多學(xué)科交叉融合構(gòu)建新工科創(chuàng)新淺議
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摘要：在連續(xù)多年本科實(shí)踐課程教改的基礎(chǔ)上，探索高校新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效方式。構(gòu)建了適用于新工科人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以多學(xué)科交叉融合為主線，設(shè)計(jì)了新工科創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系。運(yùn)用目標(biāo)分解法，將本科階段大學(xué)生的培養(yǎng)總目標(biāo)進(jìn)行分解，完成每個(gè)學(xué)期的培養(yǎng)任務(wù)。整合課程群知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建了6個(gè)一級(jí)課程項(xiàng)目和5個(gè)二級(jí)課程項(xiàng)目，提升本科生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力。按照新工科人才培養(yǎng)的要求，作為交通行業(yè)特色高校，圍繞“新能源汽車(chē)與智能汽車(chē)”創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈的需求，深化校企協(xié)同培養(yǎng)新工科人才的方案。人才培養(yǎng)過(guò)程中，采用興趣驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目引領(lǐng)、分層推進(jìn)，結(jié)合工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，提出實(shí)踐教學(xué)體系的4個(gè)層次。通過(guò)課程內(nèi)外實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合、人文精神與工程教育相結(jié)合、學(xué)校與企業(yè)結(jié)合協(xié)同培育新工科人才。
關(guān)鍵詞：新工科；實(shí)踐教學(xué)；專(zhuān)業(yè)認(rèn)證；多學(xué)科交叉
我國(guó)高等教育發(fā)展處于新的歷史時(shí)期，面對(duì)新型產(chǎn)業(yè)鏈引起的新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇，高校的新工科教育勢(shì)在必行。這不僅要求教師積極開(kāi)展相關(guān)教育政策的研究和實(shí)踐，推動(dòng)高校的新專(zhuān)業(yè)改革和人才培養(yǎng)模式構(gòu)建，而且通過(guò)新工科建設(shè)，可以使高校能夠重新認(rèn)識(shí)高等工程教育的實(shí)質(zhì)和發(fā)展規(guī)律[1−3]。長(zhǎng)安大學(xué)是教育部直屬的交通類(lèi)行業(yè)特色高校，車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)是國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)，成為我國(guó)商用汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域高層次人才培養(yǎng)的重要來(lái)源，并建設(shè)了一支國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、交通信息工程、自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)主要依托國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)學(xué)科−交通信息工程及控制來(lái)辦學(xué)。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是國(guó)家級(jí)綜合改革試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)，并在此基礎(chǔ)上于2019年申報(bào)獲批了“機(jī)器人工程”這一新工科專(zhuān)業(yè)，傾向于無(wú)人智能汽車(chē)（輪式機(jī)器人）人才的培養(yǎng)。電氣工程及其自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)都是陜西省第一類(lèi)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)。5個(gè)專(zhuān)業(yè)都具有明顯的交通行業(yè)特色。學(xué)校在此基礎(chǔ)上，通過(guò)多學(xué)科交叉與融合，構(gòu)建了產(chǎn)業(yè)鏈上的新工科專(zhuān)業(yè)−車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)。它能夠適應(yīng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和業(yè)態(tài)對(duì)各環(huán)節(jié)或?qū)哟涡鹿た迫瞬排囵B(yǎng)提出的多樣化的新要求，提高人才就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。在新工科專(zhuān)業(yè)建設(shè)過(guò)程中，構(gòu)建車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)特色專(zhuān)業(yè)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，制定基于企業(yè)需求同時(shí)又高于企業(yè)需求的培養(yǎng)目標(biāo)，所培養(yǎng)學(xué)生又服務(wù)于企業(yè)，緊密結(jié)合工程應(yīng)用，服務(wù)于行業(yè)，有效地保證了培養(yǎng)和使用形成一個(gè)有機(jī)的新工科人才培養(yǎng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
