新工科背景下自动化专业课程教学体系的优化重构

来源:用户上传      作者:梁军 侯迪波　张光新

　　摘 要：新工科建设给自动化专业发展带来了新的机遇与挑战，也对自动化专业人才培养体系、课程体系和知识体系提出了新的研究与实践课题。浙江大学自动化专业结合新工科要求，从延拓专业方向、重构课程体系、优化整合教学内容、完善升级实验实践等方面，开展了专业课程教学体系优化重构研究与实踐，为类似专业新工科建设积累经验、提供借鉴。
　　关键词：教学改革;自动化专业;新工科;课程体系
　　一、引言
　　近年来，为深化“双一流”目标下高等工程教育改革和推动工程教育创新，国家出台了与新工科有关的多项举措[1]，从“复旦共识”到“天大行动”，再到“北京指南”，确立了新工科建设目标、行动路线和具体实施内容。新工科建设已经成为中国工程教育改革的重要内容，也标志着我国新工科建设的行动已经全面展开[2-3]。
　　新工科建设涉及高等工程教育的方方面面，对传统工科专业带来了前所未有的机遇和挑战。从本科教育角度，课程教学体系的改革首当其冲[4-5]。对于传统工科专业来说，要达成这一任务，不仅在纵向上要求培养体系要有与时俱进的结构性改革和内容性更新，而且在横向上要进行适应新兴科学技术和新产业革命的扩展和融合，增加新的课程布局和课程知识，即实现新工科建设的“内涵和外延协同发展”[6-8]。应该说，这是高校所有工程学科都面临的一项重要任务，尤其对于传统优势学科来说更加艰巨，其发展惯性、师资结构、学科地位、研究定势、知识体系等都或多或少地对推进这项工作带来阻力，出现所谓“船大掉头难”现象。
　　本文以浙江大学自动化专业为实践背景，针对新工科战略下自动化专业所面临的机遇和挑战，结合新工科要求，从延拓专业方向、重构课程体系、优化整合教学内容、完善升级实验实践等方面，开展了自动化专业本科课程教学体系优化重构研究与实践，为类似专业新工科建设积累经验、提供借鉴[9-10]。
　　二、现状分析
　　浙江大学自动化专业（以下简称“本专业”）始建立于1956年，是全国高校最早建立的自动化专业之一，现依托“控制科学与工程”国家一级重点学科，建有“工业自动化国家工程研究中心”“工业控制技术国家重点实验室”“工业控制系统安全技术国家工程实验室”和“流程生产质量优化与控制国家级国际联合研究中心”等四个国家级研究平台和二个省部级平台。本专业所依托的“控制科学与工程”一级学科在教育部历次学科评估中均名列前茅，并于2017年入选首批国家“双一流”建设学科，2018年在全国第四次学科评估中位列“A+”学科，是全国高校自动化专业中的传统优势学科单位。
　　本专业在发展历程中有二个重要的时间节点和发展标志：一是在20世纪80年代末期，由原来的石油化工自动化拓宽为面向整个流程工业，包括冶金钢铁、造纸、制药、发电、食品加工等，自动化专业培养也逐渐由单一背景发展成以自动化集成为特点的“宽背景、宽学科”理念。二是近十年来，专业领域进一步拓宽，互联网、机器人、智能交通、无线传感网络、航空航天、节能环保等新领域、新知识逐渐纳入本专业知识体系中，专业培养目标定位逐渐发展为“多学科交叉与融合、多学科知识体系的综合与创新”，与浙江大学本科生大类培养理念进行了很好的衔接，符合目前正在进行的新工科建设理念。尤其是从2016年开始，本专业培养方案在原有的流程工业自动化（习惯称为“控制工程”方向）基础上明确增加了“机器人工程”方向，标志着本科生培养进入了新工科阶段。
　　本专业传承自早期的化工自动化专业，60多年的发展历史使面向各类流程工业的控制工程成为本专业的特色方向，在国内处于领先地位。因此，在专业课程体系设置上也具有很强的流程工业自动化特色。对照新工科建设要求，尤其在2016年确立了“机器人工程”作为本专业的拓展方向以后，面向“控制工程”和“机器人工程”两个专业方向的培养需求，原有课程设置总体上暴露出若干问题。比较突出的有三个方面：
