻探视频识别分析，基于机器视觉的齿轮箱齿面损伤智能检测等实验项目，从项目实现角度出发，以建模、仿真、设计、部署为实验思路，使学生熟悉一个完整的工程项目，培养学生解决复杂工程问题的能力。

针对多学科融合，可借鉴自动化交叉课程、机器人交叉课程、智能化交叉课程等理论知识，利用电路实验室、自动控制原理实验室、电机与拖动实验室、嵌入式系统（ARM）实验室、集散控制（DCS）实验室、虚拟仪器实验室、电力电子技术/运动控制实验室、单片机实验室及PLC系列实验室，开设综合类实验室，可实现跨学科课程教学实验，集成智能测量仪器、嵌入式设计机器人学等技术，同时结合人工智能、大数据等专业知识作为新发展方向，搭载前沿深度学习框架，将多学科理论知识相融合。基础平台可用于电子电路验证、测试测量等教学；还可以搭配更多的实验拓展板，帮助学生掌握经典控制理论、现代控制理论及智能控制等知识和技能，更好地服务于自动化专业实验教学。

针对多维度融合，采用地面—井下、本地—云端、近端—远程、现实—虚拟等方式助力实验教学体系。搭载专业基础实验、模拟矿井实验、虚拟仿真实验、矿山数字建模以及机器人开发设计等，多维度、更精确、更高效、更节能地实现模型构建和解决实际问题。如将传统的自动化专业实验教学与互联网特性相结合，融合远程教学、多平台访问、网络化实验资源等形成一体化教学解决方案。培养学生分析与改善实验性能的能力，引导学生勇于挑战新型自动控制系统的创新设计。

针对多层次融合，利用基础实验基地、工程实训基地、创新创业实训基地和科研实验室，满足不同阶段、不同层级的实验设计需求，满足学生四年专业方向阶梯式学习，同时可助力部分拟攻读研究生的学生进阶研究。提高学生的实践能力、工程应用能力、创新能力和综合素质，为实现培养具有创新精神的高素质复合型、应用型人才的培养目标提供支撑，同时输送一批具有开拓创新能力的研究生队伍。

针对学赛融合，在实验课题中融入近年来学科竞赛的各类题目，分组分类匹配实验内容，同时鼓励学生参加全国大学生创新创业训练计划项目、“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、全国大学生电子设计竞赛、中国机器人及人工智能大赛、“西门子杯”中国智能制造挑战赛、全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛等，达到以赛促学、延伸拓展的目的。

通过以上方式升级实验教学内容，打破实验教学壁垒，整合优化贯通实验教学内容，围绕工程能力培养、工程思维养成和实践应用训练等，形成“五类型、五模块、三平台”实验教学体系，如图2所示。结合实验教学模式、实验教学管理以及教学体系实施，达到自动化专业人才全面闭环培养。

同时依托“两性一度”“金课”理念［8］，以“专+思+创”为引领，在专业教育中融入课程思政，推进多学科知识交叉融合的新课程建设。思政铸魂，包含家国情怀、科技前沿、工匠精神和专业关注等多方位思政元素［9］。加强学生学习自动化专业实验课程，坚定学生从事数智化时代下的自动化相关行业的信念。

结语

综上分析，数智化时代正在不断重塑经济社会和高等教育的形态，加快了知识和技能的淘汰与更新，引发了知识获取方式和传授方式、教学关系的深刻变革。在此时代背景下，文章深刻分析了自动化专业人才培养面临的问题与挑战，提出了实验教学新理念、实验教学新模式，并对实验教学体系进行重构。希望通过本文的分析，能够为自动化专业实验教学改革或是相关专业课程的教学方法和模式改革提供一种新思路。

参考文献

［1］胡延彦.“数智化”背景下新商科人才培养优化策略研究［J］.现代商贸工业，2023，44（23）：74-77.

［2］史琪.基于“OBE理念+123459框架”的数智化会计专业人才培养研究［J］.商业会计，2023（13）：122-125.

［3］唐求，张小刚，张帆，等.“新工科”背景下“自动控制原理”课程“三结合”实验教学模式改革［J］.实验技术与管理，2021（3）：197-200.

［4］郝帅，马旭，孙思雅，等.基于OBE理念的《电机学》课程教学改革［J］.教育教学论坛，2020（10）：174-175.

［5］王青青，梁家海，袁裕发，等.基于新工科的物联网工程专业STEM人才培养模式研究［J］.教育教学论坛，2023（35）：5-8.

［6］谢毓湘，栾悉道，魏迎梅，等.混合式教学模式下课程考核方法研究［J］.教育教学论坛，2023（44）：10-13.