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，以多學(xué)科交叉融合為主線，設(shè)計了新工科創(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，完成每個學(xué)期的培養(yǎng)任務(wù)。整合課程群知識點(diǎn)，構(gòu)建了6個一級課程項目和5個二級課程項目，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“新能源汽車與智能汽車”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)過程中，采用興趣驅(qū)動、項目引領(lǐng)、分層推進(jìn)，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，提出實(shí)踐教學(xué)體系的4個層次。通過課程內(nèi)外實(shí)踐活動相結(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)；專業(yè)認(rèn)證；多學(xué)科交叉
我國高等教育發(fā)展處于新的歷史時期，面對新型產(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在必行。這不僅要求教師積極開展相關(guān)教育政策的研究和實(shí)踐，推動高校的新專業(yè)改革和人才培養(yǎng)模式構(gòu)建，而且通過新工科建設(shè)，可以使高校能夠重新認(rèn)識高等工程教育的實(shí)質(zhì)和發(fā)展規(guī)律[1−3]。長安大學(xué)是教育部直屬的交通類行業(yè)特色高校，車輛工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)，成為我國商用汽車技術(shù)領(lǐng)域高層次人才培養(yǎng)的重要來源，并建設(shè)了一支國家級教學(xué)團(tuán)隊。計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、交通信息工程、自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)主要依托國家二級重點(diǎn)學(xué)科−交通信息工程及控制來辦學(xué)。自動化專業(yè)是國家級綜合改革試點(diǎn)專業(yè)，并在此基礎(chǔ)上于2019年申報獲批了“機(jī)器人工程”這一新工科專業(yè)，傾向于無人智能汽車（輪式機(jī)器人）人才的培養(yǎng)。電氣工程及其自動化和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)兩個專業(yè)都是陜西省第一類特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。5個專業(yè)都具有明顯的交通行業(yè)特色。學(xué)校在此基礎(chǔ)上，通過多學(xué)科交叉與融合，構(gòu)建了產(chǎn)業(yè)鏈上的新工科專業(yè)−車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車。它能夠適應(yīng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)、技術(shù)和業(yè)態(tài)對各環(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)競爭力。在新工科專業(yè)建設(shè)過程中，構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車特色專業(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新工科專業(yè)實(shí)踐教育教學(xué)平臺的構(gòu)建
2016年，長安大學(xué)獲批“車聯(lián)網(wǎng)”教育部−中國移動聯(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“中國車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，學(xué)校作為理事長單位，開始持續(xù)圍繞“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車”產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行新工科專業(yè)建設(shè)，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)需要的人才。在長期學(xué)科建設(shè)積累和項目驅(qū)動條件下，以重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汽車試驗(yàn)場為總載體，如圖1所示，構(gòu)建了“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車”新工科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺，并在新工科專業(yè)基礎(chǔ)上建立了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)試點(diǎn)學(xué)院。通過汽車、電控、信息等多個學(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。平臺整合了“道路交通運(yùn)輸工程”和“交通信息工程及控制”兩個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及“自動化與交通控制工程”和“電工電子”兩個陜西省高校實(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)建專門的新工科實(shí)踐教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)對新工科人才培養(yǎng)方案的頂層設(shè)計和有工程經(jīng)驗(yàn)的師資隊伍建設(shè)。按照教學(xué)大綱要求，在中觀層面上建立平臺的管理制度和運(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，兼顧效率和質(zhì)量。微觀操作層面上，實(shí)踐教學(xué)平臺綜合了各種車路協(xié)同與測試教學(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)室未來拓展和發(fā)展的空間和余地，平臺內(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)體系的過程中，結(jié)合行業(yè)特色注重學(xué)生個性化培養(yǎng)，通過校企緊密合作[4−5]，將多學(xué)科交叉融合作為項目執(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，為我國新能源汽車與智能汽車行業(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“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車”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業(yè)的總的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在每個年級和學(xué)期中，分別建立培養(yǎng)子目標(biāo)，以集群專業(yè)課程為基礎(chǔ)，以課題為主線整合交叉知識點(diǎn)，完善高質(zhì)量的實(shí)訓(xùn)項目。