新形勢下高校自動化專業(yè)實驗教學改革探析*

王伊琳，楊 旭

(武漢理工大學 自動化學院，武漢 430070)

隨著我國“新工科”人才培養(yǎng)理念的提出，在新形勢下高校自動化專業(yè)實驗教學面臨著改革要求。我國在步入社會主義新時代后，為了應(yīng)對全球新一輪科技革命對高端人才資源的需求與競爭，高校自動化專業(yè)實驗教學也存在著改革必要。根據(jù)《自動化專業(yè)實驗教程》的體例安排，自動化專業(yè)實驗教學內(nèi)容主要由信號與系統(tǒng)、自動控制原理、電力電子技術(shù)、電機及拖動基礎(chǔ)、微機原理與接口技術(shù)、單片機原理及接口技術(shù)、可編程序控制器、DSP原理與應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、運動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等專業(yè)課程組成。不同實驗教學項目之間存在著技術(shù)流程和功能原理的異質(zhì)性，這就要求從整體視角出發(fā)，從總括層面尋找到自動化專業(yè)實驗教學改革的思路。

一、相關(guān)研究綜述

自動化專業(yè)著重于科技創(chuàng)新和實踐應(yīng)用，深入影響經(jīng)濟發(fā)展中的各個方面，對于社會的經(jīng)濟發(fā)展有著重大作用，是現(xiàn)代應(yīng)用型技術(shù)大學工科建設(shè)的重要內(nèi)容，更是衡量國家現(xiàn)代化程度的重要標志。對于新形勢下自動化專業(yè)如何進行實驗教學改革，很多專家學者提出了自己獨到的見解與看法。房立存基于對新成立的應(yīng)用型技術(shù)大學自動化專業(yè)建設(shè)背景的思考，闡述了在新工科背景下應(yīng)用型技術(shù)大學實驗教學的探索過程與實施路徑[1]；劉曉面向機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，構(gòu)建了“三層次—九模塊—五結(jié)合”的實驗教學課程體系，明確了各實驗層次、實驗模塊的具體內(nèi)容[2]；黃倩分析了我國應(yīng)用型高校自動化專業(yè)教學所存在的局限和不足，提出了應(yīng)用型高校實驗教學改革模式建議[3]；榮海林認為在新工科背景下自動化專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求對實驗教學提出了更大挑戰(zhàn)，并以樣本高校自動化專業(yè)為對象，提出了實驗教學團隊需加強頂層設(shè)計，創(chuàng)新“授驗結(jié)合”式實驗教學方式的觀點[4]，實踐證明，該實驗教學方式取得了良好的教學效果，對學生工程實踐能力的培養(yǎng)、實踐教學的發(fā)展以及學科建設(shè)都起到了強有力的助推作用；李明構(gòu)建了啟發(fā)性實驗、基礎(chǔ)實驗、虛擬在線實驗、綜合設(shè)計實驗、創(chuàng)新項目、大學生競賽、應(yīng)用型畢業(yè)設(shè)計等逐層遞進的實驗教學流程，分析了各個環(huán)節(jié)的教學方法和目的，構(gòu)建了培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和工程實踐能力的實驗教學體系，試圖幫助學生實現(xiàn)從認識到自主設(shè)計、從提升到應(yīng)用階段的遞進[5]；趙久強圍繞以學生為本、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高、協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，從教學內(nèi)容、教學模式和評價體系等方面，介紹了自動化專業(yè)探究性實驗教學領(lǐng)域的改革和實踐[6]；白銳針對自動化專業(yè)的特點，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標，提出了實驗教學的優(yōu)化策略，其策略包括實驗教學體系的構(gòu)建、實驗教學內(nèi)容的完善和優(yōu)化、實驗教學平臺的建設(shè)[7]；么洪飛在討論傳統(tǒng)實驗教學存在問題的同時，結(jié)合自動化專業(yè)的師資和實驗室資源，從實驗教學內(nèi)容、教學時間和空間、教學方式方法及實驗的考核等方面,提出了自動化專業(yè)開放性實驗教學的構(gòu)想[8]。

