新形势下高校自动化专业实验教学改革探析*

王伊琳，杨 旭

(武汉理工大学 自动化学院，武汉 430070)

随着我国“新工科”人才培养理念的提出，在新形势下高校自动化专业实验教学面临着改革要求。我国在步入社会主义新时代后，为了应对全球新一轮科技革命对高端人才资源的需求与竞争，高校自动化专业实验教学也存在着改革必要。根据《自动化专业实验教程》的体例安排，自动化专业实验教学内容主要由信号与系统、自动控制原理、电力电子技术、电机及拖动基础、微机原理与接口技术、单片机原理及接口技术、可编程序控制器、DSP原理与应用、计算机网络技术、运动控制系统、过程控制系统等专业课程组成。不同实验教学项目之间存在着技术流程和功能原理的异质性，这就要求从整体视角出发，从总括层面寻找到自动化专业实验教学改革的思路。

一、相关研究综述

自动化专业着重于科技创新和实践应用，深入影响经济发展中的各个方面，对于社会的经济发展有着重大作用，是现代应用型技术大学工科建设的重要内容，更是衡量国家现代化程度的重要标志。对于新形势下自动化专业如何进行实验教学改革，很多专家学者提出了自己独到的见解与看法。房立存基于对新成立的应用型技术大学自动化专业建设背景的思考，阐述了在新工科背景下应用型技术大学实验教学的探索过程与实施路径[1]；刘晓面向机械设计制造及其自动化专业，构建了“三层次—九模块—五结合”的实验教学课程体系，明确了各实验层次、实验模块的具体内容[2]；黄倩分析了我国应用型高校自动化专业教学所存在的局限和不足，提出了应用型高校实验教学改革模式建议[3]；荣海林认为在新工科背景下自动化专业培养创新型人才的需求对实验教学提出了更大挑战，并以样本高校自动化专业为对象，提出了实验教学团队需加强顶层设计，创新“授验结合”式实验教学方式的观点[4]，实践证明，该实验教学方式取得了良好的教学效果，对学生工程实践能力的培养、实践教学的发展以及学科建设都起到了强有力的助推作用；李明构建了启发性实验、基础实验、虚拟在线实验、综合设计实验、创新项目、大学生竞赛、应用型毕业设计等逐层递进的实验教学流程，分析了各个环节的教学方法和目的，构建了培养学生创新思维和工程实践能力的实验教学体系，试图帮助学生实现从认识到自主设计、从提升到应用阶段的递进[5]；赵久强围绕以学生为本、能力培养、素质提高、协调发展的教育理念，从教学内容、教学模式和评价体系等方面，介绍了自动化专业探究性实验教学领域的改革和实践[6]；白锐针对自动化专业的特点，以培养应用型人才为目标，提出了实验教学的优化策略，其策略包括实验教学体系的构建、实验教学内容的完善和优化、实验教学平台的建设[7]；么洪飞在讨论传统实验教学存在问题的同时，结合自动化专业的师资和实验室资源，从实验教学内容、教学时间和空间、教学方式方法及实验的考核等方面,提出了自动化专业开放性实验教学的构想[8]。

上述研究所形成的观点构成了当前的主流研究思想，其中不乏值得有本文借鉴的地方。但在这里也需要指出，当前主流研究尚未形成“新工科”背景下开展主题讨论的传统，即使已有研究提及了“新工科”背景，但仍缺乏开放的研究视野。所谓“开放的研究视野”是指，基于新一轮科技革命对工程技术类人才的培养要求，应将产业发展、岗位能力要求、学科交叉、市场人才需求等因素纳入研究视野，进而使自动化专业实验教学改革在满足教学技术和育人规律的同时，还能明确自动化专业实验教学改革中的人才需求指向。由此，主流研究存在的不足，便为本文的立论提供了启示与拓展研究的空间。