　　（1）涵盖“控制工程”和“机器人工程”两个专业方向的课程体系需要精心的顶层设计和优化，实现两个专业方向课程的知识层融合。经历60多年发展，本专业在控制工程专业方向上已经形成了自己的优势和特色，有健全的培养体系和课程设置、丰富的教学实践资源、高水平的师资力量和大量的高端学术研究成果。但这些优势在目前新工科建设目标下不一定全部转化为有利条件，例如专业方向发展上的即得固化、教学内容上的习惯性侧偏、教师知识结构的单一化、教学资源上的专用性，等等。因此，亟待解决的一个问题就是进行适应新工科目标的课程体系的一体化顶层设计和结构优化，实现控制工程和机器人工程的知识层
　　融合。
　　（2）教学内容需要推陈出新，教学方法需要不断改进，以适应新工科提出的更高要求。科学进步和国家战略需求，将高等学校人才培养目标提升到了一个新高度。具体到基层的教学活动，课程教学内容和教学方法的革新是达到这个新高度的基本手段。以本专业核心课程“传感技术与检测仪表”为例，面向流程工业的五大仪表（温度检测、流量检测、压力检测、液位检测、分析检测）在新的培养体系下要增加面向智能机器的视觉检测、运动检测、位置检测等，教学内容需要更新。同时，教学内容的更新和教学手段的进步（信息化、互联网、仿真技术等）也推动教学方法的不断
　　改进。
　　（3）实验实践环节多偏重于控制工程方向，机器人工程方向实验实践有待建设和升级。经过多年的教学和科研，本专业积累了丰富的实验实践资源，形成了自主开放的多层次专业实验、实习、实践教学和毕业设计体系，成为专业培养体系的重要组成部分。然而，对于新拓展的专业方向如机器人工程，就缺乏这样的资源和条件。现状是，依托本专业教师针对机器人方向的科学研究和学科竞赛，在国家各类科研计划、国家重点实验室和国家“985”/“211”学科建设的支持下，已经建立了一些向本科生开放的实验实践平台，如机器人制作实验室和足球机器人实验室等，但距完整性、系统性目标还相差甚远，无法支撑一个新专业方向的教学和实验安排。 　　三、基于新工科理念的自动化专业课程教学体系优化重构建设
　　1.强化控制工程和机器人工程两个专业方向的交叉融合，构建浙江大学“自动化+”培养体系
　　自动化专业是一个对人类生产活动和社会生活产生重大影响的科学技术领域，具有应用驱动、多学科交叉、跨行业、宽口径的鲜明特点，它以控制论为理论基础，并与系统论、信息论密切相关，广泛应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等领域。
　　作为一个历史悠久的传统优势学科，浙江大学自动化专业在面向控制工程方向上培养体系健全，为本学科成为“双一流”学科和A+学科做出了主要贡献。同时，机器人工程作为本学院由科学研究、研究生培养扩展转化而来的本科生培养方向，由于建设历史短，在未来相当长的一段时间内还是要立足本学院的师资和资源确定教学方案、开展教学活动，因此在目前已有的自动化培养体系中融入机器人工程的本科生培养需求，形成一体化的浙江大学“自动化+”培养体系，是非常必要和重
　　要的。
　　多年来，本专业在既有自动化专业培养体系基础上陆续开展了强化融合机器人工程的探索和实践，积累了许多成果和经验，形成了针对机器人工程的“课程—实践—竞赛—科研” 协同培养模式，具体表现在：
　　（1）基础保障。浙江大学控制学院在机器人方向上具有长期的科研和教学工作基础，目前已成为控制学院的优势学科方向之一。经过十余年的坚持不懈的努力，控制学院已经开设了较丰富的机器人专业课程，建成了较完善的机器人实验实践平台，组成了一批专门从事机器人教学及科研工作的专业教师团队。
