基于专业认证理念的现场总线技术课程改革初探*

摘  要  为提高学生的工程素养，促进毕业要求的达成，以工程教育专业认证理念为指导，从教学内容整合、教学理念设计、教学模式探索、教学效果评价等方面着手，结合自动化专业的专业特点，充分利用相关教学工具，给出现场总线技术课程改革初步探索成果。

关键词  工程教育；专业认证；自动化专业；现场总线技术；课程改革

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0108-04

0  引言

专业认证目前已成为国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，通过坚持“能力导向、以学生为中心、持续改进”[1]的核心理念确保国际认可的工程教育质量。近年来，国家正在积极加入专业认证的国际队伍中，旨在提升高等教育质量和学生能力的国际认可度。在这一背景下，每门课程都需要围绕学生能力培养开展设计和组织，即对照每门课程的毕业要求指标，因课制宜、因生制宜，不断改革教学方法与模式，形成以学生为中心的工程教育模式。随着我国自动化类专业认证试点工作的开展与深入，自动化本科专业教育改革成为一项迫在眉睫的任务。

南京工程学院自动化专业于2021年1月通过专业认证，在“能力导向、以学生为中心、持续改进”核心理念的指引下，不断提升教学质量建设水平。以此为契机，开展现场总线技术课程教学改革探索。现场总线技术诞生于20世纪90年代，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全双工、多节点通信手段[2]。作为一种新的工业控制技术，它通过运用公开通信标准和完全分布式结构有力改善传统集散控制系统，由此产生的现场总线控制系统成为新一代的自动控制系统。随着“中国制造2025”科技战略的不断推进和工业互联网技术的迅速发展，现场总线技术的应用进入全新时期，应用领域越来越广泛，现场总线技术课程也逐渐成为自动化等众多工科专业重要的专业核心课程。因此，基于专业认证理念开展现场总线技术课程教学改革，以更好地适应新时代自动化专业人才培养需求，具有重要意义。

1  以预期学习成效为导引，有机整合教学    内容

现场总线技术是面向自动化类专业的一门专业课。从工程认证的角度看，结合问题分析与设计和开发解决方案两个毕业要求，凝练两个期望的课程目标：一是掌握基本原理和基本知识，通过文献分析与调研给出合理的解决方案；二是在技术因素制约条件下设计并实施完整可靠的系统集成方案。

依托课程目标和工程认证的相关毕业要求，现场总线技术课程的预期学习成效可以总结为三个维度：知识维度，掌握几种典型的总线技术，理解数据通信基本概念和协议的基本知识基础；方法维度，根据总线系统通信需求进行分析，设计通信解决方案；能力维度，应用总线协议，实现总线通信功能的能力。

以上述三个维度为准绳，将32课时的现场总线技术课程主讲内容分解为七大块，分别是现场总线技术概述、通信基础与总线协议物理层、总线协议数据链路层、CAN总线、PROFIBUS、工业以太网和案例专题分析。其中，总线协议数据链路层对于现场总线系统的理解和设计具有重要作用，此部分偏重计算机方面，自动化专业学生在计算机方面略显薄弱。为有效配合预期学习成效的达成，在教材基础上增设该部分内容，引导学生从更底层的视角了解和认识现场总线控制技术的工作机制。

2  以学生为中心，构建教学理念三角架构

借助我国传统文化，构建图1所示教学理念三角架构，三个主体分别是学生、教师、案例，学生处于顶端中心位置，其他两个主体进行支撑，三者相互关联、相互促进。

1）对于学生，从三个方面发力：慎思、明辨、笃行。慎思即思考原理、动机等，明确问题产生的背景是什么；明辨即辨别概念、是非，具备工程伦理、职业道德；笃行即运用、实践，做到学以致用、知行合一。

2）对于教师，从三个方面着眼：传道、授业、解惑。传道，即开展德育（立德树人、言传身教）、思政，支撑学生明辨的能力；授业，即传授专业知识、技能，支撑学生慎思和笃行的能力；解惑，包括学习方面、生活方面、思想方面，贯穿慎思、明辨、笃行全部。