上述研究所形成的觀點構(gòu)成了當前的主流研究思想，其中不乏值得有本文借鑒的地方。但在這里也需要指出，當前主流研究尚未形成“新工科”背景下開展主題討論的傳統(tǒng)，即使已有研究提及了“新工科”背景，但仍缺乏開放的研究視野。所謂“開放的研究視野”是指，基于新一輪科技革命對工程技術(shù)類人才的培養(yǎng)要求，應(yīng)將產(chǎn)業(yè)發(fā)展、崗位能力要求、學科交叉、市場人才需求等因素納入研究視野，進而使自動化專業(yè)實驗教學改革在滿足教學技術(shù)和育人規(guī)律的同時，還能明確自動化專業(yè)實驗教學改革中的人才需求指向。由此，主流研究存在的不足，便為本文的立論提供了啟示與拓展研究的空間。

二、新形勢下高校自動化專業(yè)實驗教學改革的目標定位

具體而言，基于分層原理可將實驗教學改革的目標定位如下：

(一)定位于建立理論與實操相容的辯證關(guān)系

作為基礎(chǔ)層級，在自動化專業(yè)實驗教學改革中需建立理論與實操相容的辯證關(guān)系。哲學范式下的辯證關(guān)系強調(diào)了事物之間的普遍聯(lián)系性，在這里則反映為理論知識研習與實操技能提升之間的關(guān)聯(lián)性。具體而言，學生所具備的理論知識構(gòu)成了他們的專業(yè)意識，在專業(yè)意識的驅(qū)動下學生應(yīng)有目的地展開實操活動。與此同時，學生在實操活動中所獲得的實踐認知又應(yīng)助力自身專業(yè)意識的提升與再造。在二者相容的基礎(chǔ)上，學生最終成為理論知識與實操能力兼?zhèn)涞淖詣踊こ虘?yīng)用型人才。確立上述改革目標，歸因于解決當前在自動化專業(yè)實驗教學中存在的理論與實操呈板塊化銜接的問題，即偏向于以實驗教學來印證理論知識，學生則在所謂標準化實操流程中證明理論知識的正確性。

(二)定位于將指導性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫嶒?/h3>

隨著理論與實踐相容中辯證關(guān)系的建立，便需改變當前以實操印證理論的單向反饋模式，進而也需變革自動化專業(yè)實驗教學的價值導向。為此，這里的改革目標定位于將指導性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫嶒灐Ｋ^“指導性實驗”是指學生在規(guī)定的實操流程中完成既定的實驗任務(wù)，其實驗結(jié)果需與既定的標準結(jié)果相對照，并以對照后的答案匹配度作為評價學生實操成績的關(guān)鍵指標；而“探究性實驗”指的是聯(lián)系產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢并結(jié)合學生目前的能力水平，圍繞預設(shè)的課題(生產(chǎn)任務(wù))開展實操活動。顯然，探究性實驗的實驗結(jié)果具有不確定性，這種不確定性或者為學生團隊無法在規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)，或者為課題(生產(chǎn)任務(wù))本身在目前還不具有完成的條件。這種轉(zhuǎn)變所帶來的紅利為學生可以從探究性實驗中形成問題意識，也能從中獲得科學精神和工匠精神的啟蒙。

(三)定位于在市場需求導向下優(yōu)化實驗思維

目前，在主流研究中并未聯(lián)系市場需求來探討自動化專業(yè)實驗教學的改革議題，因為諸多研究者并不具備經(jīng)濟領(lǐng)域中的基礎(chǔ)知識。在新形勢下，自動化領(lǐng)域中的一切研究成果都需轉(zhuǎn)為商用，才能使研究成果最終成為推動我國社會生產(chǎn)力發(fā)展的微觀載體，自動化專業(yè)實驗教學的改革目標在這里便需定位于在市場需求導向下優(yōu)化學生的實驗思維。優(yōu)化后的學生實驗思維應(yīng)體現(xiàn)為學生能自覺根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際選擇實驗方向，也能自覺契合企業(yè)的經(jīng)濟效益目標，對如何改進技術(shù)和工藝流程來降低制造成本和制造周期進行思考。為了使學生的實驗思維得到優(yōu)化，需首先打破實驗教師的固有思維，即習慣于以學生技術(shù)精進為主線的實驗教學意識。另外，還需為學生補充有關(guān)自動化研究成果的商業(yè)轉(zhuǎn)化知識。

