新工科“四段式”人才培养课程体系建设的探索与实践*——以自动化专业为例

韩秀峰 程 昀 王 丽

（山东大学（威海） 山东威海 264209）

伴随着新一轮的科技和产业革命，新工科计划应运而生。新工科的“新”有两个内涵，一是在于围绕着新时代经济发展得需求，打造一批适应当前时代发展的新专业，如机器人工程专业、人工智能专业等；另一个是对于一些老牌专业进行改造升级，以适应时代的新发展[1-2]。随着全球工业4.0概念的提出，智能制造技术在各国发展得如火如荼，值得一提的是，智能制造的概念并非无基础凭空而出，对它的发展脉络进行梳理，可以看出，它是对传统的自动化学科方向新的赋能。因此，智能制造方向是传统自动化学科在新工科计划背景下的主要的发展及改革方向。众所周知，科技的发展程度与该方向人才培养有密切关系，智能制造技术的发展，离不开智能制造领域的人才培养，如何培育出高质量智能制造人才，是目前高校自动化学科所面对的新的挑战[3-4]。

本文对传统自动化学科的培养方案进行了分析，对标智能制造知识体系，结合教育部专业课“课程教育”要求，提出以教育内涵为中心引领，按认知程度进行课程体系递进设计，构建“专业引导-专业认知-专业提升-创新应用”的四段式课程体系，提出在智能制造背景下的传统自动化专业培养模式的更新与重构方案，旨在培养智能制造方向的专业性人才，如图1所示。

图1 “四段式”课程体系

一、传统自动化专业分析

自动化专业是研究机器如何取代人类工作的学科。近年来，自动化技术发展迅猛，许多危险环境中自动化装置更是不可或缺。从传统意义上讲，自动化取代了人类的部分脑力劳动和繁重的体力劳动，同时，许多人类无法完成的复杂而精确的工作也可以由自动化完成。中国自动化专业正式设立于与1998年，教育部将工业自动化、自动控制、部分飞行器制导等专业进行合并，首次在在大学本科专业目录中出现了自动化专业。诞生伊始，就决定了自动化专业是一个多学科交叉专业，它的人才培养目标不仅涉及机械、电子、工业等传统领域，还涉及机器人、人工智能、智能制造等新兴领域。但是，传统的自动化专业培养中依然存在一些缺点，如重教育教学轻实践研究、缺乏创新引领类型的课程设计、某些课程与现代技术的发展不匹配等，更重要的是，在传统培养方案设计中，并没有考虑“课程教育”的因素。因此，对原有自动化专业课程体系进行修订，对标智能制造技术的快速发展，合理设置前沿专业课程，真正体现出自动化专业多学科交叉的优势，切实融入“课程教育”因素，培养智能制造背景下复合型新工科人才，是自动化专业课程体系改革的根本目标。

二、新工科人才培养要素与课程建设

1.新工科“四段式”人才培养实施要素

（1）实施产教融合

新工科“四段式”人才培养模式为工科专业教育创新带来了机遇。在智能制造背景下，自动化专业发展应以新工科教育内涵为前提，促进校企合作，同时推进产教融合教育的实施。产教融合是以校企合作为支撑，实现校企教育一体化机制的一种教育教学模式，它可以促进工科专业课程的创新，提高学生的实践能力，促进学生全面发展，为其将来就业和良好发展打下基础。因此，在新工科“四段式”人才培养中，要以新工科思维理念为指导，依托产教融合模式，实现工科专业课程理念创新[5]。

（2）创造资源共享平台

构建新工科“四段式”人才培养课程体系，应创造资源共享平台，为学生提供获取工科信息的平台，使工科信息深度流通。以往学生都是通过教材和课堂教学获取工科信息，这样狭窄的获取方式使学生无法根据市场需求进行有针对性的学习工科信息内容，对学生专业发展产生不利影响。在资源共享平台的支撑下，教师可以根据教材内容，在共享平台获取相关信息，使教材信息更为丰富，整合教材和平台信息传递给学生，使学生学习与时俱进，更具针对性。资源共享平台的建设可以拓宽师生的工科知识面，促进学校、市场和企业的工科信息在平台上的流通，提高教学效率，帮助学生更好地发展，实现培养具有新工科特色人才的趋势。

2.课程建设

（1）课程建设的内容与现状

①课程建设内容

课程是高校为了实现培养目标而对教师教授的各个学科进行有计划、有目的的教学活动。所有课程的安排都是以人才培养为核心，以课程为中介来实现培养目标。因此，新工科建设是以课程建设为核心内容，课程建设对新工科建设愿景能否实现起着决定性作用。