　　（2）人才培养。2013年开始，浙江大学在竺可桢学院工程教育高级班中设立机器人工程模块，试点机器人方向的人才培养，控制科学与工程学院承担了机器人模块的教学工作。2016年，在本院自动化专业中设置了机器人方向，建立了侧重机器人技术的培养方案。
　　（3）教学与实践。控制学院于2002年开始承担浙江大学机器人科教实践基地的建设，2006年开始为全校本科生开出与机器人有关的通识课程，并在自动化专业体系下建设了面向不同学科、不同年级的多层次机器人科研训练与教学实践平台，为学生开展知行合一的创新实践提供了优良条件。
　　（4）多学科交叉融合。已经建立的机器人教学课程和实践资源面向全校开放，形成了宽广的学生受众面，实践活动参与学生几乎涵盖浙江大学所有理、工、农、医专业及部分文科、社科专业，培养了一批机器人研究学生骨干，在国内外机器人比赛中获得优异成绩，有效促进了浙江大学工科学生的综合素质發展和优秀拔尖人才培养，在国内外产生了较大的社会
　　影响。
　　（5）科研支撑。控制学院开展了机器人方向的长期深入研究，承担了多项国家重大基础研究、国家自然科学基金、国家“863计划”等国家级重要项目和课题，在机器人研究与应用方面取得了一批创新成果，研制了国际上首个具有快速连续动态作业能力的乒乓球对打仿人机器人，实现了与人对打、双机对打和高速旋转球接打，得到国内外领域专家的高度评价，美联社、路透社、美国国家地理频道等都进行了专题报道，此外还研制了四足仿生机器人、自主移动机器人、医疗康复机器人等新一代机器人系统。
　　（6）教研协同。控制学院在机器人教学和科研发展过程中将两者紧密结合，由科研团队骨干教师担任机器人课程主讲老师和实践指导老师，在课程教学和实践中充分结合国际前沿技术发展趋势和国家重要发展需求，设计相关实践探索课题，引导学生在基础实践的基础上开展科研探索研究。
　　2.重构自动化专业课程体系，通过顶层设计实现控制工程和机器人工程的知识融合，形成浙江大学“自动化+”完整的课程体系
　　从控制学科视角，无论是检测手段、控制方法，还是被控系统，控制工程与机器人工程都有很大不同，依赖于不同学科的知识结构。例如，控制工程多依赖化学工程、能源工程，而机器人工程更偏向于机械工程;控制工程的控制目标趋向于“恒定”而机器人工程则更偏重“运动”;控制工程讲究“以不变应万变”，而机器人工程更强调“智能性应变”能力;控制工程的知识基础是能量守恒、物质守恒、化学反应规律、传热方程等，机器人工程的知识基础是力学原理、运动学方程、动力学方程等。同样从控制学科角度，尽管控制工程和机器人工程有诸多的差异，但二者都遵从基础的控制原理，这也成为实现控制工程和机器人工程的交叉融合，形成“自动化+”的切入点和改革基础。因此，要在本科教学层面上融合两者，必须首先进行课程体系的顶层设计和规划重构，形成以控制方法为核心支撑的体系架构，我们开展的具体工作体现在两个方面。
　　（1）课程体系的顶层设计和规划重构
　　科学的课程体系和先进的教学内容不仅为学生提供专业所必需的完整知识结构，同时也能满足学生自身发展的需要，是提高人才培养质量的重要保证。由于本专业传承自早期的化工自动化，其面向各类流程工业的“控制工程”方向在国内处于领先地位，因此在专业课程体系的设置上也具有很强的流程工业自动化特色，主要有：① 涉及整个反馈控制系统分析与设计的课程，如自动控制理论（关注建模与系统分析）、过程控制工程（关注系统集成与工程应用）、信号与系统、数字信号处理等。② 涉及检测仪表与执行机构的课程，如现代传感技术与过程检测系统、控制仪表与计算机控制装置等。③ 涉及控制对象建模与分析的课程，如过程建模、自动控制理论、控制系统仿真等。④ 涉
