新工科背景下基于工工交叉的人才培养模式研究与实践——以北京联合大学机器人学院为例

刘伟，谭苗苗，刘冰冰，王淑芳，张建成

（北京联合大学机器人学院，北京 100020）

新工科人才培养必须破除原有的专业分割壁垒，通过产教融合、校企合作，建立协同育人生态环境，实现人才供给侧结构性改革，这是新工科建设的重要方面，也是工程教育主动适应新经济发展要求的重要途径[1]。因此，教育部大力推进新工科建设，强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重新技术与传统工业技术的紧密结合[2，3]。

新经济本身是一个跨行业、跨领域的概念，对人才的知识、能力和素质要求更加综合，培养适应未来新经济发展需要的新工科人才需不断进行探索与实践，采用多学科专业交叉融合方式是一种趋势[4]，然而在实施过程中也面临着以下问题：

一是专业课程设置不合理：地方高校中传统的专业课程体系往往是根据单一学科设置，不能满足新产业对新工科人才提出的“通宽性、前瞻性、交叉性、开放性、实践性”要求，新工科人才要求毕业生的知识结构和能力素质更加全面，因此需要更科学的课程体系。

二是缺乏资源共建与共享：各专业建设与发展相互孤立、缺少交集，一方面各专业的师资与课程资源等不能互通有无；另一方面校内外实践条件建设也是各自独立开展，导致资源分散、重复建设、特色不突出等问题，对培养新工科人才的支撑力度不足。

三是教师知识结构不完备：具有多学科知识背景的教师缺乏，现有教师大部分知识结构单一，需要整体建设规划并加强激励机制来促进教学队伍的建设。

针对上述问题，本文以北京联合大学机器人学院为例，围绕机器人领域的人才培养，探索按照机器人领域共性技术和关键技术需求构建专业群，以及与之相适应的课程群体系、教学队伍和教学模式的路径。

一、打破基于学科的专业设置方式，构建跨学科工工交叉的专业群

根据机器人研发的共性技术和关键技术，可将人才需求划分为“动力机械、运动控制、环境感知、智能决策、人机交互”五个模块。按照五个人才需求模块，建立“岗位类型-人才需求-专业支撑”关系矩阵，如表1所示，每个模块的人才需求以及每个岗位类型均无法通过单个专业的培养得到充分满足，复合型的知识和能力结构需要多学科专业交叉融合培养。

表1 “岗位类型-人才需求-专业支撑”关系矩阵

按照表1的支撑关系重设传统工科专业人才培养目标和毕业要求，分主次涵盖多学科专业的知识和能力要求，从而提升专业内涵。

增设新兴专业，针对需求模块中未涵盖的新技术开办新兴专业，使专业群的学科专业结构布局不断完善，更好地满足产业、技术和就业需求。

打造微专业，拓宽学生的知识结构，使学生同时学习其他专业的核心知识。如开设“人工智能”微专业，通过辅修使其他专业的学生同时具备人工智能知识结构。

二、打破按专业建设课程的方式，构建跨学科工工交叉的课程群体系

综合考虑五个人才需求模块与专业间的支撑关系，保留专业基础、兼顾专业特色，整合内容相近或技术关联度较高的课程和训练项目组建理论课程群和实践专题群，增设新技术课程群，授课对象面向多个专业学生，鼓励学生跨专业组队完成实践任务，实现跨学科专业合作学习。

建立多专业共享的理论课程群，梳理支撑各专业培养目标的知识要素，构建“素质通识、专业基础、专业拓展”3个层次的理论课程平台，实现跨专业知识学习。对接各专业新的毕业要求，设定不同专业的课程教学目标，同名课程应有所区分；优化课程教学内容，融入所需相关专业的知识和能力要求；增设新技术课程群，拓宽学生的知识结构，如机器人技术课程群，人工智能技术课程群，可开设机器人技术基础、机器学习等课程。

建立多专业共享的实践专题群，梳理支撑各专业培养目标的能力要素，构建“基础型、进阶型、高阶型”3个层次的实践专题平台，对复杂性、综合性、创新性的要求逐层递增，专题涵盖多学科专业知识，鼓励通过项目任务的逐步添加，使不同层次的专题项目具有一定的连续性，逐步提升学生的工程实践能力，形成递进式、跨学科、跨专业的工程实践能力培养。