课程建设主要包括课程目标、课程编制、教材编制、课程实施、课程评价等。课程建设着重于人才培养目标向课程目标的转化，课程目标在课程编制中的贯彻，课程编制对教材编制的需求和课程实施的影响，以及对课程建设的总体评价等内容。既然新工科建设是要构建新的人才培养模式，那么课程建设的创新探索就是其重点改革内容[6]。

②课程建设现状

我国作为教育大国，对课程建设极其重视，但长久以来所形成的课程建设只把学科知识认知作为培养学生的重点，从而忽视了学生的个体差异性和实践训练，这就是所谓的重理论、轻实践的教学方式，而在为数不多的实践教学中，还存在重视实验教学忽视创新性教学的情况。尤其是从90年代开始，各大高校在开始扩招之后，因为教育资源短缺，使得传统的工科教育人才培养模式遭受到不小的冲击。同时，科学技术的快速发展使社会对人才培养质量提出更高的要求，现有的课程建设已无法满足人才培养的需求。与此同时，课程建设中教材编写内容更新缓慢，甚至有些教材长久未更新，没能密切关联科学技术发展和社会需求。这些问题导致学生缺乏现场解决实际问题的能力，直接影响后续的工作[7]。

（2）新工科建设内容与新需求

①新工科建设的内容

我国正在由教育大国迈向教育强国，国家为了适应新产业、新经济、新领域的需求，而对工科教育进行了重大改革，提出了新工科理念这一举措。新工科建设以互联网和工业智能为核心，涵盖大数据、云计算、人工智能、区块链、虚拟现实、智能科技等新设专业，结合智能制造、云计算、机器人等传统工科专业进行改造升级，以此来满足新兴产业的需求。新工科建设主要包括优化现有的学科结构以及工科教育理念的更新，以此来建设一流师资队伍，提高教学质量，利用校内外教育资源，打造学科专业特色，创新人才培养模式[8]。

②新工科的新需求

近年来，信息化对高等教育产生了强有力的影响。如何适应社会科技的高速发展，为社会培养更多优秀人才，是高校管理者迫切需要解决的问题。为了应对信息化带来的影响，就必须要寻找正确的建设思路，探索实践路径，整合教育资源，配合企业发展需求，适应现代技术发展等，工科教育面向未来科技和未来产业才能有更好的发展。

三、智能制造背景下“四段式”人才培养课程体系建设

1.按认知程度进行课程体系递进设计

根据认知程度，将本科生的学习划分为四个阶段：专业引导、专业认知、专业提升、创新应用，根据不同阶段特点，设计相应的课程内容。

第一阶段（1～2学期）：专业引导。通过导论课、公选课、讲座等进行专业引领，开展基本素质训练和认知实践，引导学生对创新有初步认识。

第二阶段（3～4学期）：专业认知。开设专业核心课程，建立学生良好的专业基础，培养学生科学思维能力为创新能力的培养打好基础。

第三阶段（5～6学期）：专业提升。通过专业特色课、跨学科辅修等方式，提升学生知识水平。在此阶段，充分利用校内实验实训环境及企业实训环境，强化专业训练，提高创新创业能力。

第四阶段（7～8学期）通过大学生创新创业项目、毕业设计、企业实习等实现创新应用，给学生创造将所学的知识应用到实际项目中的环境，提升学生解决实际问题的能力。这一阶段，最重要的是引导学生建立创业意识，对较好的科技成果进行扶持及转化。

通过对课程体系按学生认知程度进行递进设计，在低年级段，以夯实学生文化素养、身心素养、职业素养和国际素养，促进学生个性发展，形成积极的学习态度，为后续学生专业性学习培养兴趣，并为学生终身发展奠定基础；在中年级段，夯实学生专业基础，提升学生专业训练，通过参与科研、竞赛活动，提高学生创新能力，完成专业学习目标；在高年级段，通过各种实训活动，培养学生解决实际问题能力，培养学生创业意识。在每一阶段有计划、有偏重，搭建学生培养的系统化、高效的课程体系。

2.教育内涵贯穿全过程

立德树人是教育的根本目标，专业课程的学习始终要与思想政治理论同向同行，形成协同效应。在课程体系建设过程中，教育内涵贯穿全过程，在“三全育人”的格局下，体现“专业课程承载教育内耗”“教育内涵寓于课程内容”的基本理念，实现两者的有机融合与无缝对接。

（1）将课程教育建设目标纳入学生培养目标和毕业要求中，适时对培养方案进行调整

人才培养目标应该有两方面组成，一种是专业目标，一种是教育目标，整合这两种培养目标制定的人才培养方案才是符合国家提出的德才兼备高层次人才培养方案。专业目标包括专业知识、学科素养、思维养成等；教育目标则是指爱国情怀、职业素养、团队协作、国际视野等。人才培养的目标就应该将两种目标有机统一。在确定人才培养目标后，对现有的专业课进行教育融合，从而建立符合本专业专业目标及教育目标人才培养的专业课程体系，以达到复合型新工科人才培养的目标，如图2所示。