(四)定位于建構(gòu)具有學科交叉性的實驗項目

在新形勢下各學科之間的交叉貫通成為了常態(tài)，如在人工智能領(lǐng)域倫理學標準成為了約束技術(shù)濫用的依據(jù)。為了使學生能夠適應(yīng)新形勢下自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，實驗教學改革的目標還需定位于建構(gòu)具有學科交叉性的實驗項目。實驗項目也可看作為實驗教學的內(nèi)容，且在開發(fā)探究性實驗教學形態(tài)時，需在學科交叉中尋找靈感。同時，自動化領(lǐng)域本身所存在的學科交叉性特征，又從客觀上要求對實驗項目作出改革。在建構(gòu)具有學科交叉性的實驗項目時，還需直面其中所存在的約束條件。其中，課程約束和實驗條件約束成為了約束條件的重要組成部分，為探究實驗教學改革的方向提供了問題域。

(五)定位于使學生建立自組織實驗學習系統(tǒng)

在新形勢下開展自動化專業(yè)實驗教學，還需為學生建立自組織實驗學習系統(tǒng)創(chuàng)造條件，構(gòu)成了實驗教學的改革目標?！白越M織實驗學習系統(tǒng)”可界定為：(1)學生在面對實操問題時具備專業(yè)思考的自覺，并能主動搜集與實驗項目有關(guān)的資料；(2)學生在實驗過程中能夠自覺遷移和整合理論知識，并能對實驗結(jié)果與標準結(jié)果間的差異作出反思，而不是盲目否定自己的結(jié)論；(3)學生在受到實驗啟發(fā)后，能自覺、主動地關(guān)注產(chǎn)業(yè)相關(guān)信息，改革實驗教學模式成為了必須。

三、新形勢下高校自動化專業(yè)實驗教學改革所面臨的挑戰(zhàn)

自動化專業(yè)實驗教學改革在貫徹上述目標時，會面臨以下五個方面的挑戰(zhàn)：

(一)理論教學與實驗教學存在信息壁壘

已知在自動化專業(yè)實驗教學改革中需建立理論與實踐兩者間的辯證關(guān)系，但在構(gòu)建這種關(guān)系時卻面臨信息壁壘所帶來的挑戰(zhàn)。這里的“信息壁壘”指在自動化專業(yè)教學中，理論教學任務(wù)與實驗教學任務(wù)一般分由不同的教學主體承擔，這就在客觀上使理論教學與實驗教學間存在著信息壁壘。理論課教師并不具有為實驗教學定向提供知識鋪墊的主觀自覺，實驗課教師也不具備幫助學生整合、遷移、反思理論知識的主觀意識。兩類教學主體依照自己的崗位職責，基于各自的教學體例完成著自己的工作任務(wù)。

(二)探究性實驗存在技術(shù)路徑收斂難題

在自動化專業(yè)中建立探究性實驗教學形態(tài)，這可以被看作為一種實驗教學創(chuàng)新。然而，在打造該實驗教學形態(tài)時，卻面臨著技術(shù)路徑收斂難題所帶來的挑戰(zhàn)。在前面的論述中已指出，探究性實驗拋棄了封閉命題的傳統(tǒng)，并基于新形勢下的自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，以開放的命題來塑造學生的科學精神和工匠精神。顯然，開放的命題所催生出的不確定性將對實驗教學管理帶來壓力。其中，實驗時間控制、實驗資源投入控制、實驗安全風險控制等，都會對實驗教學產(chǎn)生前所未有的壓力。

(三)學生專業(yè)意識阻礙商業(yè)思維的建立

在改革自動化專業(yè)實驗教學時，需以開放的心態(tài)來面對學生未來的職業(yè)選擇和走向。具體而言，在新形勢下學生即使在自動化領(lǐng)域就業(yè)，他們不僅可擔負研發(fā)生產(chǎn)任務(wù)，也可以承擔客戶維護、售后服務(wù)等管理工作，所以優(yōu)化他們的實驗思維十分必要。然而，學生所累積起的專業(yè)意識卻阻礙了他們商業(yè)思維的建立，并在相對封閉的專業(yè)教育大環(huán)境下，學生個體因受群體意識的影響又會強化自我的專業(yè)意識，而更為排斥專業(yè)領(lǐng)域以外的商業(yè)知識。