二、新形势下高校自动化专业实验教学改革的目标定位

具体而言，基于分层原理可将实验教学改革的目标定位如下：

(一)定位于建立理论与实操相容的辩证关系

作为基础层级，在自动化专业实验教学改革中需建立理论与实操相容的辩证关系。哲学范式下的辩证关系强调了事物之间的普遍联系性，在这里则反映为理论知识研习与实操技能提升之间的关联性。具体而言，学生所具备的理论知识构成了他们的专业意识，在专业意识的驱动下学生应有目的地展开实操活动。与此同时，学生在实操活动中所获得的实践认知又应助力自身专业意识的提升与再造。在二者相容的基础上，学生最终成为理论知识与实操能力兼备的自动化工程应用型人才。确立上述改革目标，归因于解决当前在自动化专业实验教学中存在的理论与实操呈板块化衔接的问题，即偏向于以实验教学来印证理论知识，学生则在所谓标准化实操流程中证明理论知识的正确性。

(二)定位于将指导性实验转变为探究性实验

随着理论与实践相容中辩证关系的建立，便需改变当前以实操印证理论的单向反馈模式，进而也需变革自动化专业实验教学的价值导向。为此，这里的改革目标定位于将指导性实验转变为探究性实验。所谓“指导性实验”是指学生在规定的实操流程中完成既定的实验任务，其实验结果需与既定的标准结果相对照，并以对照后的答案匹配度作为评价学生实操成绩的关键指标；而“探究性实验”指的是联系产业发展趋势并结合学生目前的能力水平，围绕预设的课题(生产任务)开展实操活动。显然，探究性实验的实验结果具有不确定性，这种不确定性或者为学生团队无法在规定时间内完成任务，或者为课题(生产任务)本身在目前还不具有完成的条件。这种转变所带来的红利为学生可以从探究性实验中形成问题意识，也能从中获得科学精神和工匠精神的启蒙。

(三)定位于在市场需求导向下优化实验思维

目前，在主流研究中并未联系市场需求来探讨自动化专业实验教学的改革议题，因为诸多研究者并不具备经济领域中的基础知识。在新形势下，自动化领域中的一切研究成果都需转为商用，才能使研究成果最终成为推动我国社会生产力发展的微观载体，自动化专业实验教学的改革目标在这里便需定位于在市场需求导向下优化学生的实验思维。优化后的学生实验思维应体现为学生能自觉根据产业发展实际选择实验方向，也能自觉契合企业的经济效益目标，对如何改进技术和工艺流程来降低制造成本和制造周期进行思考。为了使学生的实验思维得到优化，需首先打破实验教师的固有思维，即习惯于以学生技术精进为主线的实验教学意识。另外，还需为学生补充有关自动化研究成果的商业转化知识。

(四)定位于建构具有学科交叉性的实验项目

在新形势下各学科之间的交叉贯通成为了常态，如在人工智能领域伦理学标准成为了约束技术滥用的依据。为了使学生能够适应新形势下自动化产业发展环境，实验教学改革的目标还需定位于建构具有学科交叉性的实验项目。实验项目也可看作为实验教学的内容，且在开发探究性实验教学形态时，需在学科交叉中寻找灵感。同时，自动化领域本身所存在的学科交叉性特征，又从客观上要求对实验项目作出改革。在建构具有学科交叉性的实验项目时，还需直面其中所存在的约束条件。其中，课程约束和实验条件约束成为了约束条件的重要组成部分，为探究实验教学改革的方向提供了问题域。

(五)定位于使学生建立自组织实验学习系统

在新形势下开展自动化专业实验教学，还需为学生建立自组织实验学习系统创造条件，构成了实验教学的改革目标。“自组织实验学习系统”可界定为：(1)学生在面对实操问题时具备专业思考的自觉，并能主动搜集与实验项目有关的资料；(2)学生在实验过程中能够自觉迁移和整合理论知识，并能对实验结果与标准结果间的差异作出反思，而不是盲目否定自己的结论；(3)学生在受到实验启发后，能自觉、主动地关注产业相关信息，改革实验教学模式成为了必须。

