“新工科”背景下以智能技术为牵引重构工程实践课程体系

仝月荣，陈江平，姜艳霞

（上海交通大学 学生创新中心，上海 200240）

纵观工业发展史，每一次产业革命都会因产业结构和经济形态的调整而大大促进教育和人才培养的变革发展。以蒸汽机为代表的机械化第一次工业革命、以电气化为标志的第二次工业革命、以信息化为标志的第三次工业革命，以及以“人大物云”为标志的第四次工业革命，都有一个共同的规律：科技创新驱动产业革命[1]。而这一规律背后的真正强大动力是教育和人才，发达国家的历史经验证明，主动调整高等教育结构、发展新型前沿学科专业，是推动国家和区域人力资本结构转变、实现从传统经济向新经济转变的核心要素[2]。为主动适应新一轮的科技革命和产业变革，支撑“中国制造2025”、创新驱动发展、“大众创业，万众创新”等一系列国家战略，培养一大批实践能力强、能够解决复杂工程问题的复合型、创新性工程人才，教育部积极推进“新工科”建设，开展高等工程教育的主动布局和深化改革，高校围绕人才培养结构、模式和内容积极开展变革探索。

课程体系是学校人才培养理念、人才培养目标的载体和依托。工程实践课程体系担负着培养学生实践能力和创新思维的重要职责，传统的工程实践课程体系因受到课程内容更新迭代缓慢滞后、师资水平较低、教学模式单一等多种因素制约无法对技术变革和社会需求迅速作出响应。各高校结合当前人才培养的新要求，开始对工程实践课程体系进行升级改革。而在新一轮的科技革命和产业变革中，人工智能、大数据、物联网、云计算等新技术发挥了极强的引领作用，成为实现我国科技跨越式发展、产业优化升级、生产力跃升的战略资源[3]。因此，如何适应创新人才培养的需求，将业界新技术资源引进学校并转化为育人资源，充实课程内容，赋能传统课程体系，使其焕发生机和活力，已成为高等工程教育改革的迫切所需。本文将结合我校学生创新中心转型发展建设经验，围绕首批国家双创示范基地建设，积极探索以产教深度融合为依托，以智能技术为牵引，面向时代发展需求的工程实践课程体系[4]。

1 传统工程实践课程体系存在的问题

实践教学是生成综合创新能力和工程实践能力的关键，是工程教育的核心环节。工程训练中心是工科高校实施工程实践教学的基础性平台，个别高校自20世纪90 年代开始探索实践工程训练中心建设，教育部通过实施“面向21 世纪的教学改革项目”、世界银行贷款“高等教育发展项目”等在部分高校进行布点示范，逐步明确工程实践教育教学改革方向，并通过为期5 年的“质量工程项目”将工程训练中心建设在全国高校中进行了快速推进和全面铺开[5]。可以说工程训练教学已经形成一种独立完整的实践教学体系。“新工科”建设强调工程教育要更具备实用性、交叉性与综合性，相比传统工科人才，未来新兴产业和新经济人才需要更深入的创新实践、学科交叉和产学结合[6]。按传统的电、铸、锻、压、焊、车、铣、刨、磨、钳等模块进行校内工程训练的传统实训课程体系、教学内容难以满足当下的产业现实需求，主要表现在以下几个方面。

（1）教学内容滞后于产业发展需要，迭代更新速度缓慢。金工实习作为高校实践教学的核心课程，其教学内涵和形式多年保持不变，“一把榔头打天下”，主要通过学习和实践车、铣、刨、磨等工种的工艺和操作培养学生的工程实践能力。使用的教学设备多年不变，很多设备工业界早已淘汰，滞后于信息化、智能化的生产加工工艺，造成教学与工程实际和科技发展需求脱节严重[7]。

（2）教学组织形式单一，教学模块之间相互孤立。在课程设置上，传统金工实习的车、铣、刨、磨和电子、电工模块等均是独立授课、独立考核，各模块交流较少，且有关联性模块在教学内容上有一定重复性。学生很难通过各个模块对工程实践产生一个系统的认识。交叉学科融汇度低，也导致学生在学习与专业契合度不大的模块时缺乏兴趣与热情。学生仍旧把工程实践仅当做一门理论与动手简单结合的课程来学习，没有建立大工程视野，综合能力培养不足[8]。

