“新工科”建设视域下传统专业实践教学改革模式研究与实践

吴慎将 张维光 聂亮 段存丽 王佳

摘  要：以“新工科”建设内涵要求为依据，以“四个满足”为评价标准，对光电信息科学与工程專业实施升级改造;创设四个“新业态”项目，并以之为载体开展教学实践;通过引入行业评价，完善质量评价体系并持续改进;在“新工科”建设视域下，形成了升级传统专业实践教学改革模式，使学生能具备面向未来新技术创新需求的实践能力、工程意识和创新能力培养等要素。

关键词：新工科;专业改造;实践教学体系;质量评价

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）15-0125-04

Abstract： This study upgrades and transform of the optoelectronic information science and engineering based on the connotation requirements of the construction of "new engineering" ， with the "four satisfactions" as the evaluation criteria. The paper creates four "new format" projects and use them as carriers to carry out teaching practices; through the introduction of industry evaluation， elevate the quality evaluation system and keep improving; under the perspective of "new engineering" construction， a reform mode of upgrading traditional professional practice teaching has been formed， so that students can have the practical ability， engineering awareness and innovation ability training for future new technological innovation needs.

Keywords： new engineering; professional transformation; practical teaching system; quality evaluation

“新工科”是基于国际经济发展新形势、国家战略发展新需要、产业发展新需求和未来发展新高度等提出的一种新的“工科形态”[1-2]。教育部高教司积极推动“新工科”教育改革，面向新经济、 新产业和新科技，以交叉、融合和创新为主要途径培养创新型工科人才[3]。近年来，以“机器人工程”“人工智能”“大数据”等为代表的“新工科”专业已在清华大学等综合实力较强的院校开始创办招生，开始了以“新工科”内涵和要求为研究目标的专业教学实践。然而，从“新工科”专业建设培育及其对产业发展的支撑来看，不仅要关注新技术下新专业建设问题，更应该解决原有专业的升级改造问题。对原有专业进行升级改造，使其具有“新工科”内涵和人才培养能力。

本文以西安工业大学光电工程学院光电信息科学与工程专业为例，针对专业实践的人才培养目标不能满足“新工科”面向未来新技术创新需求的人才培养要求，专业实践教学模式在培养学生工程意识、创新思维和知识应用能力方面存在不足等问题，开展“新工科”建设视域下，光电信息科学与工程专业实践教学改革模式研究与实践。

一、“新工科”对原有专业升级改造过程中的典型问题

（一）现有工科专业实践教学方案，不能满足以“新工科”为背景下，学生面向未来新技术创新需求的实践能力、工程意识和创新能力培养等要求

传统工科专业实践教学方案的设计，是基于专业基础课程所必须的知识体系进行构建的。以光电信息科学与工程专业为例，该专业的学科基础实验包括：应用光学实验、物理光学实验、光电检测技术实验、传感器技术实验等;训练的项目均是围绕教材中的相关知识模块内容进行设计。随着技术的发展，原有的实践教学体系与“新工科倡导的要体现专业发展方向”“技术发展动态”和“产业技术需求”目标相行渐远，对学生面向未来新技术的相关能力训练凸显不足。

（二）现有工科专业教材及其他教学资源，目前没有针对性的、适应“新工科”背景的实践教学模式与方法

现有的教学模式一般为指定预设的实验项目、提供现成的实验装置、要求统一的实验步骤，提交预期的实验结果。通过教师讲述基本过程及要求，学生按部就班地进行重复性的实验，学生的思维模式基本上被限定在预设场景之中。“新工科”专业实践过程包含大量的、综合的或以项目开发为载体的实践项目，实践项目包含光、机、电及信息处理等多学科交叉实验内容。“新工科”倡导的教学模式更多的是以专业知识为基础的、自主地对未知结果实施探索的过程，包括设计实验过程，搭建实验装置，摸索实验规律，获得不同的实验结果，从而培养学生的工程意识及实践能力。

（三）原有实践教学效果评价体系，在“新工科”升级改造过程中已经不适用，同时缺少针对实践教学效果的有效评价方法

通常进行教学评价，常采用的方法是学生评教和专家评价相结合，按照不同的权重进行综合评定，而且学生评教的权重往往占比更大，但实践教学效果对解决行业技术问题，体现专业发展动态，更应该融入行业的评价或评测因素，以此综合评判实践教学效果。

二、“新工科”建设视域下传统专业实践教学改革模式的构建

依据“新工科”背景，西安工业大学原有光电信息科学与工程专业所采取的教学模式重构整体思路，针对性地制定实践教学实施效果整体评价方案。拟实施的原有专业实践教学模式重构的实施方案如图1所示。该方案以学生面向专业技术领域未来技术发展和产业对专业实践能力的要求，实现专业素质和创新能力的培养目标。