(四)工程技術(shù)與人文元素交叉存在困難

在主流研究中已有研究者基于“新工科”背景提出了學科交叉議題，他們在對實驗教學改革的建議中也意識到學科交叉的客觀必要性。然而，主流研究提出的學科交叉觀點仍具狹隘性，未能將工程技術(shù)與人文元素間的交叉融合納入研究視野，這一研究現(xiàn)象與工程技術(shù)與人文元素在交叉中所存在困難存有關(guān)聯(lián)。需要強調(diào)的是，學生若缺乏人文關(guān)懷精神和敬畏社會倫理道德的心理，在未來的職業(yè)生涯中，單純以一種“工具理性”來驅(qū)動自我的專業(yè)技術(shù)發(fā)展，而無法成為心系國家和人民福祉的工程技術(shù)人員。

(五)實驗教學中的自組織學習環(huán)境缺失

當前，主流研究并未對實驗教學中學生自組織學習系統(tǒng)的建設(shè)問題展開討論，而這確是一個重要問題。另外，筆者在構(gòu)建學生自組織學習系統(tǒng)時，卻發(fā)現(xiàn)實驗教學中存在著自組織學習環(huán)境缺失的現(xiàn)狀。我們在上文中已指出，實驗課教師依照教學體例完成教學任務(wù)，使實驗教學活動難以延伸至課后。另外，實驗教學評價以學生所提交的實驗報告為主要依據(jù)，這又抑制了學生延伸實驗學習活動的主觀意愿。由此，因存在由自組織學習環(huán)境缺失所帶來的挑戰(zhàn)，便難以使自動化專業(yè)實驗教學改革獲得一種全新的面貌。

四、新形勢下高校自動化專業(yè)實驗教學的改革思路

根據(jù)以上所述，新形勢下高校自動化專業(yè)實驗教學改革思路構(gòu)建如下：

(一)整合教學團隊，增強實驗教學的正反饋效應(yīng)

在新形勢下需要建立高水平的自動化專業(yè)教學團隊，針對理論教學和實驗教學分別組建師資隊伍具有其內(nèi)在的合理性，但仍需通過整合教學團隊來增強實驗教學的正反饋效應(yīng)。在不改變師資教學職能的前提下，整合教學團隊的重點應(yīng)為：建立信息交互和共享機制，使理論教學師資能夠為實驗教學定向進行知識鋪墊，實驗教學師資也能為理論教學引導學生反思實驗結(jié)果。為了使教學團隊在整合中獲得制度保障，可以根據(jù)“課程群”組建包含理論教學師資和實驗教學師資在內(nèi)的教學團隊。如，可將“可編程序控制器、計算機控制系統(tǒng)、DSP原理與應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”作為課程群，組建該課程群的教學團隊，教學團隊圍繞著建立理論教學與實驗教學間的辯證關(guān)系，共同研討能夠使理論與實驗相容的教學體例，進而增強實驗教學的正反饋效應(yīng)。

(二)為學生提供多元探究性實驗的渠道和平臺

在新形勢下需要激活學生在實驗中的創(chuàng)新性思維潛力，所以應(yīng)為他們提供多元化的探究性實驗渠道和平臺。首先，可通過改革現(xiàn)有的實驗教學管理模式，為學生課題小組開放實驗室資源，并在指導教師的協(xié)助下為學生提供開展探究性實驗的渠道和平臺。其次，隨著學生進入高年級，可以將部分優(yōu)秀學生吸收到教師的課題組之中，通過讓學生從事文獻搜集、實驗結(jié)果分析，并參與實驗流程設(shè)計等工作，使學生獲得探究性實驗的渠道和平臺。最后，在“雙創(chuàng)”活動中對具有商業(yè)價值的自動化設(shè)計項目提供孵化平臺，讓學生創(chuàng)新團隊能夠借助學校、企業(yè)、政府等多方力量，獲取探究性實驗的渠道和平臺。在為學生提供上述條件時，高校需對學生進行分類、分層管理，即為了提高實驗資源投入的產(chǎn)出比值，應(yīng)重點為具有創(chuàng)造性思維能力的學生提供上述渠道和平臺。