图2 教育目标与专业目标有机统一

（2）聚焦学科特色，完善包含“课程教育”内容的专业课教学大纲设计

教育目标确定后，以课程核心内容知识点为基础，以具有学科特点的教育元素为辅助，寻找课程教育与研究生专业课程的契合点，重构教学大纲，将教育目标和知识目标细化渗透到教学全过程中，如图3所示。

图3 引入教育目标的专业课程大纲重构

值得注意的是，与专业目标中每一章节知识点不会涵盖全部的专业知识一样，每一章节的知识点所对应的教育元素也是不同的。这一部分最重要的工作就是任课教师根据自己每一章节的内容，对标教育目标里面的元素，深挖其专业知识与教育元素之间的关系，以达到“课程教育”潜移默化影响的作用。比如，自动化专业比较重要的专业课《自动控制原理》，在第一章自动控制概论中，首先明确章节的专业目标为：学生掌握自动控制系统的组成及工作原理、了解有关概念名词及术语、掌握反馈控制系统的基本要求；教育目标为：爱国精神、和谐社会。根据这两个元素，进一步寻找相关教学案例，如通过分析工业5.0过程中我国由制造大国向制造强国转变所要面对的机遇与挑战、给学生讲述控制论创始人钱学森及爱国和治学精神，以激发学生的爱国情怀，既达到了学生了解专业知识的目的，也达成了课程教育的目标。

（3）教学设计要考虑到所面对的学生认知的发展规律

学生在不同阶段的认知是有差别的，教学设计时，要结合学生的认知及课程进展规律将教育内涵以不同的方式融入到课程中。低年级学生的教育内涵要点在于科学思维及科学意识的培养，所以在教学设计中融入马克思主义的原理及方法，引导学生运用马克思主义的原理和方法看待和解决科学问题的能力；高年级学生的教育内涵要点在于学生的世界格局和科学情怀的培养，实现对其世界观、人生观、价值观的塑造。所以，在课程设计中，教师应更注重引用典型爱国科学家、时代楷模的案例对学生进行引导。

3.基于智能制造知识体系，更新自动化专业课程内容

结合山东大学机电与信息工程学院自动化专业培养的具体情况，建立智能制造技术与自动化专业相关理论的关联，从而更新自动化专业课程内容，如图4所示，使课程设置与培养目标相一致。

图4 基于智能制造技术更新专业课程

智能制造系统是一个复杂的概念，而智能制造技术是智能制造系统的最基本构成---生产基础自动化系统层，主要包括生产现场设备及其控制系统。在自动化专业培养的专业目标中，应该包含这些技术的认知，如智能仪表、机器人、物流设备、检测设备等，因此需要对照这些技术研究所包含的自动化相关理论内容。比如，在检测设备中所包含的自动化相关理论有智能检测、图像处理等，将这些理论梳理，确定与其相关的专业课程，并按照认知程度，安排在合理学期，建立适应于智能制造知识体系的自动化专业课程内容。

四、建立“自动化+”跨学科融合模式

2013年，国外慕课平台edX开启了全球范围的首个“微专业”模式，它是将同一类知识体系下的多门课程组合开设，从而形成了最早的“微专业”概念。山东大学在2020年启动了“微专业”建设，开启了山大特色的“微专业”模式。该模式的重要设计思路在于在本科专业目录以外，围绕某个特定的方向，提炼一组核心课程，组成“微专业”模式，学生可以自由修读，修读完成即获得“微专业”证书。这一模式使得学生能够跨学科选修，实现知识的交叉融合，从而实现复合型新工科人才培养的目标。

山东大学机电与信息工程学院，基于“微专业”体系，自动化专业与相关智能制造、计算机等专业共同设计学科拓展模块，每个跨学科拓展模块包括学科特色课，统一设计培养方案，做到通选课一致，学生可根据自己的兴趣及需要选择跨学科拓展模块，通过课程学习，使得学生能够对新兴行业及新型技术等最前沿发展趋势有所了解，同时拿到“微专业”辅修证书，为学生尽早适应行业需求奠定坚实基础。

五、结论

随着科技的快速发展，新时代对高校人才培养提出了更高的要求。作为人才培养的具体实施单位，一定要紧贴时代发展，及时对学生的培养目标、培养方案及课程具体设计进行更新，在“新工科”等理念背景下，从课程体系、教育内耗、更新专业课程、跨建“自动化+”跨学科融合模式出发，构建全员、全过程、全方位的一体化育人格局，形成一个以价值、知识、能力为核心的，贯通型、进阶式的特色课程体系，以求探索出一条智能制造背景下的新工科人才培养的新途径。