构建的实施方案由四部分组成。首先是“找差距”，即：对比专业升级改造前后，原有实践教学的内容板块、教学方法及評价方式上，与“新工科”要求内涵上的差距，特别是在培养目标、知识体系及培养模式上的差距;二是“新业态”，立足技术发展方向、产业发展趋势和专业发展现状，调研和梳理光电信息科学与工程专业的发展现状，提出具体的知识、能力需求，在确立实践教学过程中学生专业素质与创新能力培养目标时，在充分调研的基础上，研究光电信息技术领域“新业态”，同时兼顾原有专业人才培养优势，选择具有未来新技术内涵的工程项目作为实践教学的研发目标;三是确定“新项目”，将原有的基础能力训练模块进行调整，实施开放式、探索式、主题逼近式等多种模式的训练内容，教学活动组织以加强各项目之间的横向联系和纵向支撑为基础，同时遵循“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念。在新的教学模式创新及实践过程中，需明确原有专业实践教学与“新工科”专业实践教学要求之间的差距，突破原有实验项目的束缚。通过对光电信息技术领域技术发展方向进行调研，拟定“人工智能视觉技术开发”“基于全息及计算成像的新型成像技术开发”“高能短脉冲光纤激光器及其应用技术开发”和“面向瞬态非电量检测对象的光电信息系统开发”四个具有未来新技术发展内涵的工程项目，作为实践教学工程开发目标，并评测这些项目涉及的新技术，如视觉仿生技术、图像目标自动识别技术、基于光波波前调制与解调及信息处理技术相融合的新型成像技术、新型光纤激光器技术、瞬态非电量测量技术等是否能够满足“新工科”的整体要求，及时总结，实施持续改进;四是实施“新评价”。实施方案中针对构建的“分类分层次的实践项目”，其构建原则，以“四个新要求”为评价基础，落实“分类分层次实践教学”细则和监控实施过程;构建实践环节教学效果进行多元动态评价方案，特别是关注创设的项目，是否能够加强实践项目横向之间的联系，实践项目内含的工程能力是否能够纵向支撑;最后，对培养学生实践创新能力合力的执行效果，从学生、教师及第三方等进行综合评价。

三、以“四个新需求”为参照，对实践教学进行效果评价

实践教学环节在“新工科”诸多教育环节中占据核心位置，是因为其对知识能力有新需求。因此，在实施方案中构建的“分类分层次的实践项目”首先要满足这些新需求：

（一）紧跟学生知识能力需求

随着中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛持续开展，还有中国创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛以及各种行业比赛等诸多赛事，已经吸引了全球越来越多的青年学生积极投入到赛事中来。赛事培训与教育已经成为了实践教学环节的主要内容之一。在“天大行动”和“北京指南”中，均强调了“双创”教育的重要性及其在“新工科”专业建设中的必要性。实践教学体系中，突出课程创新性，瞄准学生的创新创业及竞赛对新知识能力的需求，进行必要环节的训练。如，在项目遴选过程中，训练学生能够从发现行业痛点入手，提出解决方案，明确市场及竞品后，突出运营状况和应用反馈，对项目未来进行财务和融资上的规划，组建能够有效执行的团队，形成一个有利于学生参与大赛、能力提升、自我发展、循序渐进的成长之路。

（二）紧跟产业行业发展需求

原有工科专业存在的另外一个问题就是跟不上行业和企业的发展步伐。构建的“分类分层次的实践项目”实践教学体系，首先要研判市场对该专业人才需求所必须的专业知识、专业技能和专业工具的学习，都要紧跟市场发展动态，依托自身专业优势、着眼长远发展、科学规划。

（三）紧跟技术升级迭代需求

实践教学方案中，需增加当前产业发展中最“迫切”需求的关键知识点，避免出现“教师讲授的行业已淘汰”“产业需求的学生学不到”的尴尬情景。与技术升级迭代相关的前沿科学研究成果及科学技术发展进展等知识能力点，不仅要及时更新，而且要缩短周期，实践教学环节中进行必要的呈现。

（四）紧跟多学科交叉融合需求

以国家自然科学基金为牵引的多学科、多专业交叉项目，最能形成原创性和独创性成果。在“新工科”背景下的实践教学项目，如果能够体现多学科、多专业交叉融合，对培养学生的创新意识拓展知识能力体系帮助很大。因此，在实践环节嵌入并实现多学科、多专业的系统学习，深度考虑多学科、多专业交叉融合很有必要。

为了落实“新工科”背景下“分类分层次实践教学”细则和执行过程，针对“新工科”背景下原有专业实践教学模式重构的实施方案，对具体的教学方案进行细化，监控课内、课外及中间过程，从“四个新需求”角度，评判每个环节是否能够体现内涵反映。

