基于“新工科”理念的“现场总线与工业网络”课程教学改革探究

穆宜敏，王晓荣，孙冬梅，张卿

（南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816）

1 前言

近年来，随着科技的高速发展，测控技术与仪器在各个行业中的应用越来越广泛。在新工科的背景下，为了培养适应未来工业发展需求的人才，教育界开始关注如何改革工科教育。“现场总线与工业网络”课程是测控技术与仪器专业的一门专业必修课程，是计算机网络、通信技术与自动控制技术相结合的产物，综合了电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的最新发展成果。主要学习总线通讯技术的发展和应用概况、现场总线控制网络的通信基础、支持现场总线控制网络的核心技术以及控制网络的开发过程等。目的是使学生了解现场总线的基本结构与基本组成，掌握现场总线的基本工作原理、基本分析方法和基本实验技能。“现场总线与工业网络”是面向本科四年级的学生，他们具有扎实的专业基础课的知识和完备的专业知识体系。但是，本科四年级的学生，除了要学习本专业的知识外，还要面对考研升学、找工作实习、出国留学等压力，学生的学习热情不高、投入的精力和时间很少，课堂教学反馈不佳，是专业核心课程需要解决的特殊问题。因此，开展“现场总线与工业网络”课程教学的改革势在必行，这将有助于激发学生学习的热情和动力。通过教学改革，将专业知识与工程项目实践相结合，培养学生独立思考、解决实际问题的能力，建立学生创新思维的意识，同时加强学生的工程实践技能，全面提高在系统设计和解决复杂工程问题上的能力。

2 “新工科”理念的概述

“新工科”理念起源于美国，旨在将传统的工科教育与现代科技、信息技术、创新思维等领域进行跨学科融合，培养具备工程实践能力、创新能力和团队合作精神的工程师，这一理念倡导将工程学科与计算机科学、人工智能、材料科学等学科相结合，通过项目驱动的教学模式培养学生解决实际复杂工程问题的能力。“新工科”理念的核心要素包括跨学科融合、项目驱动、实践教学和创新思维。跨学科融合是指将不同学科的知识和研究方法进行整合，培养学生具备多学科交叉融合的专业知识和分析复杂综合问题的能力。项目驱动的教学模式通过与企业合作，让学生实际参与到工程项目中，在实践中学会应用理论知识。实践教学注重培养学生独立思考和全局分析的科学素养，通过理论学习和工程实践项目结合的形式提高学生解决实际问题的能力。创新思维则强调培养学生的创新意识和创新能力，鼓励学生勇于尝试和创造。

“新工科”理念的实施已经在全球范围内得到了广泛关注和推广，许多高校和教育机构纷纷进行教学改革，引入“新工科”理念，在实施过程中，一些高校开设了与“新工科”相关的选修课程，提供更深入的专业知识和技能培训，加强实践环节的评估和反馈机制，提高学生的实践能力和创新思维，一些高校还与工业界合作，开设实习项目，让学生在真实的工程环境中得到实践锻炼。

3 “现场总线与工业网络”课程教学改革的必要性

3.1 提高学生的学习兴趣和学习效果

传统的课堂教学以教师讲授书本上的理论知识为中心，学生则被动地接受知识，缺乏运用知识解决实际问题和独立思考的环节，而通过教学改革，可以采用工程项目案例分析、小组讨论、产教融合等多种教学方法，让学生参与到教学进程中，激发学生的学习兴趣，培养学生独立思考问题的能力，学生通过实际操作和实践应用，能够更好地理解和掌握现场总线和工业网络的知识。

3.2 培养学生的实践能力和创新思维

现场总线和工业网络是实际工程中的重要技术，学生在课堂上只靠理论知识是难以真正理解和应用的。通过教学改革，可以增加实践环节，让学生亲自动手制作双绞线、利用ModBus总线协议和CAN总线协议解决嵌入式系统数据传输数据量与数据传输相互冲突等问题，了解其实际应用场景，通过开展如开发部数据与云端数据互传等创新设计项目，鼓励学生通过查阅文献提出全新或改进的解决方案，建立学生的创新思维和解决工程实际问题的能力。

3.3 提高学生的综合素质和就业竞争力

现场总线和工业网络的应用已经广泛存在于各个行业，特别是工业制造领域，掌握这一技术，对于学生未来的就业起到了重要的推动作用，通过教学改革，学生能够全面了解现场总线和工业网络的原理和应用，具备相关的实践经验和技能，这将有助于学生在就业市场中脱颖而出，提高就业竞争力。