三、打破按专业建设实践环境的方式，建立跨学科工工交叉的工程实践条件

人才培养环节按照基础、核心、应用、创新4种能力划分，设计纵贯大学四年的递进式能力培养链条。合作企业能够以不同方式全程参与人才培养，例如，培养方案的制订、课程教学的实施、育人环境的建设、师资队伍的建设、实践教材的建设、课外竞赛的指导等，形成以课程思政为引领，以解决复杂工程问题能力为导向，以项目驱动为教学方法，嵌入式多维度产学研协同育人的人才培养模式。如图1所示。

图1 产学研协同应用型人才培养模式

跨界整合搭建工程综合实践平台，校内跨学科专业整合实验室等实践资源，校外联合企业研发各种服务机器人、特种机器人等工程实践载体，满足学生实施跨学科、跨专业的综合性工程项目。产教融合建设综合性校外实践基地，拓展实习实践资源，支持学生进行跨学科、跨专业的认识与实践活动。

四、实施面向跨学科专业群的教学改革

根据专业群所面向的特定“服务域”，明确各专业之间的依赖关系，深入分析专业群内核心专业与相关专业和课程的共性与差异性，围绕人才需求构建专业群核心课程，体现“交叉性、高阶性、创新性、挑战度”，通过科教融合、产教融合等多种途径将多学科前沿知识、产业新技术有机融入教学内容，形成公共平台与多个专业方向彼此联系、相互渗透、共享开放的课程体系。以保证专业群的基本规格和全面发展的共性要求的“平台”课程和实现不同专业或专业方向人才培养的“模块”课程为主要形式，按照由简单到综合、由易到难，分级别开发的原则，进行核心课程群的整体设计。通过课程群的底层共享，中层分立，高层互选，凸显专业群的适应性，发挥专业群在拓展新专业或专业方向方面的集群优势。根据课程学习目标组织教学内容，并运用BLOOM教学目标分类法明晰学生学习课程后所获得的成果。

以OBE教育理念为指导，参照CDIO模式，通过项目设计将整个课程体系有机而系统地结合起来。首先确定课程群的能力目标和知识目标，借鉴CDIO标准来设计和规划培养方案和教学要求；接着进行项目设计，CDIO项目按规模和范围可划分为三级：精心规划贯穿课程群的一级项目，是学习完该课程群所要达到的最终目标；再根据课程之间的联系设计二级项目；然后在每门课程里设计三级项目。通过项目的实施培养学生综合应用知识的能力，达到教学目标。

设计评价方式，以检测课程学习目标的达成度为导向，以激发学生学习动力和专业志趣为着力点，注重学习成果的形成性评价，设计与多学科知识结构和跨专业合作学习相适应的考核方式与评价标准，不同学科专业的相同课程应有所区别。

建立改进机制，课程进行中，关注不同专业学生的学习情况和学习成果，及时调整教学内容和策略；课程结束后，依据课程目标达成度、针对不同专业对比分析教学中的问题并制定相应的解决措施。

五、构建基于专业群的教学组织模式和管理运行机制

改变传统的组织模式，采用矩阵式结构，横向以专业为教学组织主体，纵向以课程群为教学组织主体，形成双主体组织模式，如表2所示。矩阵式结构可加强专业间的沟通，促进各专业资源的整合与共享。

表2 矩阵式结构的教学组织模式

制定并逐渐完善与专业群组织模式相匹配的管理制度，确保专业群组织模式的有效实施及建设成效，如专业群联席会议制度、课程群负责人制度、教学质量监督与反馈制度等。

建立并优化一系列运行机制，保证专业群组织模式的可持续发展和质量提升，包括灵活的课程群准入与退出机制、课程群团队首席主讲教师机制、专业负责人与课程群负责人定期沟通机制、专业对课程群的反馈机制等。

六、结束语

北京联合大学机器人学院经过专业结构调整，目前有机械工程、自动化、软件工程、电子信息工程和机器人工程5个本科专业和一个人工智能微专业，各专业均服务机器人产业，涵盖机器人领域核心技术，形成了面向机器人产业的特色专业群，并打破原有的组织模式，构建了跨学科工工交叉的课程群体系。学院以轮式机器人、服务机器人等为应用载体，在教学活动中以科学任务带动人才培养，开展多专业交叉融合的教育教学改革创新。同时注重产教融合、科教融合、校地融合，在探索并实践新工科教育和人才培养方面取得了丰富的成果和宝贵的经验。