電子與自動化實踐新課程建設和探究

鐘 蕓， 劉媛媛

(上海大學 工程訓練國家級實驗教學示范中心，上海 200444)

電子與自動化實踐新課程建設和探究

鐘 蕓， 劉媛媛

(上海大學 工程訓練國家級實驗教學示范中心，上海 200444)

新一輪科技革命給工程教育帶來了新的挑戰，培養具有多學科交叉融合和工程能力、創新精神和團隊協作能力的高素質復合型工程技術人才成為高校當務之急。掌握基本的科學和技術內涵，保持技術的嚴謹性，又有“融合”的思維方式和創造性思維能力，將是未來工程師所必備的核心能力。通過對于“電子與自動化實踐”新課程體系的建設和探索，研究適合未來需求的卓越工程師的培養方法，構建模塊化、層次化，融合性的教學課程設計，開發學生多維度思考和創新能力。采用傳統模式和創新路徑并存的方法，重視“工匠精神”的培養。通過基于項目驅動和問題解決的綜合實踐，培養學生的團隊協作能力，促進混合式學習，培養更多符合先進制造業產業升級和發展需求高技術人才。

多學科交叉融合; 創新精神; 團隊協作; 模塊化; 層次化

0 引 言

新一輪科技革命和產業變革使得世界范圍內產業競爭格局正在發生重大調整，美歐等發達國家和其他一些發展中國家紛紛將“再工業化”作為重塑其制造業競爭新優勢的重要戰略，力圖振興其本土工業和解決全球性挑戰。德國于2013年提出了“工業4.0”戰略，在制造業中引入物聯網和服務概念，采用以智能制造為主導的革命性生產方法，在工業自動化基礎上，通過貫穿整個價值鏈的端到端工程數字化集成，實現從機器到互聯網通訊的無縫鏈接，將傳統工業生產與現代信息技術相結合，更好地滿足客戶的個性化需求，實現靈活生產，優化企業決策，提高資源利用效率。我國于2015年發布了《中國制造2025》計劃，提出：加快推動新一代信息技術與制造技術深度融合，著力發展智能裝備和智能產品，推進制造過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平[1-4]。先進制造業計劃的推進和實施需要大批適應產業需求的高素質專業技術人才。因此，制定和實施人才培養計劃，培養產業急需的具有多學科交叉融合知識和工程能力、創新精神和團隊協作能力的高素質復合型工程技術人才成為當務之急。

1 飛速的工業發展給工程教育帶來的挑戰

1.1 工程人才培養面臨的挑戰及存在的問題

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。目前我國制造業還存在著“大而不強”、自主創新能力弱，質量缺乏核心競爭力，長期處于全球產業鏈和價值鏈中的中低端層次。而我國工程人才培養也面對著同樣的問題——“多而不優”，數量與質量之間存在明顯不相稱。中國有210萬名工程師，現役和后備的工程師數量占世界第一,在校大學生中有35%的比例是工科學生，然而，在2012年瑞士洛桑國際管理學院發布的世界競爭力報告中，中國合格工程師的數量和總體質量在參加排名的55個國家中卻排在了第48位，這是一個非?？亢蟮奈恢肹5]，的確需要令人反思！我們的工程教育到底出了什么問題？我國的工程教育還沒有形成獨立的培養體系，許多高校并沒有明確地將工程人才的培養與傳統人才的培養加以區分。目前的教育體制落后于社會和產業的發展，導致學生畢業后的實踐能力、創新能力和團隊能力較弱，缺乏具有高技能、創新性、實用型的復合人才。

1.2 新工業革命對教育改革的要求

新工業革命時代，以設計驅動創新，新一代信息技術與制造業加快融合創新發展，物聯網、大數據、云計算、人工智能等新技術持續演進，更廣泛的產業融合以集成與協同方式實現，人才培養的質量直接關系到國家核心競爭力的提升和戰略目標的實現。由于未來的工業要服務于一個變動的復雜環境，要為社會提供個性化和多種多樣的服務，從而對于人才供給的類型、層次的要求必須順應經濟環境與產業結構的變化所產生的需求變化，要在新工業革命中處于不敗之地，培養多層次滿足多領域需求的人才是非常必要的。因此工程教育必須改變原來單一的培養模式，來滿足我國社會發展戰略轉型的需要，面向未來，實施分層次培養，發揚工匠精神、增強創新意識和團隊合作能力，從而將科學與技術、技術與管理、管理與服務有效地融為一體[6-8]。

