新工科视域下的教学改革新探索
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作者:祝雪芬 宋爱国 祝学云
摘 要 目前，我国高校本科人才培养存在人才培养模式单一、面向工程实践能力不足和创新能力激发不够等问题。针对这些问题，本文结合东南大学测控技术与仪器专业在本科教学改革方面的新探索，阐述理论与实践教学新模式的创建、实践教学新体系的构建、教学新氛围的营造和全方位校企联合人才培养的新探索，并介绍先进实用的“远程虚拟测控实验平台”。
关键词 教学改革 人才培养 校企联合 实验平台
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.09.015
Abstract At present， there are some problems in the cultivation of undergraduate talents in colleges and universities in China， such as the single talent training mode， the lack of engineering practice oriented ability and the insufficient stimulation of innovation ability. In view of these problems， this paper， combined with the new exploration in undergraduate teaching reform of measurement and control technology and instrument specialty of Southeast University， expounds the establishment of new mode of theoretical and practical teaching， the construction of new system of practical teaching， the creation of new teaching atmosphere and the new exploration of all-round college enterprise joint personnel training， and introduces the advanced and practical "remote virtual measurement and control experimental platform".
Keywords teaching reform; talent training; school enterprise alliance; experimental platform
自2011年漢诺威博览会首次提出了工业4.0的概念以来，包括德国、美国、日本、法国在内的发达国家纷纷出台了工业革命国家战略计划，我国也随之绘制了《中国制造2025》蓝图，其主要目的是激发创新能力，用创新推动国家工业革命的进程，在未来的工业竞争中能够抢占先机。其中智能工厂、智能生产、智能物流成为新的时代主题。可以预见，更加先进智能的生产方式将会很快替代原有的传统生产方式，然而这一切都依赖于科技的快速进步，依赖于每一个科研工作者为推动技术进步做出的努力，因此对国内高校的工科教育提出了新要求。以新工科人才培养为目的，东南大学测控专业经过多年的探索与实践，创建了“三阶段，三步走，三结合”的教学新模式，构建了“面向全程，面向工程，面向多元”的实践教学新体系，营造了“教依于学，学受于教”的师生高度互动的教学新氛围，建立了校企联合授课、校企联合指导、校企联合设计和校企联合攻关的“四联合”人才培养新模式，建成了具有实践性和创新性的 “远程虚拟测控实验平台”，对“工程教育4.0”实施了初步探索。
1 “三阶段，三步走，三结合”的教学新模式
虽然国内高校已日益重视学生能力教育，但传统本科人才培养方案仍然普遍存在注重知识理论，强调“教”的过程，忽视了“学”的认知和实践过程，人才培养模式单一、面向工程实践能力不足和创新能力激发不够的局限。[1-2]为适应新工科的人才培养要求，创建了“三阶段，三步走，三结合”的教学新模式。（1）“三阶段”的教学过程，指课前布置预习内容，带着问题进课堂，激发学生兴趣，养成自主学习的习惯，培养自主学习的能力;课中以问题为导向，采用现场演示、师生互动教学方法，提高课堂效率;课后根据老师布置的课题，自主复习，自主训练，巩固提高，培养自主解决问题的能力。三阶段，旨在突显学生在学习中的主体地位，增强学生自主学习的意识和能力，提升课堂教学的有效性。（2）“三步走”的教学方法，指在课堂教学上，形成了一套“重点难点带着学，实际应用看着学，拓展内容自己学”为特点的教学方法。注重依据不同的教学内容，采用与之匹配的教学方法，将“带着学”“看着学”“自己学”有机结合起来，强化课程教学、实践教学和课外自学的时空接续。（3）“三结合”的教学手段，是指将“FLASH动画展示，基于MATLAB、JAVA仿真软件，基于LABVIEW的虚拟仪器”三种现代化教学手段有机结合，进行渐进式讲授和验证。“三结合”充分运用现代科技手段，采用动画、虚拟、仿真等方式，在理论教学与实践教学之间架起一座桥梁，实现理论与实践的有效对接。如图1所示。
“三阶段，三步走，三结合” 教学新模式以虚拟实验室、示范试验中心为基础，以教依于学，学受于教为前提，以自主学习、虚实结合教学模式为核心，以融合理论基础和实践能力为目标，最终帮助学生对知识从定性理解到定量掌握、从局部理解到全局掌握、从浅层理解到深层机理掌握的有效升华。 2 虚拟实验平台和教学实践融合的新探索
为适应“三阶段，三步走，三结合” 教学新模式，在教学基础上依托学科在测控技术和虚拟仪器方面的优势，与NI公司合作建成了具有创新性的、国内外领先的“远程虚拟测控实验平台”以用于本科教学。如图2所示，虚拟仪器把传统仪器的测试功能用形象逼真的面板控件形成软件模块，将测控系统的工作过程如动画般展示，将实验教学搬进了课堂，搬上了网络，实现了理论与实践的完美融合，促进了教学方法、手段的完善，激起学生的学习热情。