三、新形势下高校自动化专业实验教学改革所面临的挑战

自动化专业实验教学改革在贯彻上述目标时，会面临以下五个方面的挑战：

(一)理论教学与实验教学存在信息壁垒

已知在自动化专业实验教学改革中需建立理论与实践两者间的辩证关系，但在构建这种关系时却面临信息壁垒所带来的挑战。这里的“信息壁垒”指在自动化专业教学中，理论教学任务与实验教学任务一般分由不同的教学主体承担，这就在客观上使理论教学与实验教学间存在着信息壁垒。理论课教师并不具有为实验教学定向提供知识铺垫的主观自觉，实验课教师也不具备帮助学生整合、迁移、反思理论知识的主观意识。两类教学主体依照自己的岗位职责，基于各自的教学体例完成着自己的工作任务。

(二)探究性实验存在技术路径收敛难题

在自动化专业中建立探究性实验教学形态，这可以被看作为一种实验教学创新。然而，在打造该实验教学形态时，却面临着技术路径收敛难题所带来的挑战。在前面的论述中已指出，探究性实验抛弃了封闭命题的传统，并基于新形势下的自动化产业发展趋势，以开放的命题来塑造学生的科学精神和工匠精神。显然，开放的命题所催生出的不确定性将对实验教学管理带来压力。其中，实验时间控制、实验资源投入控制、实验安全风险控制等，都会对实验教学产生前所未有的压力。

(三)学生专业意识阻碍商业思维的建立

在改革自动化专业实验教学时，需以开放的心态来面对学生未来的职业选择和走向。具体而言，在新形势下学生即使在自动化领域就业，他们不仅可担负研发生产任务，也可以承担客户维护、售后服务等管理工作，所以优化他们的实验思维十分必要。然而，学生所累积起的专业意识却阻碍了他们商业思维的建立，并在相对封闭的专业教育大环境下，学生个体因受群体意识的影响又会强化自我的专业意识，而更为排斥专业领域以外的商业知识。

(四)工程技术与人文元素交叉存在困难

在主流研究中已有研究者基于“新工科”背景提出了学科交叉议题，他们在对实验教学改革的建议中也意识到学科交叉的客观必要性。然而，主流研究提出的学科交叉观点仍具狭隘性，未能将工程技术与人文元素间的交叉融合纳入研究视野，这一研究现象与工程技术与人文元素在交叉中所存在困难存有关联。需要强调的是，学生若缺乏人文关怀精神和敬畏社会伦理道德的心理，在未来的职业生涯中，单纯以一种“工具理性”来驱动自我的专业技术发展，而无法成为心系国家和人民福祉的工程技术人员。

(五)实验教学中的自组织学习环境缺失

当前，主流研究并未对实验教学中学生自组织学习系统的建设问题展开讨论，而这确是一个重要问题。另外，笔者在构建学生自组织学习系统时，却发现实验教学中存在着自组织学习环境缺失的现状。我们在上文中已指出，实验课教师依照教学体例完成教学任务，使实验教学活动难以延伸至课后。另外，实验教学评价以学生所提交的实验报告为主要依据，这又抑制了学生延伸实验学习活动的主观意愿。由此，因存在由自组织学习环境缺失所带来的挑战，便难以使自动化专业实验教学改革获得一种全新的面貌。

四、新形势下高校自动化专业实验教学的改革思路

根据以上所述，新形势下高校自动化专业实验教学改革思路构建如下：

(一)整合教学团队，增强实验教学的正反馈效应

在新形势下需要建立高水平的自动化专业教学团队，针对理论教学和实验教学分别组建师资队伍具有其内在的合理性，但仍需通过整合教学团队来增强实验教学的正反馈效应。在不改变师资教学职能的前提下，整合教学团队的重点应为：建立信息交互和共享机制，使理论教学师资能够为实验教学定向进行知识铺垫，实验教学师资也能为理论教学引导学生反思实验结果。为了使教学团队在整合中获得制度保障，可以根据“课程群”组建包含理论教学师资和实验教学师资在内的教学团队。如，可将“可编程序控制器、计算机控制系统、DSP原理与应用、计算机网络技术”作为课程群，组建该课程群的教学团队，教学团队围绕着建立理论教学与实验教学间的辩证关系，共同研讨能够使理论与实验相容的教学体例，进而增强实验教学的正反馈效应。