3）对于案例，服务于慎思、明辨、笃行、传道、授业、解惑等六个方面的要求，包括但不限于思政元素、具体分析案例、设计任务等。以现场总线技术课程中数据编码一节为例，首先回顾前一次课程关于通信性能指标的内容，然后用2018年出品的俄罗斯科幻影片《天际行者》作为过渡导引，引出数据编码的重要性，逐步过渡到编码本质、编码策略（差分码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）等内容。

3  多措并举，基于闭环控制思想探索持续改进教学模式

结合教学理念的三角架构，提出图2所示闭环控制思想，探索持续改进教学模式。

课程伊始进行上一次课程内容的回顾，采用教师讲解+提问学生回答结合（回答结果作为平时考核的一部分）的方式。在回顾的末尾抛出或提炼出新的问题，导引到当前课程的内容上来。

在课堂教学过程中，结合教学内容和教学安排，采取知识讲授、案例教学、课堂实战和分组讨论等不同的教学策略：知识讲授以PPT或板书为主；案例教学范围较广，习题课+实例分析等都算在其中；课堂实战由教师出题、学生完成，请1～2名学生到黑板上演算；分组讨论需要提前布置总线相关的话题，让学生收集资料并整理，进行交流讨论。

在课堂教学结束后，会采用任务设计、课后练习、专题调研等方式延续教学活动，作为课堂教学的补充，一方面巩固学习效果、深化概念，另一方面锻炼学生的分析设计能力、动手能力、收集整理能力和合作沟通能力。

为了检验这些补充环节（后课堂活动）的效果，引入形成性评价过程，即对错题、设计难点、汇报效果进行互动评价，根据评价结果调整或改变回顾内容和导引重点，从而构成一个闭环控制系统。这个闭环系统的运行可以有效支撑持续改进工程认证理念的实现，使学生锻炼认知能力、运用能力、调研能力和表达能力。

3.1  线上线下混合授课，提升信息化水平

线上在教学平台学习通发布教学内容视频、布置学习内容、发布讨论话题、布置课后作业，促进学生自主学习，通过QQ课程群加强与学生的互动交流。在线下课堂教学过程中穿插视频学习效果考核的提问，对重点内容及学生视频学习中的问题进行讲解，结合具体案例组织学生进行讨论，将枯燥抽象的知识融入工程应用中，加深学生对知识的理解。

3.2  分组讨论，增强学生思辨能力

给定现场总线技术相关话题，要求学生2～3人为一组，围绕话题自主选题并利用两周时间开展资料搜集、分析和整理。为保证公平性，通过抽签方式决定各组展示顺序。每组展示结束后，其他组进行组间互评。为尽量避免过于主观的评分，教师对互评过程进行二次监督——对给出明显高分或明显低分（这里相对平均值而言）的学生予以一定惩戒措施，体现在该打分学生的个人成绩上。奖惩一方面为了尽量提高组间互评的客观性和公正性，另一方面对学生施加必要的压力，只有认真听完他组展示才最有可能给出合理的评价。通过这种方式让学生明白，尊重别人就是尊重自己。

各个队伍除线下自行组合外，还需在学习通上建立线上小组，并要求各组确定小组名称和针对此次分组讨论活动的“行动代号”。各组可以自由发挥，决定各自的名称和代号，一方面彰显个性，另一方面可以增加分组讨论的趣味性。此外，每位学生的打分将直接进入被打分学生平时分的计算中。通过以上方式间接让每位学生都有机会当一回“小老师”，某种程度上也是提升学生上课参与度的一种可行举措。

3.3  灵活运用思维导图，丰富学生思维模式

在某一章或某一大节的课程内容讲授结束后，针对该章或该节的内容绘制思维导图，将相关知识点通过线条、符号、图案、颜色等丰富多样的手段进行有机整合和关联，起到提纲挈领的作用，使学生看完之后一目了然，也让教师对内容的把握更加深刻，授课时成竹在胸。这一方式可以让学生多了解一种学习的工具，也可以对学生的思维方式产生积极影响。如在学生最终提交的大作业报告中，有的学生在写作中熟练运用思维导图进行辅助思路的阐述。