尤其学生在充分熟悉“远程虚拟测控实验平台”的创建使用原理后，能够针对具体项目自主开发出更多的虚拟测控系统，极大提高其学习积极性和主动性，充分开拓其思维，发挥其想象力。此外，学院通过举办国家级虚拟仪器竞赛以鼓励本科生参与虚拟测控实验平台的开发，并取得优异成绩。通过该平台，学生能不依赖于传统的测量测试仪器设备，完成远程的数据采集、分析处理与控制任务，实现了实验设备的网络共享，并掌握基于虚拟仪器的测控系统构建方法。相比单一的实际测控教学平台，虚拟测控实验平台有如下优势：（1）构建的教学模型种类更广，层次更丰富;（2）能够降低学生的操作风险和失败风险，保障课堂安全性和教学效率。因此，虚拟仪器与实物仪器的结合是“三阶段，三步走，三结合” 教学新模式的基础和特色。
3 “面向全程，面向工程，面向多元”的实践教学新体系
尽管对各工科专业的核心能力有所差异，在工业新时代，高校对于培养在校大学生的工业创新能力、提高其工业素养这一点是一致的。因此，在实践教学体系上形成了“面向全程，面向工程，面向多元”的培养创新人才，提高学生实践能力的完善体系。（1）“面向全程”是指学生实践能力的培养贯穿于课程实验、课程设计、毕业设计、技能培训，以及参加科研项目、创新训练项目、学科竞赛等教学实践活动的全过程。（2）“面向工程”是指学生参与的科研项目的来源不能是异想天开的，这些科研项目需要有实际的科研工程作为其基础，学生通过参加真实的项目工程能够得到更加系统的工程能力的训练。（3）“面向多元”是指课内实验的形式多样，以综合性、设计性和创新性实验为主，辅助虚拟仿真实验，并且考虑到每一个学生的个性特征，学生本身就是多元的，因此“面向多元”还指在教学时应当“因材施教”。尤其地，虚拟实验室、示范试验中心等重点实验室是培养学生实践技能，培育创新型人才的有效途径，通过鼓励学生参加设计性、综合性实验、甚至重大前沿科研课题，既能使其得到较全面的培养和实践锻炼，又提高實验教学质量，培养学生科学研究素养（图3）。
4 “教依于学，学受于教”的教学新氛围
随着新兴的教育手段和教育工具的出现，学生比以往有了更多的渠道获得专业知识，新教学氛围必须正视这一特点，在教学中不断发现新的教学方法。面对大数据、物联网、新能源等领域的不断涌现，教师面临的竞争压力很多不仅仅来自于在同一个学校中的其他老师，他们往往还需要和线上的教育资源进行比较，在这种情形下，充分利用互联网资源，培养学生自主学习、深度学习的能力，是师生同时提升的必然途径。为此营造了“教依于学，学受于教”的师生高度互动的教学新氛围。基于该教育理念，教学中既强调老师的导学作用，又注重学生的自主学习作用，将学生自主性、探究性学习能力具体分解为敏锐发现问题的能力、有效解决问题的能力、学以致用的能力和举一反三的能力。从课堂互动、课外研学互动两方面出发，形成师生课内外高度互动的教学新氛围。这对教师队伍提出了新要求，因此建设了一支以“课程教学+创新实践指导+教学改革”一体化的教学队伍。包括：（1）以学术带头人为引领，开设了贯穿四年学程的21门研讨型课程，包括4门研讨型实验课程。（2）结合具体科研和工程技术问题，开展课堂讨论，实施问题式、案例式教学，形成了互动型教学模式，引导学生进行研究性学习。（3）以学生创新能力和实践能力培养为指引，鼓励教师指导学生参加各类竞赛，实现教学与运用密切结合。（4）建立跨学科合作交流途径，现代工程问题越来越涉及多个学科，这就要求各个学科的老师和学生加强交流合作，密切配合，在自己的领域内贡献自己所学，才能一起解决复杂的科研难题。
5 校企“四联合”的人才培养新模式
作为新工科学生核心能力的评价认可，企业是检验测控专业本科人才培养效果的试金石，也是人才培养的重要基地。因此建立了全方位的校企合作培养的新机制，构建了校企联合授课、校企联合指导、校企联合设计和校企联合攻关的“四联合”人才培养新模式。在培养方案制订、开设工程类课程、探究性实验项目建设、在校内建设探究性实验室和大学生科研训练基地、在企业建设工程实践教育基地、指导毕业设计等方面开展全方位的校企合作。依据科技发展和企业需求，改革电类基础课程体系和专业课程体系，建设工程实践与创新设计类系列课程，强化实践课程、认识实习、专业实习、毕业实习与设计和科研实践等“五实”环节。积极探索和深化“产、学、研合作教育”新途径，以校企间的科学研究、工程设计合作项目为支撑，以校企联合授课、校企联合指导、校企联合设计和校企联合攻关为内容，合作培养测控专业本科生工程实践、工程设计和工程创新能力。深化校企合作，是工程人才培养的需要，同时，“四联合”能更多地通过校企合作了解企业对学生基础理论的学习，创新能力和实践能力培养等意见和建议，为深入教学改革提供参考与动力，形成培养工程人才教学改革的闭环系统。校企“四联合”的优势在于既能发挥企业优势，保持设备技术更新，技术落地，又能发挥学校优势，强化理论基础，培育全面的测控专业本科人才。
6 新工科视域下的教学改革新探索成果
经过上述一系列理论与实践教学改革的探索，学生培养质量普遍提高。就新工科实践能力而言，近6年测控专业30%以上本科生在如“挑战杯”等重要竞赛中获奖140余项，授权专利31项，在国内外重要学术刊物和会议上发表学术论文62篇，申报立项国家级、省级创新实践项目46项。就新工科创新能力而言，近3年本科生连续获“中国仪器仪表学会奖学金”一等奖，本科毕业生读研率在50%以上，出国读研率在15%以上。就新工科人才培养效果而言，测控专业毕业生进入世界前500 强企业的占总就业人数的60%以上，因此在新工科视域下取得了教学改革新探索初步成果，以期为国内工科兄弟院校提供借鉴和参考。
参考文献
[1] 薛玉香，王占仁.地方高校应用型人才培养特色研究[J].高等工程教育研究，2016（01）.
[2] 刘恩海，杨凤叶等.基于提升应用型本科大学生创新能力教学模式研究[J].教育现代化，2018.5（24）.
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