（3）重技术指导，轻文化渗透，课程体系中缺少文、管等相关内容设置。教学内容以专业知识讲解和设备操作为主，缺少培养国际工程教育必备素养中的团队合作能力、社会责任、保护环境意识、管理知识、伦理知识等综合素质的教学环节[9]，需要构建文工融合，以文化工的工程实践育人环境和资源。

（4）创新资源转化为育人资源，持续完善课程体系的机制尚不健全。工程实践教学覆盖面大、涉及学科多，因此对实践场地和硬件设施也有相应要求。而创新实验室的资源优势转化为育人优势的机制尚未形成，未能将学校科研优势转化为育人优势，需要探索和建设科教融合协同发展的模式。

2 以智能技术为牵引的工程实践课程体系构建与实践

2016 年，我校成功入围首批国家双创示范基地。为加快创新型人才培养，学校将原工程训练中心改建为学生创新中心。经过几年的建设，学生创新中心的各项工作成果赢得了校内外的高度认可。在课程体系方面，针对上述问题进行了系统改革。

2.1 落实“四位一体”人才培养理念，搭建进阶式工程实践课程体系框架

在学校总体的能力建设、知识探究、人格养成和价值引领“四位一体”培养理念下，学生创新中心秉承以学生为中心，以培养具有创新精神、实践能力、宽厚基础、人文情怀和全球视野的卓越创新人才作为目标，在保留并加强原有工程实践教学的基础上，对原有工程实践课程体系升级改造。“三横三纵”工程实践课程体系如图1 所示。

图1 “三横三纵”工程实践课程体系

课程框架以未来前沿技术为牵引，拓展教学领域，开展跨学科融合教学，建设体现产业和技术最新发展的新技术课程群。通过重构现有必修、通识核心、通选和公开课程，优化完善课程模块，构建多层次、模 块化、递进式、可持续改进的工程实践课程体系。在通识教育层面普及认知，强化实践，夯实基础；在专业兴趣层面进行技术探究，跟踪前沿，开阔眼界；在个人发展的层面训练竞赛，创新创业，志存高远。每个层次的教学内容都和学生的学习阶段和专业特点相适应。层次多样的课程架构既兼顾工程专业通性需求，又可以满足不同专业学生多样化的需求，让学生从一年级开始一直到毕业前都有机会进入学生创新中心选修不同课程，进行不同层次的工程技术实践训练，有计划地做到夯实基础、宽口径教育，从而培养学生的实践动手能力、工程素质和创新能力，增强学生的综合能力。

2.2 持续改进和整合工程实践课程体系的举措及实施路径

为缩短工程实践与业界实际差距，以产教融合为依托，持续引进业界优质资源赋能传统实践课程体系。围绕IT、机器人、无人机、智能制造等创新实验室的建设，校企共建，逐步将企业资源以建成通选课，嵌入通识核心课程、必修课程模块等学分课程的方式融入学校工程实践课程体系。一方面，通过建设系列校企合作精品课程及深化工程认知和工程技术探究两门通识核心课程的改革，构建面向全校本科生，以智能新技术为牵引，融合商科、设计、文化、艺术等相关内容，着力综合素养提升的通识实践课程系列。另一方面，在通识实践体系中通过校企合作形成的创新模式和内容，通过工程实践课程持续输入工程实践训练体系之中，不断改进工程实训的教学内容和组织形式，为传统工程实训课程带来生机和活力。工程实践课程体系构建举措和实施路径如图2所示。

图2 工程实践课程体系构建举措和实施路径

2.3 以智能技术为牵引的模块化、融合性通识工程实践教学内容

工程技术探究作为高阶通识实践核心课程，以Fab-lab 创新实验室为依托，通过将实验室的创新优势转化为育人资源的模式深化课程改革，课程由两位教授领衔的团队主讲，内容涉及环境、材料、生命、机器人、IT、无人车、无人机等多领域，为本科生开展工程技术探究开启良好开端。课程分为必修和选修模块，必修模块为2 学时的工程技术探究概论，从大工程角度讲述工程技术的重要性以及广泛的应用性，深入浅出的分析现代背景下工程技术的前景和发展方向，让学生对工程技术建立初步的理解和认识。选修部分共多个模块，为不同专业背景和学习兴趣的学生提供了多元化的选择。每位学生可以选择感兴趣的模块，深入了解和学习相关技术内容，从不同的角度对工程技术进行思考与探究。工程技术探究课程教学和组织形式如图3 所示。