1新工科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教育教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建
2016年，長(zhǎng)安大學(xué)獲批“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”教育部−中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并聯(lián)合30多家高校和企業(yè)組建“中國(guó)車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)測(cè)試技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，學(xué)校作為理事長(zhǎng)單位，開(kāi)始持續(xù)圍繞“車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)”產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行新工科專(zhuān)業(yè)建設(shè)，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)需要的人才。在長(zhǎng)期學(xué)科建設(shè)積累和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)條件下，以重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)為總載體，如圖1所示，構(gòu)建了“車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)”新工科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，并在新工科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)上建立了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)試點(diǎn)學(xué)院。通過(guò)汽車(chē)、電控、信息等多個(gè)學(xué)院層面協(xié)同和積極參與，統(tǒng)籌學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)充分利用和資源共享，同時(shí)借助合作單位設(shè)備資助和資金投入等，形成校企協(xié)同的教育體系。平臺(tái)整合了“道路交通運(yùn)輸工程”和“交通信息工程及控制”兩個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及“自動(dòng)化與交通控制工程”和“電工電子”兩個(gè)陜西省高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，在宏觀上實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享和調(diào)配，構(gòu)建專(zhuān)門(mén)的新工科實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新工科人才培養(yǎng)方案的頂層設(shè)計(jì)和有工程經(jīng)驗(yàn)的師資隊(duì)伍建設(shè)。按照教學(xué)大綱要求，在中觀層面上建立平臺(tái)的管理制度和運(yùn)行機(jī)制，既保證最大限度發(fā)揮實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)業(yè)功能，又充分高效利用平臺(tái)，兼顧效率和質(zhì)量。微觀操作層面上，實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)綜合了各種車(chē)路協(xié)同與測(cè)試教學(xué)實(shí)驗(yàn)室功能，注重彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室在“綜合”上的不足，充分考慮并預(yù)留實(shí)驗(yàn)室未來(lái)拓展和發(fā)展的空間和余地，平臺(tái)內(nèi)更新教學(xué)方法，科學(xué)完整構(gòu)建新工科實(shí)踐教學(xué)體系。
2貫穿多學(xué)科交叉融合主線的“四層次三結(jié)合”新工科實(shí)踐教學(xué)體系
在構(gòu)建新工科實(shí)踐教學(xué)體系的過(guò)程中，結(jié)合行業(yè)特色注重學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)，通過(guò)校企緊密合作[4−5]，將多學(xué)科交叉融合作為項(xiàng)目執(zhí)行的主要手段，著力提升本科生的大工程教育觀、工程素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，重構(gòu)多階段、多層次、多要素、多環(huán)節(jié)的新工科培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系，為我國(guó)新能源汽車(chē)與智能汽車(chē)行業(yè)信息化培養(yǎng)新工科人才。
2.1實(shí)踐教學(xué)體系制訂的原則
根據(jù)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)和“車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)”產(chǎn)業(yè)鏈的要求[6−7]，制定原則如下。1）按照課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、學(xué)校實(shí)訓(xùn)和企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目緊密結(jié)合、系統(tǒng)連續(xù)、循序漸進(jìn)、層次分明的教學(xué)模式，完成理論與實(shí)踐相互滲透、相互促進(jìn)的培養(yǎng)方式，構(gòu)建新工科實(shí)踐教學(xué)體系。2）采用層次分析法[8]，分解本科期間所在專(zhuān)業(yè)的總的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在每個(gè)年級(jí)和學(xué)期中，分別建立培養(yǎng)子目標(biāo)，以集群專(zhuān)業(yè)課程為基礎(chǔ)，以課題為主線整合交叉知識(shí)點(diǎn)，完善高質(zhì)量的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。