学科竞赛推动智能制造课程教育质量提升

王天磊，梅 雪，王 莉

（南京工业大学电气工程与控制科学学院 江苏 南京 211816）

当今世界正面临百年未有之大变局，在新一轮科技革命和产业变革的背景下，中国迈向制造业强国之路面临新的机遇和挑战[1]。智能制造在国家制造业发展中地位显著，是我国振兴工业赋能高质量发展的重要国家战略[2-3]。目前，计算机、机械、自动化等传统工科发展相对成熟，但在与智能制造相关的信息化关键技术和学科的融合方面尚缺乏完善的机制。科学与工程结合对于保持国家竞争优势的作用十分显著。因此，加快“新工科”专业建设，探索并形成中国特色高水平工程教育体系，培养引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才的任务变得尤为关键[4]。

作为“新工科”专业的典型代表，智能制造工程专业肩负为国家培养智能制造产业高级人才的重任，是推动新技术、新兴产业发展的重要基础。目前，我国有许多院校开设了智能制造工程专业，或对智能制造相关专业进行了改进和升级[5]，专业发展势头迅猛。与传统工科专业不同，智能制造涉及多学科交叉，其知识体系的广度与深度都有明显加强。现如今，我国各大高校对智能制造课程体系已开展了自己独特的研究和探索，例如，上海大学的智能制造新工科专业建设探索[6]、南京理工大学的跨学科个性化培养模式的探索实践[7]等，均突出了学科交叉、创新能力培养、实践与理论结合等特点，为以智能制造工程代表的新工科专业培养提供了有力参考。

但同时也应看到，智能制造工程专业建设仍有很长的路要走。在科学技术知识爆炸的时代，先进制造业领域理论体系愈发庞大，学科渗透、交叉日益增多，在巩固传统工科知识体系的基础上，融入智能制造领域最新的前沿技术，制订符合行业发展趋势的理论体系和培养方案，是专业建设面临的基础问题。为了适应新的知识和课程体系，须调整传统的单一学科领域授课模式，让学生更好更快接受并掌握多元化交融的科学和工程技术知识。此外，为了落实本专业领域工程人才的综合能力培养要求，还需紧密结合生产实际，推进构建产学结合的培养模式，建设校内外协作的教学实践环境，培养能解决实际问题的高端复合型人才。

面对上述智能制造工程专业课程建设的关键问题，本校专业建设团队正努力探索以学科竞赛推动专业课程建设的新方法。学科竞赛是课堂理论知识与实践结合的重要环节，可以培养学生发现问题、解决问题的能力，培养其严谨的科学思维和创新能力[8-9]。如今，各类学科竞赛项目紧跟时代发展，将前沿领域生产中的实际问题进行浓缩和简化，为学生相互交流、团队协作、实现自我价值提供了广阔舞台。利用学科竞赛中的工程技术知识，通过整合重组建立课堂案例模型，能够强化和拓展课堂理论知识，将前沿技术应用到竞赛案例中，培养学生的创新思维，还能搭建理论到实践的桥梁，缩短理论课程与生产实际的距离，帮助学生更快适应企业生产和社会实际需要。以学科竞赛推动新专业课程建设的新方法能显著提升专业课程教学质量，对智能制造工程专业课程建设有着极高的价值。

1 智能制造工程专业课程面临的挑战

在新时代新工科建设和新型人才培养需求背景下，南京工业大学（以下简称“我校”）制造工程专业以新工科和工程教育认证要求为基础，坚持落定立德树人根本任务，融合了计算机、机械工程、自动化、测控技术与仪器等多专业技术，针对未来制造业面临的突出问题，力求培养充分满足当下信息化驱动的高新技术制造业发展要求的创新型人才。专业构建了丰富立体、多元融合的课程体系基础，积极探索应对包括课程体系改革、教学方法优化、理论与实践结合、创新性思维培养等方面的诸多挑战。

1.1 多学科交叉下课程体系的构建

传统工科专业经历了数十年的发展，课程体系较为完善，培养方式相对成熟。智能制造工程专业部分基础课程借鉴有相似背景的传统工科专业经验开展基础教学，为学生打牢基础。在专业课方面，重视突出学科交叉性，借助学科融合和所在学院的专业优势，针对性解决目标行业的人才基础问题。但目前由于专业建设时间尚短，对智能制造的研究和应用经验尚浅，专业定位尚需更加清晰化，课程体系和培养方案是否能紧跟行业企业需求、顺应新型制造业发展潮流尚需时间检验。