2 培養未來的工程師

2.1 掌握基本的科學和技術內涵

在20世紀，知識就是核心能力。未來的工程師不一定要記住他們在學校學習到的所有知識，未來尖端技術信息的半衰期可能不超過5年，學生們現今學到的知識可能幾年后就過時了。學生們需要學會利用數字技術，成為知識與信息的“吸收者與收集者”。教育應該改變以前往學生頭腦中灌輸大量專業知識的做法，應該教會學生如何在信息海洋里搜索、識別和利用對自己有用的信息，掌握基本的科學和技術內涵，保持技術的嚴謹性，知道“如何做”[9]。培養學生時，應采用啟發式、研究式的教學方法，注重讓學生學會用系統的觀點全面地思考問題而不局限于對某一具體技能的掌握，培養學生獨立思考問題的能力，教會學生學習方法，讓學生自主學習和研究。

2.2 培養“融合”的思維方式

對于未來的工程師來說，創造性是最重要的領導者品質。創造性是要將不同的知識點融合在一起，不僅依賴于個人，還依賴于合作。我們應該教育學生更廣泛地思考，融合不同的觀點和學科。事物瞬息萬變而且情況復雜，學生必須學會超越知識、專業和邏輯分析，并且敢于創新和表達不同的想法?？茖W和工程的進步往往源于意想不到的想象。思維能力和構思新想法是計算機不能完成的，有關“做什么”的工程，是一種很難復制、自動化或者外包的能力，因此關于“做什么”的工程將會成為未來工程師的核心能力。

3 教學創新，開展面向未來的工程教育

3.1 探索卓越工程師的培養方法

教育部于2010年啟動了“卓越工程師教育培養計劃”，旨在培養造就一批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。卓越工程師教育培養計劃的核心是以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程技術為主線，強化學生的工程意識和實踐能力[10-11]?！肮こ虒嵱枴币恢笔枪こ探逃蟹浅Ｖ匾囊画h，我校的工程訓練中心，是全國最早成立工程訓練中心的學校之一，作為國家綜合實驗教學示范中心，每年承擔著40多萬人時數的實踐教學任務，以這種思想為指導，積極探索，勇于創新，研究制定各種辦法與措施，以適應當前發展需要。作為中心的實驗技術人員，結合企業的工作經驗，通過平時上課和實習帶教對學生的指導和溝通，以及工程研討會上與同行的交流學習，在與美國通用電氣校企共建項目的基礎上，積極探索課程的“教”“學”與“實踐”相結合的方法，研究和設計了新的“電子與自動化實踐”的課程體系，使之更加符合學校的教學理念與培養模式。

3.2 模塊化，層次化，融合性的教學課程設計

學生進入現實社會生產中，所面對的往往是電子、電工、自動化、控制技術有機結合在一起的“大工程”環境，畢業后突然進入這樣的環境，大部分的學生往往會顯得無所適從。因此，縮小高校電子實習課程與現實工程應用之間的差距，促進知識創新、技術創新，就需要突破目前相對傳統的教學模式，將電子、電工、自動化和控制技術多種內容融合在一起，體現各學科間的交叉互聯。

課程設計注重電子技術發展歷程，著眼當下電子產品設計的需求及內涵，順應當前學科交叉與融合日益深入的趨勢，在內容編排上充分考慮電子，電工，自動化，控制技術等相關學科間的聯系與區別，以期促進通識教育與實踐實訓教育的充分融合，充分激發學生的創新意識。課程設計順應當前學科交叉與融合日益深入的趨勢，在內容編排上，①既保留了傳統電子實習的核心教學內容，又根據電子技術的發展歷程，補充了單片機、嵌入式系統設計與實踐技術等內容，以期為學生全面了解當今電子產品的設計需求及內涵提供基礎指導；②從當前電類相關學科的發展趨勢出發，有選擇性地補充了自動化系統設計與實踐的內容，以期為學生全面展示電子、電工、自動化、控制技術等相關學科間的聯系與區別，從而有助于通識教育與實踐實訓教育的充分融合，也利于充分激發學生的創新意識。