3.4  充分运用数据库资源，开展双语教学，开阔学生学习视野

现场总线技术教学环节涉及数据通信、控制网络，如FF总线、PROFIBUS、Lon Works、Control Net、World FIP、ASI控制网络等。此类技术均有英语专业术语、专业化的操作路径等，应用双语教学有利于大学生更为直接地了解现场总线技术的内容。借助图书馆的相关书籍安排适当课时的双语教学，弥补单一的汉语教学可能存在的概念理解偏差[3]，开阔学生视野；给学生提供相关的最新外文文献，或者发动学生自行检索下载相关外文文献，从源头上理解，提高知识点的精确性和全面性。

3.5  结合自动化专业特点，有机融入课程思政元素

自动化专业人才在我国工业和国防建设中发挥着重要作用。随着世界格局和国际形势加速演进，特别是在教育部新工科建设背景下，新时代自动化专业人才不仅应具有过硬业务能力与强大创新能力，还必须志存高远、敢于担当，具有为祖国奉献一生、“甘坐冷板凳”的崇高精神。如何通过课程思政培养德才兼备的新时代人才，成为自动化专业改革的首要目标与核心任务[4]，也是在高校课程教学中实现智育和德育全面发展亟待思考和解决的问题，课程思政提供了一个难得的渠道。这里的课程思政是广义的，即除了思政课程外，在其他专业课程教学中以灵活的方式挖掘和倡导社会主义核心价值观。如工科专业中隐藏的严谨求实、追求真理的科学精神，甘于奉献、运用科学和技术造福人类的科学伦理等思政元素，都值得深入挖掘和展示[5]。

基于上述分析，自动化专业背景下的现场总线技术课程思政元素主要以“中国制造2025”和新一代信息技术与制造业融合为背景，立足于两个着眼点：一是激发学生的爱国情怀，以现场总线技术领域内的佼佼者浙大中控为例，讲述浙大中控自主研制工控机等一系列关键信息设备，打破国外垄断，有力维护国家安全和利益的事例，激发学生爱国情怀；二是坚定学生立志报国的理想，在介绍工业互联网时，适时地向学生讲述当前5G、人工智能等新技术不断发展的背景下，工业互联网在我国大有市场也大有可为，让学生渐渐笃定逐梦新时代的勃勃雄心。

4  理论实践双管齐下，优化提升考核体系

传统的考核评价方式重结果、轻过程，现在已经无法满足客观反映学生实际学习效果的需求，集形成性评价和期末考核/考试为一体的综合考核方式成为主流。然而，后者所指的综合考核方式虽然已经在一定程度上提高了评价结果的客观性和科学性，但在具体的评价方式上仍有较大的改进空间。具体来说，形成性评价目前依然主要以平时作业、随堂测试或阶段性测验等书面考核的形式体现，而期末考核/考试大多采用笔试形式。不难发现，由于缺乏对实践环节的充分考查和对学生学习过程中相互依赖倾向的有效约束，这种明显偏重笔头的考核方式依然无法真正展现学生的实际能力和学习效果，不利于培养学生的独立思考意识和能力以及自行分析解决工程问题的能力。高分低能的问题同样未得到有效解答，无法契合以培养一流应用型本科人才为己任的高校的培养目标。

受到上述问题的启发，对现场总线技术课程的考核体系进行优化提升，以考核学生对课程目标的达成为主要目的，以学生对课程各知识点的掌握程度为重要内容，成绩评定分过程考核（占最终成绩的40%）和结课大作业（占最终成绩的60%）两部分。过程考核主要考查学生出勤、课堂表现、作业，各环节占课程总成绩的权重分别为5%、15%、30%；结课大作业主要考核学生对现场总线技术基础知识的掌握和解决基于现场总线的工程应用问题的能力。