1.2 课程理论与智能制造产业实践结合

如今产业升级换代节奏加快，对专业人才的理论实际结合能力提出了更高的要求。我校智能制造工程专业培养方案制订借鉴了许多传统工科的成熟经验，但面对日新月异的信息化产业需求，仍需不断加强学生动手实践能力的培养，应以就业为导向，匹配智能制造专业对人才的各项需求。目前，专业与企业、行业的长期反馈评价机制尚未完全成熟，如何进一步加强与新制造业产业实践的结合，以实际需求引领课程体系改进，是智能制造工程专业课程建设面临的挑战。

1.3 面向产业信息化的学生创新性思维培养

产业信息化的加强是新一轮科技革命和产业变革的最重要特征之一。信息技术的爆炸式发展带来了许多新的不确定性，也把许多产业带到了发展的重要十字路口。行业的发展离不开人才的驱动，而人才的发散性和创新性思维则是投身高新技术制造业的必要素质。目前，智能制造还没有完全跳出传统工科的课程体系框架，各实践创新平台和创新活动缺乏充分融合，只有充分发挥学科交叉平台的创新能力培养优势，才能培养具有宽视野、多技能的高层次智能制造工程人才。

2 学科竞赛在教育教学中的优势

2.1 从需求出发培养学生的实践创新思维

学科竞赛项目的总体出发点是广泛利用现有技术解决实际问题。有别于传统课堂理论知识授课模式，学科竞赛中的思维过程包含“为什么―怎么做―做什么”的完整闭环，更注重“从实践中来，到实践中去”的实践思维培养。良好的学科竞赛机制可以作为传统课堂教学的良好互补，实现了对学生分析推理、问题解决与创新创造等高阶思维能力的培养[10]。充分发挥学科竞赛在新工科创新人才培养中的工程实践作用，可以构筑校园专业学习与当下科技、经济和社会发展实践需求的桥梁。

2.2 学以致用培养学生的工程技术和动手能力

本科生参与的学科竞赛是本科阶段培养学生动手能力、让学生近距离接触科技前沿和实用技术的有力手段[11]。智能制造工程专业组织学生参与的学科竞赛以机器人类和智能生活设备类竞赛为主，既结合了专业优势和特色，又符合相关领域的技术人才培养需要，而且贴近学生生活日常，寓教于乐，能够激发学生的浓厚兴趣。学生在学科竞赛中需要在充分吸收理论课程知识的前提下，拓展学习工程技术，并且学以致用，化理论为实践，在不断试错和总结中成长。

3 学科竞赛推动智能制造工程专业课程教学质量提升

结合我校智能制造工程新专业建设中面临的困难和挑战，本文以本专业学生参与的学科竞赛为切入点，在总结竞赛特点、优势和发展方向的基础上，从学科竞赛入手，把竞赛技能和课堂知识有机融合，探索智能制造工程专业建设的新方法。

3.1 学科竞赛案例助力学生学习多元化理论知识学习

智能制造的多元化知识体系不仅提高了学生的学习难度，而且增加了教师的教学难度，传统教学经验和手段常常难以发挥作用，难以保证教学质量。针对这种情况，本专业建设团队将学科竞赛知识融入课堂，按照技术类型精心拆解提炼学科竞赛中的知识点，然后根据不同课程内容特点，将分解的竞赛技术重新整合凝练成为课堂案例，与课堂内容相匹配。进而在课堂上配合理论知识拓展讲解，由浅入深，帮助学生更好地理解相关内容。

以工业感知技术课程为例，其课程内容组织模式如图1 所示。传统的授课方法以传统传感器技术课程知识为基础，从数学模型、物理原理、数据融合算法等方面讲解各类传感器原理，知识点较为零散，不同类型传感器的原理之间欠缺系统性联系，学生听课难抓重点，且缺乏直观体会，容易在课程中段逐渐失去学习兴趣。本专业教师以水下机器人和无人机竞赛中的机器人样机为例，在课堂展示竞赛作品实体样机，从竞赛任务需求和功能出发，剖析其中各类传感器的原理，分析其传感器数据采集处理、多传感器数据融合等技术，进而阐释传感器与航行器的执行器之间的功能关系。学生普遍反馈表明，采用新的授课方法不仅加深了学生对课堂理论知识的理解，同时还激发了学生对参与竞赛、拓展课外学习的兴趣。