(二)为学生提供多元探究性实验的渠道和平台

在新形势下需要激活学生在实验中的创新性思维潜力，所以应为他们提供多元化的探究性实验渠道和平台。首先，可通过改革现有的实验教学管理模式，为学生课题小组开放实验室资源，并在指导教师的协助下为学生提供开展探究性实验的渠道和平台。其次，随着学生进入高年级，可以将部分优秀学生吸收到教师的课题组之中，通过让学生从事文献搜集、实验结果分析，并参与实验流程设计等工作，使学生获得探究性实验的渠道和平台。最后，在“双创”活动中对具有商业价值的自动化设计项目提供孵化平台，让学生创新团队能够借助学校、企业、政府等多方力量，获取探究性实验的渠道和平台。在为学生提供上述条件时，高校需对学生进行分类、分层管理，即为了提高实验资源投入的产出比值，应重点为具有创造性思维能力的学生提供上述渠道和平台。

(三)校企合作下为实验教学构建真实的工作情境

比较而言，让自动化专业学生形成商业思维较为困难，其原因上文已经作出了分析。但在新形势下，高校需要培养具有综合素养的自动化专业人才，且这也有助于拓宽学生的就业门路。根据“实践—认识—再实践—再认识”的逻辑进路，高校应在校企合作框架下为实验教学构建真实的工作情境。如，由企业方提供商业案例，案例可涉及自动化设备研发时的成本控制议题，以及简化技术工艺流程以提高自动化设备产能的议题。在实验教学前期，教师应在向学生介绍案例的同时，对其中所蕴含的商业原理作出分析，如向学生解释为何需要控制研发成本，以及一般采取怎样的方式来简化技术工艺流程。这样一来，学生便能在知其然并知其所以然的思想状态下逐步获得理性的商业思维能力。

(四)加强课程思政建设，充实人文精神教学内容

在自动化专业实验教学中需主动实践课程思政，从上文的论述中可知，课程思政主要起到培育学生人文精神的作用。由于自动化专业所面向的行业十分广泛，不同行业所面临的技术与人文间的冲突也不尽相同。根据自动化专业实验教学内容，笔者将冲突归纳为：自动化技术与社会人伦间的冲突，如人工智能技术；自动化技术与个体隐私保护间的冲突，如人脸识别技术；自动化技术与劳动力就业间的冲突，如工业机器人对劳动力就业产生“挤出效应”等。在实验教学中，教师需要对上述冲突的表现、生成原因、解决办法逐一向学生阐述，并告诫学生在应用自动化技术时需关注人的需要，并在进行自动化功能模块设计时需重视其所发挥的人文关怀的需要。

(五)引入混合式教学方法，重建学生的实验学习习惯

在整合教学团队的基础上，还需引入混合式教学法来重建学生的实验学习习惯。其中，应重视线上共享教学平台的建立。如根据课程群组建了教学团队后，教学团队可在“钉钉”App上建立课程实验交流群，学生可以在群中表述自己在实验中的疑惑，理论教学师资和实验教学师资都可对学生的疑惑进行回应与答疑。对于学生提出的具有探究性特征的实验问题，两类师资可以发挥各自的教学优势与学生在群中进行讨论。为了帮助学生构建自组织学习系统，高校还可以建立导师制，以导师团队与学生团队建立在线信息交互和共享，以导师团队的终身学习风采去感染学生，以起到激励学生团队形成自组织学习行动的自觉。

在新形势下需要建立高水平的自动化专业教学团队，所以针对理论教学和实验教学分别组建师资队伍具有其内在的合理性，但仍需通过整合教学团队来增强实验教学的正反馈效应。在新形势下还需要激活学生在实验中的创新性思维潜力，所以应为学生提供多元化的探究性实验渠道和平台。根据“实践—认识—再实践—再认识”的逻辑进路，高校应在校企合作框架下为实验教学构建真实的工作情境。在自动化专业实验教学中需主动实践课程思政，课程思政主要起到培育学生人文精神的作用。在整合教学团队的基础上，还需引入混合式教学法来重建学生的实验学习习惯。