3）節(jié)約實(shí)踐環(huán)節(jié)的操作成本，在“學(xué)中做”和“做中學(xué)”的過(guò)程中不斷循環(huán)，培養(yǎng)新生的研究興趣。4）加強(qiáng)校企合作。經(jīng)過(guò)大一到大三持續(xù)培養(yǎng)，為新工科學(xué)生參加企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供過(guò)渡，加上校企結(jié)合的畢業(yè)設(shè)計(jì)，完成新工科學(xué)生的完整實(shí)訓(xùn)。2.2實(shí)踐教學(xué)體系的總體框架根據(jù)對(duì)新工科人才知識(shí)、能力和素質(zhì)的要求[9−12]，按照學(xué)習(xí)內(nèi)容由易到難和學(xué)生掌握能力的實(shí)際情況，在4年的本科教學(xué)過(guò)程中，將學(xué)生應(yīng)掌握的核心技術(shù)劃分為基礎(chǔ)入門(mén)層、軟硬件綜合應(yīng)用層、系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)層、企業(yè)實(shí)踐層4個(gè)層次，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容環(huán)節(jié)，通過(guò)結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目，循序漸進(jìn)，組織教學(xué)。在執(zhí)行過(guò)程中，采用“課堂+實(shí)驗(yàn)室+學(xué)校+企業(yè)+產(chǎn)業(yè)鏈”五位一體的方式，聯(lián)合培養(yǎng)本科生的大工程觀以及工程創(chuàng)新與綜合實(shí)踐能力，將課內(nèi)外實(shí)踐能力培養(yǎng)、校企協(xié)同培養(yǎng)、人文與工匠精神培養(yǎng)相結(jié)合，構(gòu)建了貫穿多學(xué)科交叉融合主線的“四層次三結(jié)合”新工科實(shí)踐教學(xué)體系，發(fā)揮多主體協(xié)同條件下規(guī)模化、集約化的優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。構(gòu)建新工科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教育綜合教學(xué)平臺(tái)，并不是簡(jiǎn)單疊加多門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)，而是綜合跨越了多個(gè)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)和新工科專(zhuān)業(yè)的內(nèi)涵。從圖2可以看出，實(shí)踐教學(xué)體系是以多學(xué)科交叉融合為主線，從入門(mén)項(xiàng)目、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)課的綜合實(shí)驗(yàn)到畢業(yè)設(shè)計(jì)擬定的題目都針對(duì)多學(xué)科交叉知識(shí)開(kāi)展，著重培養(yǎng)本科生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力。
3各級(jí)項(xiàng)目的建設(shè)
新工科創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系整合課程內(nèi)容構(gòu)建課程群，貫穿每學(xué)期的教學(xué)任務(wù)，完成了各級(jí)項(xiàng)目的建設(shè)，包含具體的設(shè)計(jì)和研究的6個(gè)一級(jí)項(xiàng)目，以及每個(gè)建設(shè)的課程群對(duì)應(yīng)的5個(gè)二級(jí)項(xiàng)目。
3.1一級(jí)項(xiàng)目建設(shè)
“車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)”新工科專(zhuān)業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)體系所包含的6個(gè)一級(jí)項(xiàng)目如下：1）車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)入門(mén)；2）車(chē)聯(lián)網(wǎng)算法軟件程序設(shè)計(jì)；3）智能車(chē)載儀器儀表設(shè)計(jì)；4）智能汽車(chē)設(shè)計(jì)；5）交通自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；6）畢業(yè)設(shè)計(jì)。以車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)入門(mén)為例來(lái)介紹一級(jí)項(xiàng)目的具體實(shí)施方法。車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)入門(mén)作為一級(jí)項(xiàng)目，相關(guān)課程及具體課時(shí)安排如圖3所示。兩個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2016年自獲批以來(lái)，構(gòu)建了多套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供專(zhuān)業(yè)學(xué)生完成創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，由微觀交通模擬模塊、駕駛員半物理執(zhí)行模塊、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制實(shí)物仿真模塊、三維仿真顯示平臺(tái)、多點(diǎn)觸控桌面、多通道超大屏幕投影、路車(chē)協(xié)同平臺(tái)等子系統(tǒng)組成，完全可以支撐車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)入門(mén)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。