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)踐提供過渡，加上校企結(jié)合的畢業(yè)設(shè)計，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)對新工科人才知識、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)過程中，將學(xué)生應(yīng)掌握的核心技術(shù)劃分為基礎(chǔ)入門層、軟硬件綜合應(yīng)用層、系統(tǒng)工程設(shè)計層、企業(yè)實(shí)踐層4個層次，設(shè)計了相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容環(huán)節(jié)，通過結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)和項目，循序漸進(jìn)，組織教學(xué)。在執(zhí)行過程中，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，如圖2所示。構(gòu)建新工科專業(yè)實(shí)踐教育綜合教學(xué)平臺，并不是簡單疊加多門課程的知識點(diǎn)，而是綜合跨越了多個傳統(tǒng)專業(yè)和新工科專業(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，從入門項目、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課的綜合實(shí)驗(yàn)到畢業(yè)設(shè)計擬定的題目都針對多學(xué)科交叉知識開展，著重培養(yǎng)本科生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力。
3各級項目的建設(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)，完成了各級項目的建設(shè)，包含具體的設(shè)計和研究的6個一級項目，以及每個建設(shè)的課程群對應(yīng)的5個二級項目。
3.1一級項目建設(shè)
“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車”新工科專業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)體系所包含的6個一級項目如下：1）車聯(lián)網(wǎng)設(shè)計入門；2）車聯(lián)網(wǎng)算法軟件程序設(shè)計；3）智能車載儀器儀表設(shè)計；4）智能汽車設(shè)計；5）交通自動控制系統(tǒng)設(shè)計；6）畢業(yè)設(shè)計。以車聯(lián)網(wǎng)設(shè)計入門為例來介紹一級項目的具體實(shí)施方法。車聯(lián)網(wǎng)設(shè)計入門作為一級項目，相關(guān)課程及具體課時安排如圖3所示。兩個國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2016年自獲批以來，構(gòu)建了多套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺供專業(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、車輛運(yùn)動控制實(shí)物仿真模塊、三維仿真顯示平臺、多點(diǎn)觸控桌面、多通道超大屏幕投影、路車協(xié)同平臺等子系統(tǒng)組成，完全可以支撐車聯(lián)網(wǎng)設(shè)計入門實(shí)驗(yàn)的開展。車聯(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?；静僮鲗?shí)驗(yàn)包含5項，如表1所示，第1~4項為必做題目，第5項為選做題目；綜合實(shí)驗(yàn)項目有14項，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（需要在匯報環(huán)節(jié)審核通過）。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)生從查詢課題的基本資料開始，每個小組獨(dú)立完成Conceive（構(gòu)思）−Design（設(shè)計）−Implement（實(shí)現(xiàn)）−Operate（過程），即CDIO全過程，包括課題的思路構(gòu)建、方案設(shè)計、方法改進(jìn)和運(yùn)行結(jié)果，通過方案評比、PPT答辯匯報和實(shí)物測試最終綜合確定組內(nèi)每個學(xué)生的成績。
3.2二級項目建設(shè)
“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車”新工科專業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)體系所包含的5個二級項目如下。1）思想品德與職業(yè)道德類課程。2）軟件算法程序設(shè)計。主要課程包括C語言程序設(shè)計、Python程序設(shè)計與應(yīng)用、VC++程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)、軟件工程和車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真設(shè)計綜合實(shí)驗(yàn)。3）汽車電子系統(tǒng)設(shè)計。主要課程包括電路、數(shù)電、模電、車載電子原理與設(shè)計、汽車總線技術(shù)和汽車電子技術(shù)課程設(shè)計。4）車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計。主要課程包括單片機(jī)、計算機(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）汽車控制系統(tǒng)設(shè)計。主要課程包括自控原理、電機(jī)拖動、線性控制理論、汽車控制技術(shù)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)。通過項目完成綜合的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計，把知識點(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)時數(shù)。
3.3項目建設(shè)的特點(diǎn)
綜合實(shí)驗(yàn)里的各開放項目都取材于實(shí)際的工程現(xiàn)場，會根據(jù)內(nèi)容和難度循序漸進(jìn)讓學(xué)生開展設(shè)計，項目引領(lǐng)，分層推進(jìn)。隨著學(xué)生設(shè)計的深入，可以將各個項目綜合起來構(gòu)建成一個綜合的控制系統(tǒng)，掌握設(shè)計的概念。學(xué)生在開發(fā)的過程中，可以串聯(lián)很多已學(xué)的知識點(diǎn)，并自學(xué)很多新的知識點(diǎn)，通過探究的方式完成課題獲取知識，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
通過多學(xué)科交叉融合構(gòu)建“車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車”新工科專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，圍繞社會新興產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，拓展和升級原有工科專業(yè)的內(nèi)涵，優(yōu)化本科專業(yè)布局，推動工科專業(yè)交叉復(fù)合、多學(xué)科的融合，使專業(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)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院