4 基于“新工科”理念的“现场总线与工业网络”课程教学改革策略

4.1 课程目标和教学目标的设定

在进行课程目标和教学目标设定时，应了解当前工程领域对现场总线与工业网络技术人才的需求，分析行业发展趋势，从而明确课程目标，可以参考行业报告、专业协会的研究和企业的需求反馈，确保课程目标与行业需求紧密契合，充分考虑学生的知识背景和学习能力，设定适合他们掌握的课程目标，可以通过问卷调查、个别面谈等方式获取学生的信息，确定目标的难易程度和深度，以便更好地引导学生的学习。将现场总线与工业网络技术与实际应用相结合，设定能够培养学生实践能力和解决实际问题的课程目标，可以引入实验、项目案例等实践环节，让学生能够将所学知识应用到实际生活中，提高学习的实效性。将课程目标分解为具体的教学目标，明确学生应该掌握的知识、技能和能力。可以根据课程大纲和教学内容，将课程目标细化为每个教学单元的具体目标，以便更好地组织教学。根据教学大纲和课程目标，不断优化教学策略和教学方法。采用工程项目案例分析、多小组讨论、企业导师交流分享真实项目等多种教学方法，激发学生学习的兴趣和主动性，增强教学效果。不断调整优化教学目标，建立相应的评估体系，通过课下与学生沟通交流，及时掌握学生的学习进展，给予及时的反馈。可以采用考试、作业、实验报告等方式对教学效果进行评估，帮助学生及时发现和纠正问题，提高学习效率。在设定课程目标和教学目标的过程中，教师起着重要的角色和责任。教师应该具备行业前沿和工程实践的经验，不断更新自己的知识、教学方法和授课技巧，以适应现场总线与工业网络技术的快速发展。同时，教师还需要随时关注学生的学习情况和就业需求，根据学生不同的学习兴趣及潜力，制定差异性的个性化教学计划。

4.2 教学方法和教学资源的优化

可以通过将现场总线与工业网络技术与实际的工程项目相结合，让学生在实践中学习，可以组织学生参与到真实的工程项目中，让他们利用自己所学习的专业基础课、专业核心课的理论知识，亲身体验实践操作和解决问题的全过程，提高学习的实效性和应用能力。要鼓励学生进行小组讨论学习，通过分配调研任务，组员间小组交流，小组组会汇报以及撰写学习报告等方法，建立学生的团队合作理念，培养学生高效沟通交流的能力。可以利用多媒体技术，如PPT、视频等辅助教学，可以通过多媒体展示实验过程、案例分析、行业应用等，提高学生对知识的理解和记忆，激发他们的学习兴趣。需要根据现场总线与工业网络领域的最新发展，及时更新教材内容，确保教材与行业需求保持一致，可以邀请业界专家参与教材编写，融入最新的技术和应用案例，提高教材的实用性和权威性。可以加强实验室建设，提供先进的设备和环境，让学生能够亲自动手进行实验操作。同时，可以带领学生到企业工厂实习，让学生了解目前最前沿的生产设备、技术和方法，并将理论知识与最新的生产成果相结合，在生产实习中加深对理论知识的学习，并将书本知识反馈到实际生产中，提高实践能力和应用能力。建设和利用信息化教学资源库，如网络课程、在线学习平台等，可以提供在线课程资料、教学视频、辅助学习材料等，方便学生自主学习和深入了解相关内容，教师也可以通过在线平台进行作业布置、学习指导等，提供更加个性化的教学服务。

4.3 评价体系的完善

评价体系是帮助教师全面掌握学生学习情况的有效手段，可以及时发现他们在学习中出现的问题和不足。此外，教师可以调整教学方内容、改进教学方法，提高教学的效果以及学生的学习成绩。评价体系作为学生学习目标的反馈，使学生学习更具有方向性，可以不断促使学生查缺补漏，调整学习方法。学生通过评价了解自己的学习情况，知道自己在哪些方面需要努力改进，从而更加主动地参与学习。提高学生的参与度可以激发他们的学习兴趣。通过引入互动式教学、翻转课堂以及项目调研式学习等方法，让学生更加主动地参与到课堂活动中，积极思考问题，提高学习主动性。学生参与度的提高可以增强他们学习的主动性。当学生积极参与课堂活动并取得好的成绩时，会有一种成就感，形成一种良性循环的正反馈学习机制，建立起对学习知识和解决问题的信心和热情。可采用多种评价方式，包括课堂表现、作业完成水平、项目实践效果等，不仅注重学生的知识掌握程度，还要关注他们的实际操作能力、创新思维和团队合作能力等方面，综合评价学生学习的掌握情况。教师应及时对学生的学习情况做出评价反馈，并根据学生情况进行个性化的指导，并提供相应的改进建议，以便让学生更好地调整学习策略，增强学习效果。鼓励学生进行自我评价和同学互评，让他们参与到评价过程中，反思自己的问题，并对其他同学出现的问题提出建议，提高评价的客观性和准确性。可采用互动式的教学方法，例如，案例调研、文献阅读、小组交流、工程实例分析等，让学生积极地参与课堂活动。此外，还可以通过学习互助，让学生可以更好地理解和应用“现场总线与工业网络”的知识。还可以引入项目式学习，让学生在企业中参与实际项目的设计与实施，与企业工程师沟通交流，在实践中深化理论知识的学习，并对学习过程作为自我评价和总结。除此之外，授课老师应创设积极、互动和鼓励合作的学习环境，让学生感到愉悦和自信，鼓励学生提问、思考和表达，激发他们的学习动力和参与意愿。

5 结语

面对大学四年级学生非学习因素（如考研升学、找工作实习、出国留学等）对课程教学的负面影响，本文对“现场总线与工业网络”课程教学改革进行了探索。以课程目标和教学目标的设定、教学方法和教学资源的优化以及评价体系的完善等方面为切入点，充分考虑学生的知识背景和学习能力，设定适合他们掌握的课程目标。利用多媒体技术，如PPT、视频等辅助教学，借助多媒体展示实验过程、案例分析、行业应用等，提高学生对知识的理解和记忆，激发学生的学习兴趣。采用多种评价方式，包括课堂表现、作业完成水平、项目实践效果等，注重学生的知识掌握程度，并根据学生情况进行个性化的指导。通过基于“新工科”理念的教学探索，不断优化教学效果，提高学生的实践能力和创新思维，培养适应未来工业发展需求的人才和优秀的工程师，为工业自动化技术的发展做出贡献。