電子與自動化實踐課程采用模塊化設計，增加靈活性，擴大受眾，課程內容構架如圖1所示。內容安排注重層次性，在給出的每一類實訓專題內容中，都有基本課程和高級課程內容，知識點逐步深化，并按照由易到難的原則設計了多組實驗，既能讓學生循序漸進的接受知識，又能夠方便電類和非電類學生進行選擇性學習?；菊n程部分，一般普遍適合大部分的理工類學生進行選擇，而對于有特殊需求需要進一步加深其專業知識的學生，如基礎好、接受能力強、有考研或者出國意愿的學生我們會安排更適合于他們的高級部分的教學內容。美國心理學家布盧姆(B.S. Bloom)教學目標的分類理論對教育界的影響很大，他將認知目標分為：知識、領會、運用、分析、綜合、評價六級層次，從低層到高層，認知要求與水平不斷提高。這種分類對于教學設計的啟發是，教師在教學上應該更注重提高教學認知目標的層次，使學生獲得探究與創新及知識應用的機會，并發展學生的認知評價能力；通過對于學生情況的細分，了解學生的不同背景、能力和技能差異，因材施教，合理地為他們安排合適的課程[12-14]。按需模塊定位于高級課程的內容，一般情況下相對于基本課程來說，開課頻率會低一些。這也有助于提高教師工作效率，更合理的安排教師的教學任務。構建模塊化，層次化的教學內容庫，可以使學習的過程更加靈活和更具延展性。

圖1 電子與自動化實踐課程體系構架設計

課程設計的目的，還可以讓學生學習如何從電子、電工、自動化、控制技術有機結合在一起的整體的角度出發去解決復雜的問題，憑借多方面的知識，通過融合來自不同方面的信息、數據方法、工具、概念及理論，使不同的觀點和方法無縫銜接。融合的思維方式是21世紀最寶貴的財富，通過教學、實驗、實訓多維度、交叉融合、螺旋式全面提升學生的應用能力。在課程的不同模塊的學習中，可以通過讓學生接觸不同的方面的信息，培養多方面融合性的思維途徑。盡管絕大多數畢業生都不會成為學科領域里的專家，然而最有價值的創新就是在精深專長的交匯處產生的。

3.3 重視“工匠精神”的培養

可以看到課程設計，在內容編排上，保留了傳統電子實習的核心教學內容，實現傳統模式和創新路徑并存的教學理念?！笆找魴C的安裝和調試”仍然被安排在了電子實踐的內容中?？赡苡胁糠秩苏J為這個內容已經“老掉牙”，不“與時俱進”，應該把它刪除掉。然而，這恰恰是很多企業在招聘畢業生時最看重的對于基本電路的理解能力，收音機是“電子之母”，其核心電路由二極管、三極管組成。而“集成電路”的概念卻來自于無數二極管三極管的組合?，F在甚至還出現很多研究生不會修收音機，不會寫實驗報告的局面，著實令很多電子企業感到無奈?！昂駥W術輕應用”一直是我國高等工程人才培養存在的最大問題之一，過度學術化，對于基礎的工程實踐教學意識相對薄弱，工程實踐教學往往只強調“加強工程研究、設計、提出解決方案等‘技術’能力培養”，而忽視對于基本實踐操作的“工匠精神”的基本素質的提高。在電子實習帶教的過程中，常常發現很多學生最后沒有成功調試出收音機的原因，是由于其焊接的技術沒有掌握好，很多焊點虛焊，漏焊，導致電路短路或者斷路。而在練習焊接技術的時候，學生往往是覺得無聊而匆匆焊完，覺得“差不多”焊好就行了。這種浮躁的態度，往往是導致最后實驗失敗，做出廢品的根本原因。

相比德國，堅定執著的“工匠精神”成就了“德國制造”，德國人重視每個生產技術細節，追求生產一流產品。這種精神不僅成就了他們的強國地位，更塑造了其社會文化，成為其國家民族生生不息的源泉。亞力克·福奇(Alec Foege)曾說過工匠精神是締造偉大傳奇的重要力量[15]。因此，我國要建設成為制造強國，工匠精神不可或缺。當前，我國制造業生產實踐中，在一些生產加工環節上常常出現擅自改變技術要求，甚至根本不按技術規程要求做的亂象，覺得“差不多就行了”。這種“差不多”的工作態度正是造成“中國制造”與“德國制造”的差距的根本原因。要實現中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變，我國高等工程教育應注重工匠精神的培養，用“工匠精神”塑造未來的工程師，用“工匠精神”筑“制造強國”。