　　及控制器硬软件设计与应用的课程，如微机原理与接口技术、计算机控制装置、过程控制工程等。⑤ 涉及电类、计算机类与数学类三方面的大类课程，作为自动化专业核心课的前置
　　课程。
　　另一方面，作为上述专业核心课的扩展课程，涉及下列专业选修课程：①智能机器系列，如人工智能基础、机器学习、机器人导论、机器人学、机器人设计与实践等。② 计算机与网络知识的强化，如计算机网络与现场总线、无线传感网络、物联网技术导论等。③ 高级控制方法与高级控制装置，如最优控制、先进控制基础、智能控制、嵌入式系统、PLC设计与实践、DSP系统设计、计算机控制系统设计与实践等。④ 传感与检测技术的深入，如机器视觉、生物传感器技术、公共安全检测技术等。⑤ 数学建模与优化技术的延伸，如运筹学、数学建模与实践、系统工程导论等。 　　与此同时，课程体系特别强化了实践教学环节，除包含于各常规课程内的实验环节外，还专门开设了多门“课程设计与实践课程”，如自动化综合实验、过程控制课程设计与实践。这些实践教学课程以学生自主实验为主体，由教师提出实验任务并提供实验设备。
　　从闭环控制系统的视角，上述专业课和专业基础课课程体系可以分为四大类课程：① 控制理论和装备类课程，扮演闭环控制系统中自动控制器的角色。② 传感检测仪表类课程，起到闭环控制系统中传感器和执行器的作用。③ 过
　　程对象建模类课程，解决被控对象的描述问题。④ 各种前置课程。
　　根据机器人工程方向的建设需求，上述课程体系存在以下问题：一是面向机器人工程的课程设置明显不足，无法形成系统、全面的机器人知识体系。二是从课程教学内容分析，绝大部分课程都是围绕控制工程组织教学内容，机器人工程的知识比重比较少。三是在现有的课程教学模式中，各门课程大都独自开课，相互之间缺乏协同，造成不同课程间的知识冗余或知识“孤岛”，知识“点”居多、知识“线”不够、知识“面”缺乏，使学生形不成完整的知识体系结构，制约了学生后续学业发展。四是缺乏与机器人研究和应用的基础性知识有关的课程，如机器人运动学、动力学、环境感知、驱动与控制的课程。五是目前面向机器人工程的课程，多从控制学科角度设立，缺乏与计算机、机械、电气等学科的交叉融合，不能全方位适应机器人技术的发展。六是目前机器人课程中，为实际应用服务的课程缺乏。因此，近三年来浙江大学“自动化+”课程体系的规划重构主要立足于这六个方面，其中课程群建设和课程内容的优化整合是核心
　　内容。
　　（2）课程群建设
　　课程群教学是对培养对象相同、课程内容密切、培养功能相近的多门课程进行重组并组织实施的一种整体化教学模式，也是一种新型的课程平台。一方面，课程群教学跨越了传统的课程和知识结构边界，聚焦于跨课程的知识体系，有利于教师采用团队式和研究式等新的教育理念和教学模式，激励教师在教学过程中广泛而深度开展实验式和情景式教学。另一方面，作为多元化知识的教学体系，课程群教学也有利于在教学过程中形成既关注基本理论和知识传授，又突出多种专业能力培养的协调格局，启迪和激发学生的系统性思维和创造性思维，提高学生自主学习、研究学习和创新学习的能力。课程群建设是课程群教学的基础，是以多门相近或相关课程为基础，采用“结构整体有序、内容穿插嫁接”的邏辑思维和结构化改造方式，对各门课程的教学目标、教学内容和教学方法等进行一体化整合和内容优化的过程，为“培养富有创新精神和实践能力的创新型、应用型、复合型优秀人才”提供一个完整的课程培养体系和有力的课程资源保证，是进一步塑造专业内涵及专业特色、人才培养定位的重要支撑。
　　从本专业传统的课程体系和两个专业方向融合需求考虑，我们采用了多层次课程群的建设模式。第一层为专业前置课程群，包括数学物理类课程、电类课程和计算机基础类课程。该课程群的教学内容和教学计划主要由浙江大学本科生院统一安排，共约22学分。