图3 工程技术探究课程教学和组织形式

（1）嵌入文化、经管内容，形成文工融合的宽厚工程通识实践教育新范式。在通识教育模块中依托通识核心课程，以文辅工，将项目管理、财务预算、成本工程、外观设计、法律合规等内容覆盖到工程实践中。考虑技术的社会效益和商业化目标，将单纯的技术创新变为系统性的工程问题解决方案，通过综合训练，提升学生的统筹协调、管理领导能力，提高学生综合素养。以文化工，以使命为驱动，将工程伦理、职业文化有机融入实践教学，技术报国，弘扬大国工匠精神，培育能力强、有担当、敢负责的国家栋梁。

（2）产教融合建校企精品课，筹建未来技术型辅修专业。积极深化校企合作关系，采用面上拓展与点上深挖相结合的形式促进产教深度融合。在校企课程建设中，以行业领军企业为标杆，积极同华为，腾讯，英特尔，谷歌，德州仪器，NI 等公司开展深度的课程合作，邀请企业工程师来校授课，提升课程的深度和广度。同时将课程同比赛相结合，以赛促学，打通理论课堂同实践相结合的通道。按照“金课”建设标准打造一批校企合作精品课程，依托校企精品课程群构建面向未来技术的辅修专业，系统培养国家战略需求的创新型工程人才。

2.4 分类分层、线上线下、项目引导推进工程实训课程改革

项目式教学是一种以学生为中心，使学生通过积极探索现实生活中的挑战，解决实际存在的问题来获取知识的一种教学方法[10]。工程实训教学改革采用项目式教学，串联整合各相关教学模块，将学、思、练、用有机结合，同时，根据学生情况及实际需求进行分类分层，线上线下相结合，系统培养学生的工程实践能力。

（1）课程组织。以系统工程思维整合教学模块。从系统工程的角度引导学生开展实践学习，覆盖项目开发的全流程。多模块联合实践教学在项目引导式实践教学的基础上，将有关联的各个模块有效地融合在一起，去除重复的教学内容，将各模块无缝连接。

（2）内容安排。采用“概论课—各实践模块理论教学—总结与项目引导”这种“总—分—总”的方式，从初步了解到理论学习再到系统地梳理，递进式地让学生了解工程实践的系统性、各个模块的关联性。项目引导式联合实践课程改革，打破传统的教学设计思路，创设真实问题开展情景式教学。小组合作学习，以学生为中心的主动式学习，培养学生解决产业复杂问题的综合能力。项目引导式实践能够促进学生主动思考，探索理论与实践的结合；以团队形式，解决项目开发过程中出现的各类问题，能够锻炼学生在团队协作中的各项能力。

（3）教学形式。中心结合当今学生学习习惯采用依赖信息技术，收集相关教学材料开展网络教学、录制微课等，针对不同的学生群体，实施线上线下结合的教学模式，实现优质教学资源的开源。学生也可以根据自身的基础和专业需求，自主安排学习时间和拓展学习内容。

2.5 依托新技术创新实验室建设，通过产教深度合作，将创新优势资源转化为育人资源

通过前期建设，中心建设了无人机、机器人、智能制造、IT、Fab-lab 等创新实验室，并依托创新实验室的相关方向充分开展与业界的深入合作，形成了师资、前沿技术、应用场景、教学案例等创新资源。中心及时整合实践创新资源，并将其注入通识课、选修课、实践必修课、工程导论等课程中，将创新优质资源转化为育人资源（见图4），从而提升学生的眼界、思路和对事物的认知，逐渐形成创新资源转化为育人资源的长效机制。

图4 将创新优势资源转化为育人资源

2.6 多措并举，保障教学质量

（1）构建高水平师资队伍，提升教学水平。高水平的师资队伍是课程顺利开展的必要保障。通过探寻灵活多样的人员聘用方式，积极导入外部优质资源，从社会各行业、优秀合作伙伴中寻找符合需求的高层次人员，参与创新课程讲授及创新指导工作，为学生近距离接触行业前沿知识创造条件，从而为工程实践课程体系改革发挥引领作用。进行多途径内部培育，提升现有师资水平。一是将优秀专家“请进来”，聘请校内外优秀专家学者，组织开展各种类型的师资培训；二是组织教职工“走出去”，组织教师赴兄弟高校调研学习，赴优秀企业参观学习，派遣教师到国外高校学习交流，开拓教职工视野；三是积极加强内部融合沟通，实现优势互补，积极组织各类体验式学习和团队活动，开展科研创新与基础实践互补互通。