4.1  考勤模式网络化

在疫情防控大形势下，线下模式随时可能转换为线上模式。为适应这种变化，同时有效积累教学数据，借助学习通这一高效的线上教学工具，采用“学习通签到+线下点名”双重模式。学习通签到提供四种基本模式，通过随机变化签到模式在一定程度上可提升出勤率，通过增加约束条件（比如签到有效时间为一分钟）等方法适度创造紧张环境，有利于学生更快进入上课状态。

4.2  课堂表现层次化

为了更加及时、客观地评价学生实际学习情况，在形成性评价机制中充分体现学生在课堂教学中的主体地位，主要通过课堂活动表现和课堂练习考核。课堂活动评价的具体形式会根据教学内容进行调整，力争做到合理、可信、可操作。用课堂讨论、分组任务等形式，重点培养学生信息搜集整合、团队协作互助、高效沟通的能力。

4.3  平时作业随机化

对线上发布作业的方式进行优化，如分成几个不同类别的题库，或者对题目出现的顺序随机编排，没有独立完成的学生必然会答非所问。通过这种筛选机制对学生平时的参与情况和学习态度进行有效评估。

4.4  结课作业实战化

结合课后作业的任务，布置基于总线应用的设计任务（包括硬件电路设计、软件程序设计和设计报告撰写），根据任务完成情况和报告完成情况给出成绩。要求学生基于某一类总线协议设计相应的总线通信的网络节点，实现基于现场总线的具体对象控制的方案以及实现对对象控制的协议；给出详细的硬件设计过程或者方案流程，提供详细的原理图和软件框图；给出详细的软件程序；最终按照详细的格式规范撰写报告。

对应评分过程要给出具体的细则，与上述要求逐一对应，即：原理叙述是否正确，内容是否翔实，方案设计是否正确、清晰；硬件设计过程是否详细，原理图是否完整正确；软件设计过程是否详细，流程图是否完整正确；写作是否条理清晰，内容是否完整正确，是否规范。

通过结课大作业这一设计型的任务，为学生提供现场总线技术理论知识的实战机会，可以有力弥补现有考核体系中实践环节的缺失。总之，理论实践双管齐下，能够更好地检验学生的学习能力和学习效果。

5  结束语

课程改革是支撑工程教育专业认证目标的有效举措。开展现场总线技术课程改革，既为自动化专业认证的持续改进提供新鲜素材，又给学生提高工程素养构建可用平台。在开展课程改革过程中，应始终以能力导向为总纲，以学生发展和需求为中心，持续探索和改进，通过不断反馈、优化、再实施以达到工程认证下的课程教学效果。与此同时，应深入挖掘课程与专业之间的内在联系，一方面通过课程教学促进学生对专业的认知和理解，另一方面通过对专业领域内新兴技术的充分理解促使学生认识专业核心课程的重要支撑地位，从而提升学习的热情和兴趣。

参考文献

[1] 易玉枚，董子文，易灿南，等.专业认证背景下安全工程专业流体力学课程教学改革[J].中国教育技术装备，2019（22）：82-83，88.

[2] 赵新蕖，张士磊.新工科背景下现场总线技术课程应用型“金课”建设的探索[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（5）：91-93.

[3] 王雅璐.基于现场总线技术的双语教学改革创新探讨[J].科技视界，2021（24）：3-4.

[4] 周纯杰，何顶新，张耀，等.新工科背景下自动化专业实践课程思政的设计与实施[J].高等工程教育研究，2022（4）：31-37.

[5] 田小敏，杨忠，邵妍.自动化专业课程思政建设方案的探究与实践[J].高教学刊，2022，8（14）：54-57.

*项目来源：南京工程学院高层次引进人才科研启动基金“基于不可靠数据传输的跳变系统有限时间控制”（基金编号：YKJ202018）；江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心开放基金“事件触发下电力CPS的安全控制：一种切换系统法”（基金编号：XTCX202206）。

作者：陈海洋，南京工程学院自动化学院，博士，讲师，研究方向为跳变系统、网络化控制系统、事件触发控制（211167）。