車(chē)聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基本實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩部分。基本操作實(shí)驗(yàn)包含5項(xiàng)，如表1所示，第1~4項(xiàng)為必做題目，第5項(xiàng)為選做題目；綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有14項(xiàng)，如表2所示，學(xué)生按3人一組，任選其一，每組題目不能相同，學(xué)生也可自選題目（需要在匯報(bào)環(huán)節(jié)審核通過(guò)）。教師或者實(shí)驗(yàn)人員于學(xué)期的第2周給出題目列表，學(xué)生從查詢(xún)課題的基本資料開(kāi)始，每個(gè)小組獨(dú)立完成Conceive（構(gòu)思）−Design（設(shè)計(jì)）−Implement（實(shí)現(xiàn)）−Operate（過(guò)程），即CDIO全過(guò)程，包括課題的思路構(gòu)建、方案設(shè)計(jì)、方法改進(jìn)和運(yùn)行結(jié)果，通過(guò)方案評(píng)比、PPT答辯匯報(bào)和實(shí)物測(cè)試最終綜合確定組內(nèi)每個(gè)學(xué)生的成績(jī)。
3.2二級(jí)項(xiàng)目建設(shè)
“車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)”新工科專(zhuān)業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)體系所包含的5個(gè)二級(jí)項(xiàng)目如下。1）思想品德與職業(yè)道德類(lèi)課程。2）軟件算法程序設(shè)計(jì)。主要課程包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、Python程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用、VC++程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)、軟件工程和車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)。3）汽車(chē)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要課程包括電路、數(shù)電、模電、車(chē)載電子原理與設(shè)計(jì)、汽車(chē)總線技術(shù)和汽車(chē)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)。4）車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要課程包括單片機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用、通信與網(wǎng)絡(luò)原理綜合實(shí)驗(yàn)。5）汽車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要課程包括自控原理、電機(jī)拖動(dòng)、線性控制理論、汽車(chē)控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、汽車(chē)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)。通過(guò)項(xiàng)目完成綜合的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，把知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)，消除了課程群內(nèi)容重復(fù)的部分，可大大減少學(xué)時(shí)數(shù)。
3.3項(xiàng)目建設(shè)的特點(diǎn)
綜合實(shí)驗(yàn)里的各開(kāi)放項(xiàng)目都取材于實(shí)際的工程現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)根據(jù)內(nèi)容和難度循序漸進(jìn)讓學(xué)生開(kāi)展設(shè)計(jì)，項(xiàng)目引領(lǐng)，分層推進(jìn)。隨著學(xué)生設(shè)計(jì)的深入，可以將各個(gè)項(xiàng)目綜合起來(lái)構(gòu)建成一個(gè)綜合的控制系統(tǒng)，掌握設(shè)計(jì)的概念。學(xué)生在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，可以串聯(lián)很多已學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，并自學(xué)很多新的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)探究的方式完成課題獲取知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和終生學(xué)習(xí)的能力。
4結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)多學(xué)科交叉融合構(gòu)建“車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能汽車(chē)”新工科專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，圍繞社會(huì)新興產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，拓展和升級(jí)原有工科專(zhuān)業(yè)的內(nèi)涵，優(yōu)化本科專(zhuān)業(yè)布局，推動(dòng)工科專(zhuān)業(yè)交叉復(fù)合、多學(xué)科的融合，使專(zhuān)業(yè)設(shè)置和培養(yǎng)方案的制定更貼近實(shí)際，能夠大力培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新人才，服務(wù)新興產(chǎn)業(yè)。
作者:黃鶴 趙祥模 黃鶯 汪貴平 林海 單位:長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院 空軍工程大學(xué)裝備管理與無(wú)人機(jī)工程學(xué)院