新工科背景下现场总线技术课程应用型“金课”建设的探索

2022-03-24赵新蕖张士磊

创新创业理论研究与实践 2022年5期

赵新蕖，张士磊

（1. 河南工学院电气工程与自动化学院，河南新乡453003；2.新乡市工业控制网络技术重点实验室，河南新乡453003）

现场总线技术是20 世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全双工、多节点的通信总线，它的出现促进了传统DCS 系统与PLC 系统的融合，由此产生的现场总线控制系统FCS 也成为新一代的自动控制系统，是当前自动化技术发展的热点之一。随着《中国制造2025》的不断推进，现场总线技术的应用领域越来越广，现场总线技术课程也逐渐发展为成为众多工科专业重要的综合性应用型技能课程。

同时，在新工科背景下，“自动化+”培养体系[1]正成为自动化专业课程教学体系优化的趋势，自动化专业领域的总线技术也在不断演进发展。如何更合理地设置教学目标，更科学地构建教学内容，更有效地开展教学活动，更客观地评价学生知识技能的训练效果，使本课程更好地服务于专业人才培养目标，是每个教师应该深入思考的问题。

本文以河南工学院（下文简称我校）自动化专业为实践背景，针对现场总线技术课程在新工科背景下的“金课”建设进行教学改革和实践探索。

1 现场总线技术课程教学现状分析

1.1 缺少通用性强的示范性教材

现场总线技术是一门学科交叉性强、内容丰富、实践性强、偏重于系统集成的课程，所涉及的专业知识极其广泛。现行的现场总线技术教材大致可以分为综合型现场总线教材和单一型现场总线教材两大类。

综合型现场总线技术教材的结构，通常是先介绍数据通信和控制网络的基础知识，再介绍各种国际主流的现场总线技术[2]。但受限于教材篇幅和编写团队的实际从业情况，存在面面俱到但又不够深入的问题，一些涉及总线标准的核心技术和实际应用方法的关键问题描述得不够深入。同时，这种面面俱到的教材也在一定程度上抹杀了教材的专业特色。单一型现场总线技术教材虽然有较强的技术针对性，但也存在对现场总线的基础知识描述过度的问题。

因此，如何从自动化专业人才培养目标出发，合理选择并利用教材，科学构建教学内容，是一线教师需要考虑的首要问题。

1.2 传统教学方法无法适应新时代学生群体的要求

学生是教育教学活动的受体，也是教育教学过程中的主体，要真正把学生从“要我学”的被动学习状态激发为“我要学”的主动学习状态，就需要教师先认真研判学情特点，做到对症下药、因材施教。

目前，“00 后”学生已成为在校大学生的主体。他们出生、成长在互联网时代，这使得他们形成了独特的互联网思维和学习习惯。同时，按照我校自动化专业人才培养方案的课程教学进度，现场总线技术课程通常被安排在第6 学期，学生面临即将就业或考研的问题，加之课程本身内容晦涩、能力提升的周期较长，难免会对课程学习产生一定的负面影响。从以往的教学经验看，学生很容易出现学习上的虎头蛇尾，课堂教学的配合度和效果随着课程的推进和深入越来越差。

因此，如果仍然采用传统的课堂2.0（PPT+粉笔）教学模式，显然难以适应“00 后”学生的感官需求，无法保证学习效果。要想提高学生的课堂体验满意度，激发学生主动参与课堂教学活动的热情，需要教师更科学地设计课堂教学环节，提高课堂教学的情景体验，丰富教学手段和知识表现形式，才能更好地抓住学生的注意力，提升课堂教学效果。

1.3 传统的考核评价方式无法真正反映学生的实际学习效果

目前，过程性评价和期末测试相结合的课程考核方式已成为主流，相较以前单凭期末测试的方式评价学生，评价结果的客观性已经有所提高。但是，过程性评价的具体形式仍主要以平时作业、阶段性测验和实验报告等书面考核的形式体现，而期末测试大多也采用笔试形式。这种明显偏重笔头的考核形式显然无法真正反映出学生的实际能力和学习效果，更无法完全避免学生在学习过程中相互之间的过度依赖、重理论轻实践，进而出现高分低能的问题，这显然不利于培养学生的独立思考意识和能力，不利于培养学生自行分析解决工程问题的能力，无法很好地达成应用型人才的培养目标。

2 新工科背景下现场总线技术课程应用型“金课”建设的总体设想

新工科建设“复旦共识”中指出我国高校要加快建设和发展新工科[3]，树立创新型、综合化、全周期工程教育“新理念”，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，为传统工科专业的人才培养模式改革和人才培养方案的修订指明了大方向。

2018年11月，教育部高教司司长吴岩提出了建设中国“金课”[4]的新要求，并明确了“金课”要满足“高阶性、创新性和挑战度”的标准，为解决教师如何将人才培养模式改革落实到课程教学中的问题提供了思路和方法。