　　第二层为控制工程和机器人工程两个专业方向共享课程群，包括自动控制理论课程群、先进传感和智能检测技术课程群、数学建模与分析方法课程群、计算机与网络课程群等四个课程群。其中，自动控制理论课程群包括自动控制理论、运筹学与系统工程、智能控制技术等，共约22学分。先进传感和智能检测技术课程群包括工业传感与检测、现代智能传感技术、机器视觉与机器学习等，共约12学分。数学建模与分析方法课程群包括数学建模与仿真、信号与系统、数据分析与系统辨识等，共约10学分。计算机与网络课程群包括嵌入式系统、面向对象的编程技术等，共约12学分。
　　第三层为分别面向两个专业方向的课程群，即控制工程课程群和机器人工程课程群。其中，控制工程课程群包括过程控制工程、过程动态学、计算机控制系统设计与实践、计算机网络与现场总线等，共约18学分。机器人工程课程群包括机器人导论、机器人学、飞行机器人等。考虑到机器人课程设置不足的问题，增加了机器人运动学和动力学建模、机器人运动规划与决策控制，使该课程群总体达到20学分。
　　第四层为专业的应用特色课程群。已设立的有物联网技术导论、物流自动化概论、生物传感器技术、公共安全检测技术，还将增设三门左右的多学科交叉性课程和至少一门机器人应用类课程，共约16学分。
　　第五层为实验实践类课程群，将依托面向两个专业方向的实验实践平台开展。
　　课程群建设是一个系统工程，它不仅仅是将几门课程简单的捆绑，而是以学生的能力培养为主线、以课程的逻辑联系为纽带、以教师团队合作为支撑、以提升教学质量为目标的课程建设模式。本专业学生在四年的培养期内，其课程学习按照课程群的设置，遵循知识层级的循序渐进和创新实践能力的逐步提高完成
　　学业。
　　3.优化整合课程教学内容，通过重组、改造、升级实现内涵和外延协同发展的课程建设，提升浙江大学“自动化+”课程教学水平
　　作为控制工程和机器人工程的共享课程，在上述第二层的自动控制理论课程群、先进传感和智能检测技术课程群、数学建模与分析方法课程群中，大部分课程在本专业已经设置了许多年。由于历史的原因，目前这类课程的教学内容多偏重控制工程，无法取得共享课程的效果。
　　以自动控制理论和传感与检测两门课为例。自动控制原理的现行课程方案中，从原理到方法再到案例，基本是以流程工业过程作为应用背景，与机器人中需要的机电系统建模、运动规划与机电伺服控制相去甚远。目前的传感与检测课程主要以流程工业中常见的温度、流量、压力、液位、成分分析为检测对象，而机器人中更重要的是位移、速度、加速度、转速、力矩转矩、视觉信号和雷达信号，两者有较大差距。因此，在主要的共享课程中补充、扩展与机器人工程有关的内容，达到两个专业方向在教学内容上的兼容并蓄是必要的。 　　同时，独立开课、相互间缺乏内容整合的相近课程，往往存在课程内容“重叠”或知识点“空白”的情况。一种情况是，同一个知识点在多门课程中都有提到，但都没有讲透彻;另一种情况是，随着时代和科技发展，新的、必要的知识点尚未补充进来。因此，需要对课程内容进行优化整合，对专业知识点、知识体系进行顶层设计，构造完整的知识框架，然后按框架的知识逻辑关系分配到各个课程群和课程中，减少“重叠”，不留“空白”。
　　课程（尤其是共享课程）内容的优化整合是一项长期和细致的任务，一般需经历课程内容讨论、划定课程边界，以及按照课程边界组织各自授课内容、备课、授课、开课效果反馈、内容再调整等几个环节。课程群这样一个体系结构对课程内容的优化整合起到了保障作用。这也是课程群建设的目的之一。
　　针对上述问题，我们通过课程群任课教师团队的充分讨论和协商，采取的措施是：一是