3.4 基于項目驅動和問題解決的綜合實踐

教學心理學家加涅認為，問題解決(problem solving) 屬于學習的較高層次，問題解決涉及言語知識、智力技能和認知策略的綜合應用，它在教學中有著重要意義。在課程的綜合實踐部分，我們將學生分成若干小組，完成對應的項目任務，解決項目中的問題。在項目實踐的過程中，學生需要綜合運用所學過的知識去進行創新設計，并且在團隊全體成員的合作之下完成整個項目。在綜合實踐訓練中，豐富學生的實踐經驗，提高學生的工程能力，培養學生的創新意識、項目管理能力、溝通能力以及團隊協作能力。在綜合實踐課上，也可以根據學生在實踐過程中出現的幾種典型的設計案例為題材，讓學生以小組的形式進行項目討論，各抒己見，充分發揮學生們的主觀能動性，真正成為學習的主人。在應對和超越新的挑戰中，不斷增加學生的自信，激發他們的好奇心和想象力，找到創新的“燃點”。與此同時，在與同學一起學習的過程中，相互之間可以分享最佳實踐經驗，獲取更大收獲。

4 結 語

實踐能力、創新能力、學習能力和團隊協作能力是我國對于工程教育在學生能力培養方面提出的根本要求。在工程教育上，應重塑教育觀念、轉變教育思想、改革教育方法，通過模塊化、層次化、融合性的課程設計，結合案例或設置合理的項目教學來提高學生解決問題的能力，教會學生學習方法。不斷總結教學過程中成功經驗，改進不足并加以完善，真正發揮教師在教學過程中的主導地位，從而更好地激發學生主動學習意識，提高學生學習能力和創新能力，培養符合先進制造背景下產業升級和發展需求的工程人才。相信通過本次課程建設的實施，既很好體現了傳統電子技術實訓內容與自動化，控制，嵌入式系統，機電一體化等相關學科知識點間的關聯性，又注重將工程能力通識教育融入傳統電子技術實踐教學中；從而能更好地適應學科發展趨勢，滿足社會對綜合素質人才的需求。

[1] 《國務院關于印發“中國制造2025”的通知》[Z].中華人民共和國國務院公報,2015(16):1-2.

[2] 把握德國制造業的未來.實施“工業4.0”攻略的建議[M].德國聯邦教育研究部,2013: 7-10.

[3] 愿 景.工業4.0作為智能、網絡化世界的一部分.實施“工業4.0”攻略的建議[M].德國聯邦教育研究部,2013:14-18.

[4] Ulrich Sendler主編.工業4.0：即將來襲的第四次工業革命[M]. 鄧 敏,李現民譯.北京：機械工業出版社,2014: 2-3.

[5] 倪 軍.好的工程教育是教學生解決問題[J].教育與職業，2012(7):115.

[6] 趙曉聞，林 健.工程人才培養模式的國際比較研究[J].高等工程教育研究，2011(2):37-39.

[7] 王孫禺.國家創新之路與高等工程教育改革新進程[J].高等工程教育研究，2013(1):15-17.

[8] 王永生.高水平特色大學卓越工程人才培養模式的研究與實踐[J].中國高等教育，2011(6)：15-17.

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[10] “卓越工程師教育培養計劃”[Z].中華人民共和國教育部，2010.6: 1-2.

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[13] 李愛蓮，崔桂梅，梁 麗：面向“卓越計劃”的自動化專業人才培養模式[J].實驗室研究與探索，2015,34(8)：182-185.

[14] 許 茜.“把脈”中國工程教育規模世界第一如何實現量質齊升[N].科技日報，2016-04-13: 05.

[15] 亞力克·福奇.工匠精神：締造偉大傳奇的重要力量[M]. 陳 勁譯. 杭州：浙江人民出版社，2014: 8-10.

Research on Innovational Curriculum Design of Electronic and Automation Practice

ZHONGYun,LIUYuanyuan

(National Demonstration Center for Experimental Engineering Education, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

A new round of technological revolution brought great challenges to the engineering education. The capability of integration across the boundaries, strong engineering, innovation and team working has become the top priority. Future engineers need to be the technical expert of their professional areas, and be able to develop as an integrator who can synthesize, operate and manage across boundaries, be technical or organizational in a complex environment. Through the research and innovational design of “Electronic and Automation Practice” curriculum, the article is to aim to discuss the education method on developing the “Excellent Engineer”. The modular and hierarchical curriculum are designed to help the students to develop multidimensional thinking and innovation ability and craftsman spirit. The practice driven by project and problem solving can build up the student’s team working ability, and make them be more suitable to the development of the advanced manufacturing industry.

integration across the boundaries; innovative spirit; team working; modular method; hierarchical method

2016-08-08

鐘 蕓(1983-)，女，上海人，工程師，主要從事工業自動化、運動控制、電子電工教學及研究工作。

Tel.: 13917287106；E-mail: zhongyun@shu.edu.com

TP 391；G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0170-04