图1 学科竞赛与理论课程融合模式

该方法的另一个应用案例是机器视觉与智能识别课程。该课程涉及理论较为深入的计算机视觉、人工智能等技术，深入的理论原理与其他专业课跨度较大，较为难懂，若仅仅侧重理论教学，学生的听课积极性会大受影响。本专业教师以魔方机器人、智能小车等竞赛项目为例，对相关竞赛搭建的机器人中的机器视觉识别模块进行剖析，在课堂上举例讲述其工作原理，并以大作业形式让学生组队设计部分算法框架、识别程序等，将抽象的数学公式具体化，加深学生对理论知识点的理解。同时，提供机会让学生近距离了解所学知识在学科竞赛中的具体运用，提升学生对学科竞赛的参与度和认可度。

3.2 关注前沿领域，培养发散性思维

近年来，许多学科竞赛重视竞赛内容的更新换代，力求与产业界接轨，与工业新技术、新理念相结合，充分发挥学科竞赛的人才培养功能。因此，本专业教师在带领学生参与学科竞赛、探索新技术新方法的过程中，充分注重发散性和创新性思维的培养，并不一味局限于讲解现有通用技术在竞赛项目中的应用，而是以传统技术应用案例为出发点，结合前沿领域的新知识、新技术，以课堂讨论、头脑风暴、课后作业等形式，引导学生开展创新设计，培养发散性思维。以制造业信息化导论课程为例，其基本模式如图2 所示。

图2 学科竞赛与理论课程协同培养发散创新思维

以往高校的通识和导论类课程容易被学生忽视，学习积极性和专注度普遍不及专业课，教学效果也因此大打折扣。本专业教师以机器人创意大赛等竞赛案例为例，在讲解传统机器人设备原理的同时，加入人工智能、柔性电子、物联网等最新前沿技术的原理介绍，让学生结合新技术新方法充分发挥发散性思维，不局限于设计的正确性和可行性，而是突出创意和创造性，将抽象的导论内容具体化，提升课程教学质量。与此同时，课堂发散性思维培养对学科竞赛的发展起到促进作用。目前，不少主流学科竞赛经过数年的发展，技术方法有固化的趋势，其创新能力培养的作用有待进一步提升，原因之一在于学生缺乏扎实理论基础支持下的创新性思维培养，缺乏在竞赛中尝试新技术的能力和胆识。将课程体系和学科竞赛融合，能在巩固学生理论知识的基础上，拓展其创新思路，激发其创新潜能，促进学科竞赛和课程学习的相辅相成。

3.3 促进实践课程与智能制造产业接轨

智能制造工程专业是紧密结合国家及地方经济发展和产业结构升级对人才的需求而建立的新专业，因此，结合产业界实际需求，将人才培养落到实处是培养目标的重点之一。我校一向重视学科的产学研融合发展。本专业培养方案中设置了大量的实践教学环节，学校在课程建设中，一方面充分利用学校和学院实践教学资源，不断改进和丰富实验课程内容和教学手段；另一方面与相关企业紧密合作，创建实习实践基地，开展“协同育人”等项目，充分发挥企业和学校“1+1>2”的协同作用。

在传统课程体系下，理论课程内容与实践项目所需技能存在差距，学生普遍存在内心抵触、实践参与度不够、实践技能掌握较慢等问题。本专业建设团队在实践中以学科竞赛为中间桥梁，总结优秀学科竞赛案例，融入实践教学任务，面向实际锻炼学生的实践能力，在潜移默化中拉近实践课程与产业实际技能的距离，促进课程体系与智能制造产业更好接轨。例如，在与嵌入式系统相关的理论课程中，学生通过学科竞赛实例演示初步了解了相关实用技能，在配套的实践课程中，教师总结、提炼和改进学科竞赛任务模型，以此为基础结合生产实际需求，设计大作业和实践项目，锻炼学生的工程技能。在深入企业进行的认识和生产实习课程中，以学科竞赛为基础的实践技能储备能够向生产实际快速转化，帮助学生更快地理解所见所闻，掌握所学知识，更好地融入企业生产环境，提升学习效果。最大限度发挥实践类课程的作用，加深学生对企业生产实际的理解，更有利于学生在毕业后尽快融入社会，实现自我价值。

4 结语

本文着眼于智能制造工程专业课程建设中的关键问题，从本专业学科竞赛特点和优势作用入手，结合实际课堂经验，分析了学科竞赛推动专业课程质量提升的新方法。通过提炼学科竞赛中的关键技术，归纳成为课堂案例模型，盘活课堂理论知识。将前沿技术注入竞赛案例，培养学生的发散性创新思维，同时协同提升竞赛水平。以学科竞赛任务模型提升实践课程参与度，搭建理论到实践的桥梁，缩短理论课程与企业生产实际的距离，进而帮助学生更快融入企业和社会。本文提出的学科竞赛推动课程质量提升的新模式对同类型学校和相关专业均有借鉴意义。