　　“重组”一批与控制工程和机器人工程密切相关的必修课程，如自动控制原理、传感与检测、过程控制工程、机器人学等，补充共性知识内容。二是“改造”一批与机器人密切相关、但需要进行知识范围拓展和内容更新的核心课程，如人工智能概论、运筹学与系统工程等。三是“升级”一批专业选修课程，完善机器人工程的课程体系，如机器视觉与机器学习、机器人运动规划与决策控制等。
　　4.完善升级实验实践平台，均衡面向两个专业方向的实验资源，夯实浙江大学“自动
　　化+”创新实践的基础
　　本科教学的實验实践环节主要包括课程实验、课外实验、生产实习、创新实践、国际交流、毕业设计等几个方面。目前，面向控制工程的各类实验实践资源比较丰富，能够满足本科培养的绝大部分需求，而面向机器人工程的实验实践资源因为发展历史短，还处在逐步建设和完善的过程中。
　　机器人工程是一个典型的学科交叉领域，涉及众多的基础学科和工程应用学科，如控制、计算机、机械、电子电器、光学、仪器仪表、新型能源等。目前，学院面向本科生的机器人实验室所采用的机器人设备基本上以成品或半成品机器人为主，研究方向以增加机器人功能、提高机器人性能为主，属于机器人研究领域中的后半程研究。同时，机器人类型也是以学科竞赛为主，缺乏面向大众的实际应用背景。因此，浙江大学“自动化+”专业机器人实验实践平台建设重点开展了以下三项工作：（1）对面向控制工程的实验室进行智能化扩展，将智能机器技术融入流程工业的决策和控制中，既包括在国家重点实验室进行高端的学术研究，也包括在科研训练和创新创业实验室中进行面向普通本科生的机械手、智能机器、特种工作机器人研发。这些都是将控制工程与机器人工程进行交叉融合的有效途径。（2）建设与机器人基础研究有关的实验室，如机器人智能感知实验室（机器视觉、激光雷达、味觉听觉、高精地图等）、机器人运动学实验室（运动学建模、动力学建模、运动和位置定位等）、机器人集成设计实验室等。这些都是从根本上提高机器人水平所必需的。（3）从拓展机器人应用领域方面建设实验室，如智能汽车实验室、水下无人潜航器实验室、无人机实验室，乃至医疗、陪护、快递等生活类机器人，使机器人真正走向应用、走向大众。上述三项工作大部分正在进行中。
　　四、结束语
　　新工科背景下的本科教学改革是一项艰巨、长期的系统工程，不可能一蹴而就，也无法做到包罗万象。近几年来，本专业结合新工科建设在强化专业方向交叉融合、重构课程体系、优化整合教学内容、完善升级实验实践等方面开展了一些卓有成效的工作，力图实现适应新工科要求的自动化专业内涵、外延协同发展。实践证明，本文所进行的教学改革是成功的、有成效的。得益于此，浙江大学控制学院已于2018年正式获教育部批准建立机器人工程专业，2019年起招生，为浙江大学控制学院开辟了新的发展空间。
　　本文工作并非是单纯一门具体课程的教学内容和教学方法改革，而是涉及一个专业培养体系的全方位改革，需要在学院层面上推进和展开工作。为此，学院在教学委员会领导下建立了基层教学组织，作为承担和协调专业层面的教学改革、培养体系规划和课程顶层设计的专门机构，并形成了基层教学组织、职能工作组、专业课程群、任课教师组成的四级递阶组织机构， 保障了工作的顺利执行和圆满完成，并有助于形成改革工作的长效机制。
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　　[参加本文工作的还有戴连奎、熊蓉、吴俊、谢依玲、王慧、邵之江、赵豫红等老师。本研究工作得到了浙江省高等教育“十三五”第一批教学改革研究项目（JG20180003）和浙江大学2018年度教学改革项目的资助]
　　[责任编辑：夏鲁惠]
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