因此，针对这种教学模式的特点，需要构建多元和动态的教学效果评价机制，注重评价的客观主体、方式方法和规则标准三个方面的协调统一。设计多维、立体的评价体系，对教学过程及教学目标达成度进行评价。一般情况下的教学效果评价，都由教师评学、学生评教和督导评教组成，现在需要引入第三方（外校教师、行业企业专家等）来共同完成，还鼓励学生对自己的学习过程做出评价，学生之间进行互评，重视对整个实践教育过程的综合评价，建立的实践环节教学效果评价体系，如图2所示。

“分类分层次的实践项目”“是否深度融入了”“新工科”元素，在基于项目的实践课程或含实践环节的理论课程中，根据学习进展情况，以选定的一个或多个实践环节知识能力点作为对象，使用“多元动态评价方案”进行评价。首先是如何把需求设计进问题中。例如，在2020年8月，由“教指委”举办的光电设计大赛中，学生提出的“薄膜激光损伤阈值测试仪”项目，考虑激光与物质相互作用的相关知识能力点在该项创新创业大赛项目需求中，如何把大功率激光器保护镜片的薄膜制备、工艺优化、激光防护和ISO11254国际测试标准等因素融合进去，让学生了解行业对激光损伤阈值的要求，学会对测试数据运用最小二乘法进行拟合的方法，并最终获得材料激光零几率损伤阈值;其次，考虑当前最前沿的该专业相关科研成果所体现的能力知识点是否可以融入到该能力点的问题创设中，如何确保“迫切”的技术需求能够得到“及时更新”，并让学生及时学习并掌握;最后，要考虑知识能力点与相关交叉学科或专业的融合问题。在所创设的实践教学项目中，如何将传统、单一的知识能力点多样化、多元化，符合行业和企业对人才的需求;最后，针对“四个新需求”的内涵，在考察每个项目是否能够紧跟学生知识能力需求、紧跟产业行业发展步伐、紧跟技术更新迭代进度、紧跟多学科交叉融合现状四个方面，从学生、教师、第三方（外校教师、行业企业专家）角度，分别进行评价和反馈，进而修改和完善创设的“分类分层次的实践项目”。

四、实施与成效

本研究所依托的光电信息科学与工程专业已基本建立“以学生为中心，以产出为导向，持续改进”的人才培养体系，2019年11月专业认证专家组已经完成进校考查工作，并已经在2020年6月收到通过专业认证的通知。前期完成的“基于CDIO理念的光电信息科学与工程专业综合训练新模式探索与实践”课题，已经探索形成面向市场的产品研发项目人才创新能力培养实践教学模式。近三年内，光信息科学与工程专业的本科学生在Opitics Express、Optical Laser and Engineering、《光学精密工程》《真空科学与技术学报》《光学学报》等国际知名期刊上发表论文33篇，获批大学生创新创业项目354项，“互联网+”大赛省级奖项62人次，校级奖项752人次，光电设计大赛共获奖181人次。此外，学生作为课题组成员，参与指导教师科研项目共253人。通过该实践教学模式的调整后，学生对本专业认可度提高，研究生报考该学科方向的意愿也从原来的15%提高到34%。通过对传统专业实践教学改革模式改造和升级，以“新业态”项目为训练载体，经过相关赛事及实践活动，学生在实践能力、工程意识和创新能力培养等方面都有了显著提升。这些研究成果为新实践教学模式的教学理念确立、教学思想的构建、课程结构的组织、评价体系的创立等方面探索了可借鉴的研究方法和成果。

五、结束语

本文针对西安工业大学光电信息科学与工程专业实践教学体系，以“新工科”为背景，对所涉及的实践教学模式与方法及评价体系进行研究。基于OBE理念，内含持续改进机制，以“四个新需求”为出发点，制定“新工科”专业实践教学方案。构建“新工科”背景下实践教学效果多元动态评价机制。针对创设的四类“分类分层次的实践项目”，以实践项目知识点、能力点为标准，以达成度评价为基本方法，检验项目是否达到教学和训练目标。采取的多元动态评价方案，以评价结果反馈形成适合本专业发展的、具有未来新技术需求内涵的实践教学项目，取得了较好的实践效果。

参考文献：

[1]戴亚虹，李宏，邬杨波，等.新工科背景下“学践研创”四位一体实践教学体系改革[J].实验技术与管理，2017，38（12）：189-195.

[2]李華，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J].高等工程教育研究，2017（4）：16-19.

[3]曹洪龙，胡剑凌，邵雷，等.“新工科”背景下“DSP技术”课程教学改革与实践[J].实验技术与管理，2020，37（7）：173-175+216.