（2）构建多层次、全过程、全方位质控体系，保障教学质量。形成教学指导委员会、教学督导组、教研组、实验室层次化的质控体系，对教学环节的全过程监督指导，保障教学质量。教学指导委员会负责对工程实践教学进行顶层设计和规划指导，包含课程定位、教学方案和培养目标等；教学督导组进行教学过程监督、质量检查和指导；教研组按团队教学，汇聚教师个人智慧，共编教学大纲和教案，合力打造工程实践“金课”，并对学生学习效果进行评定。

3 以智能技术为牵引的工程实践课程体系建设成效

中心聚焦课程这一教育最核心的要素，以“学生中心、未来科技、学科交叉、持续改进”理念为改革方向，采用项目引导式教学模式，工文融合，实现学生分类发展。同时加强师资队伍建设，构建了教学质量控制体系，为教学效果提供保障。经过一段时间的实践，已经初见成效。

3.1 初步建成以智能技术为牵引的校企合作课程群

中心建设了体现产业和技术最新发展的新课程群，包括物联网、无人机、机器人、AI、智能网络技术、材环化分技术、新能源技术、新材料制造技术（3D打印等）。重点推进人工智能+、互联网+、机器人、增材制造、虚拟仿真等课程群建设。这些课程以行业企业的前沿技术为牵引，采用校企合作共建共行的模式以讲座、训练营和学分课等形式进入学校课堂，一座难求，受到学生充分的认可。2019 年度校企合作共建课程群如图5 所示。

图5 2019 年度校企合作共建课程群

3.2 校企协同育人模式初步形成

近年来，学生创新中心与国际一流公司、国内外科技企业、大型国企、优秀初创公司、研究机构、创业园区等建立起良好的合作关系，合作单位已近80家，共建有多个联合创新人才中心，引入多种最新的企业技术开发平台。

经过几年的建设，中心共聘任120 多名企业导师，校企的课程已经有了广泛的覆盖面，涉及各个方向。每年开设公开课、选修课、通识课等多种类型的企业课程30 多门，并有部分企业教学单元进入基础实践教学体系，与华为和NI 的合作模式也推广到国内众多兄弟院校。同华为合作的物联网课程和人工智能公开课，孵化出来两支冠军队伍，发挥了校企融合的重要作用。

校企合作开展了多种形式的校企合作专题活动，包括多场前沿技术讲座与工作坊，开设不同专题的师资培训，设立多个由行业优秀的工程师对学生进行指导的企业创新实践课题，指导学生通过企业技术认证和提供企业观摩与实习的机会等，为学生和教师提供了实践、探究的空间和条件，提供零距离接触行业前沿科技的良好机会。

3.3 良好的创新实践氛围初具效应

在我校学生创新中心，诞生了以机器人、智能驾驶、无人机等为主题的6 大竞赛科创社团。截至2019年，社团已经吸引了超过800 名学生进行科创竞赛活动，参加了包括RoboMaster 机甲大师赛、世界头脑奥林匹克竞赛等国内外著名机器人赛事，收获颇丰，并于2019 年获评优秀中美青年创客交流中心，进一步提升了学生创新中心在学生科技创新方面的国际知名度。目前，中心已经建立健全全覆盖“基础实践训练—交叉创新研究—创新创业教育”的实践体系，学生创新创业氛围空前浓厚，已经越来越成为人气创新磁场与创新乐园。

4 结语

中心积极探索在新时代下工程实践课程体系改革，通过线上线下、分层分类、项目引导、模块整合的工程实训课程教学新模式，嵌入文化、管理等教学内容，形成一套新形势下以智能技术为牵引、基于项目式教学、文工融合的可持续改进工程实践课程体系，并在学校创新人才培养中发挥作用。下一步中心将依托产教深度融合，持续改进教学内容和形式，打造校企合作精品课程群，建成一个未来技术辅修专业，发挥其辐射效应。