具体到现场总线技术这门课程，要想全面落实创新型、综合化和全周期工程教育的“新理念”，真正打造出满足“两性一度”的“金课”，就必须认真研读自动化专业的人才培养方案，结合学校的实际情况，合理制定课程的教学目标，并按照OBE 理念[5]科学设置课程内容、积极探索新的课堂教学模式和更加贴近学生学情的课程评价方法，对课程做一次全面改革。

3 课程教学改革的具体做法

3.1 紧贴人才培养方案制定“三级进阶式”能力培养目标

现场总线技术在不同专业领域对人才培养目标的贡献不同，在认真研究我校自动化本科人才培养方案的基础上，结合我校本课程教学资源的实际情况，将现场总线技术课程的知识目标、能力目标和素质目标进行重新整合凝练，并最终确定了本课程的“三级进阶式”能力培养目标。

以培养学生阅读并理解现场总线的协议/规范/标准、初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口为初级能力目标；以培养学生独立从事工业通信系统运行、管理与维护的基本能力为中级能力目标；以培养学生有较强的学习能力，能跟踪技术发展前沿，并具备一定的创新能力为高级能力目标。

3.2 基于OBE 理念以“三元融合”模式重组课程内容

按照以“应用型能力培养”为落脚点的OBE 教学理念，依据三级进阶式能力培养目标，从理论与实践两部分综合考量，最终确定了以我校的新乡市工业控制网络技术重点实验室为依托，以循序渐进的能力培养模式为原则，将课程内容分解为基础知识模块、知识融合模块和工程实战模块三部分。

“基础知识模块”主要用来解决学生在前期学习过程中基础知识掌握情况层次不一的问题，使每个学生在课堂开始之初的十几分钟内，基本达到“向知识基础看齐”的目的；“知识融合模块”主要用来帮助学生实现重要知识点的融合，以典型现场总线的基础能力培养为主，辅以具有时代特点的新知识，在开阔学生视野的同时，帮助学生在融合中提升驾驭知识、解决问题的能力，逐步形成自己的知识能力，基本达到“变知识为能力”的目的；“工程实战模块”从传统实验项目出发，开发具有一定前沿性的、贴近工程实际的实验项目，并提出符合学情，又兼有一定挑战性的实验要求，基本达到“知识能力进阶”的目的。

3.3 “PDPS+学生主导”的教学模式探索

为了提高课堂教学环节的效率，充分凸显学生在课堂教学活动中的主体地位，我们将面授教学的教学活动分解为：课前预热（Preheating）+学生讨论（Discussing）+教师讲解（Presentation）+学生总结（Summary）四个环节，以掌握重要知识点为出发点，以突出应用型能力培养为导向，以项目模块化为依托，通过“生-师-生”的角色互换，充分调动学生参与的积极性、主动性，真正做到在充分发挥学生主体作用的同时，提高课堂教学效率和质量。

互联网技术的发展为灵活多样的现代教育技术的实现提供了保障，同时也更加适合“00”后学生的信息获取习惯。为了充分发挥网络化教学多种媒体形式融合的优势，合理安排知识点与授课方式，我们充分利用互联网技术开展教学，并建设了能够覆盖本课程主要知识点、兼顾相关专业课程的网络课程体系，弥补传统教学系统的不足。对于每节课的基础知识点，主要以PPT 课件为依托，充分发挥其信息量大的优势，让学生在自学和讨论中学习。对于每节课的重点和难点，则主要以短视频、微课的形式呈现，发挥其生动形象的优势，通过学生的看和听，加上教师的讲，促进学生对课程重难点知识的理解和掌握。网络资源课程的线上讨论板块，主要用来辅助提高课堂教学的内涵和外延，教师通过提出有一定深度的讨论主题来激发学生的深度学习，学生也可以针对课堂教学内容做进一步的交流，以此来保障每个学生在学习中都能跟上教学节奏。

3.4 凸显课堂实效的形成性考核评价机制

以学生为核心的考核是对学生课程学习掌握程度的评价，科学合理有效的考核评价方案是“金课”建设质量的检验标准[6]。为了更加及时、客观地评价学生的实际学习情况，在形成性评价机制中充分体现学生在课堂教学中主体作用的发挥情况，参照行动导向法[7]对过程性评价机制进行了改革，除了保留平时作业、阶段性测验和实验考核外，还加入了课堂活动这一环节，占过程性评价的20%。

课堂活动评价的具体形式会根据教学内容的特点进行调整，力争做到合理、可信、可操作。考虑到初级能力培养的内容相对简单，在教学中课堂活动多体现为课堂提问、抢答或随堂小测等形式；对于中级能力培养的内容，课堂活动则会采用课堂讨论、分组任务等形式；对于高级能力培养的内容，课堂活动则较多地采用你问我答的方式，重点培养学生独立思考、敢问会问、敢于尝试的能力和勇气。