(三)校企合作下為實驗教學構(gòu)建真實的工作情境

比較而言，讓自動化專業(yè)學生形成商業(yè)思維較為困難，其原因上文已經(jīng)作出了分析。但在新形勢下，高校需要培養(yǎng)具有綜合素養(yǎng)的自動化專業(yè)人才，且這也有助于拓寬學生的就業(yè)門路。根據(jù)“實踐—認識—再實踐—再認識”的邏輯進路，高校應(yīng)在校企合作框架下為實驗教學構(gòu)建真實的工作情境。如，由企業(yè)方提供商業(yè)案例，案例可涉及自動化設(shè)備研發(fā)時的成本控制議題，以及簡化技術(shù)工藝流程以提高自動化設(shè)備產(chǎn)能的議題。在實驗教學前期，教師應(yīng)在向?qū)W生介紹案例的同時，對其中所蘊含的商業(yè)原理作出分析，如向?qū)W生解釋為何需要控制研發(fā)成本，以及一般采取怎樣的方式來簡化技術(shù)工藝流程。這樣一來，學生便能在知其然并知其所以然的思想狀態(tài)下逐步獲得理性的商業(yè)思維能力。

(四)加強課程思政建設(shè)，充實人文精神教學內(nèi)容

在自動化專業(yè)實驗教學中需主動實踐課程思政，從上文的論述中可知，課程思政主要起到培育學生人文精神的作用。由于自動化專業(yè)所面向的行業(yè)十分廣泛，不同行業(yè)所面臨的技術(shù)與人文間的沖突也不盡相同。根據(jù)自動化專業(yè)實驗教學內(nèi)容，筆者將沖突歸納為：自動化技術(shù)與社會人倫間的沖突，如人工智能技術(shù)；自動化技術(shù)與個體隱私保護間的沖突，如人臉識別技術(shù)；自動化技術(shù)與勞動力就業(yè)間的沖突，如工業(yè)機器人對勞動力就業(yè)產(chǎn)生“擠出效應(yīng)”等。在實驗教學中，教師需要對上述沖突的表現(xiàn)、生成原因、解決辦法逐一向?qū)W生闡述，并告誡學生在應(yīng)用自動化技術(shù)時需關(guān)注人的需要，并在進行自動化功能模塊設(shè)計時需重視其所發(fā)揮的人文關(guān)懷的需要。

(五)引入混合式教學方法，重建學生的實驗學習習慣

在整合教學團隊的基礎(chǔ)上，還需引入混合式教學法來重建學生的實驗學習習慣。其中，應(yīng)重視線上共享教學平臺的建立。如根據(jù)課程群組建了教學團隊后，教學團隊可在“釘釘”App上建立課程實驗交流群，學生可以在群中表述自己在實驗中的疑惑，理論教學師資和實驗教學師資都可對學生的疑惑進行回應(yīng)與答疑。對于學生提出的具有探究性特征的實驗問題，兩類師資可以發(fā)揮各自的教學優(yōu)勢與學生在群中進行討論。為了幫助學生構(gòu)建自組織學習系統(tǒng)，高校還可以建立導師制，以導師團隊與學生團隊建立在線信息交互和共享，以導師團隊的終身學習風采去感染學生，以起到激勵學生團隊形成自組織學習行動的自覺。

在新形勢下需要建立高水平的自動化專業(yè)教學團隊，所以針對理論教學和實驗教學分別組建師資隊伍具有其內(nèi)在的合理性，但仍需通過整合教學團隊來增強實驗教學的正反饋效應(yīng)。在新形勢下還需要激活學生在實驗中的創(chuàng)新性思維潛力，所以應(yīng)為學生提供多元化的探究性實驗渠道和平臺。根據(jù)“實踐—認識—再實踐—再認識”的邏輯進路，高校應(yīng)在校企合作框架下為實驗教學構(gòu)建真實的工作情境。在自動化專業(yè)實驗教學中需主動實踐課程思政，課程思政主要起到培育學生人文精神的作用。在整合教學團隊的基礎(chǔ)上，還需引入混合式教學法來重建學生的實驗學習習慣。