梁 軍，侯迪波，謝穎峰，謝依玲

（浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

新工科建設(shè)是我國高等工程教育改革的重要舉措，從“復(fù)旦共識”到“天大行動”，再到“北京指南”，逐步確立了新工科建設(shè)目標(biāo)、行動路線和具體實施內(nèi)容。新工科建設(shè)給傳統(tǒng)工科專業(yè)帶來了多方面機遇和挑戰(zhàn)，本科課程教學(xué)是重要一環(huán)。傳統(tǒng)工科專業(yè)要通過新工科建設(shè)滿足“新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式”要求，不僅需要對自身課程體系進行與時俱進的結(jié)構(gòu)性改革，而且需要在課程體系內(nèi)部根據(jù)新工科培養(yǎng)要求進行優(yōu)化重構(gòu)，兩者共同完成新工科建設(shè)的“內(nèi)涵和外延協(xié)同發(fā)展”。其中，專業(yè)課程群建設(shè)是重要的一項工作。

課程群教學(xué)是對培養(yǎng)對象相同、課程內(nèi)容密切、培養(yǎng)功能相近的多門課程進行重組并組織實施的一種整體化教學(xué)模式，也是一種新型的課程平臺。一方面，課程群教學(xué)跨越了傳統(tǒng)的課程和知識結(jié)構(gòu)邊界，聚焦于跨課程的知識體系，有利于教師采用團隊式和研究式等新的教育理念和教學(xué)模式，激勵教師在教學(xué)過程中廣泛而深度開展實驗式和情景式教學(xué)。另一方面，作為多元化知識的教學(xué)體系，課程群教學(xué)也有利于在教學(xué)過程中形成既關(guān)注基本理論和知識傳授、又突出多種專業(yè)能力培養(yǎng)的協(xié)調(diào)格局，啟迪和開發(fā)學(xué)生的系統(tǒng)性思維和創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力。因此，課程群建設(shè)和教學(xué)廣受關(guān)注，是近年來高校教學(xué)改革的熱點之一。

本文以浙江大學(xué)自動化專業(yè)為實踐背景，結(jié)合新工科要求，從新工科自動化“一體兩翼”課程群建設(shè)和課程優(yōu)化整合兩方面，開展自動化專業(yè)本科課程教學(xué)改革與實踐，為類似專業(yè)新工科建設(shè)積累經(jīng)驗、提供借鑒。

一、現(xiàn)狀分析

浙江大學(xué)自動化專業(yè)（以下簡稱“本專業(yè)”）始建于1956 年，是全國高校最早建立的自動化專業(yè)之一，現(xiàn)依托“控制科學(xué)與工程”國家一級重點學(xué)科，建有“工業(yè)自動化國家工程研究中心”“工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室”“工業(yè)控制系統(tǒng)安全技術(shù)國家工程實驗室”和“流程生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)化與控制國家級國際聯(lián)合研究中心”等四個國家級研究平臺和二個省部級平臺。本專業(yè)所依托的“控制科學(xué)與工程”入選首批國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科、位列第四次學(xué)科評估“A+”學(xué)科。

本專業(yè)傳承自早期的化工自動化專業(yè)，60 多年的發(fā)展歷史使面向各類流程工業(yè)的控制工程成為本專業(yè)的特色方向。因此，在專業(yè)課程體系的設(shè)置上也具有很強的流程工業(yè)自動化特色，主要有以下幾個課程大類：（1）自動化專業(yè)公共基礎(chǔ)課和通識課，如數(shù)學(xué)類基礎(chǔ)課、電類基礎(chǔ)課、計算機類基礎(chǔ)課、各類全校性通識課；（2）自動控制理論與系統(tǒng)類專業(yè)課；（3）檢測儀表與執(zhí)行機構(gòu)類專業(yè)課；（4）控制器硬軟件設(shè)計與應(yīng)用類專業(yè)課；（5）多種控制對象（如石油化工、能源發(fā)電、鋼鐵冶金、機械電氣等）對象建模、仿真與優(yōu)化類專業(yè)課；（6）與計算機硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)知識有關(guān)的專業(yè)課；（7）專業(yè)領(lǐng)域拓展（人工智能、機器人及其他無人系統(tǒng)、工控網(wǎng)絡(luò)安全、物聯(lián)網(wǎng)、航空航天等）有關(guān)的部分專業(yè)課；（8）各種實驗實踐課程和環(huán)節(jié)。其中，前四類以必修課程為主，后四類多為拓展性、深化性選修課程。

對照新工科建設(shè)要求，尤其在開設(shè)“機器人工程”專業(yè)以后，面向“自動化”和“機器人工程”兩個專業(yè)方向的培養(yǎng)需求，體現(xiàn)在課程體系層面上的主要問題包括：

（1）涵蓋“自動化”和“機器人工程”兩個專業(yè)方向的課程體系需要精心的頂層設(shè)計，實現(xiàn)兩個專業(yè)方向課程的知識層融合。

經(jīng)歷60 多年發(fā)展，本專業(yè)在自動化專業(yè)方向上已經(jīng)形成了自己的優(yōu)勢和特色，有健全的培養(yǎng)體系和課程設(shè)置、豐富的教學(xué)實踐資源、完整齊全的師資力量和大量的學(xué)術(shù)研究成果，但這些優(yōu)勢在目前新工科建設(shè)目標(biāo)下不一定能夠全部轉(zhuǎn)化為有利條件，例如專業(yè)方向發(fā)展上的即得固化、教學(xué)內(nèi)容上的習(xí)慣性側(cè)重、教師知識結(jié)構(gòu)的單一化、教學(xué)資源上的專用性，等等。這些不足表現(xiàn)在本科生培養(yǎng)上，亟待解決的一個問題就是進行適應(yīng)新工科目標(biāo)的課程體系的一體化頂層設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)自動化和機器人工程的知識層融合。

（2）各門專業(yè)課程間的知識冗余和知識“孤島”必須打破，按照新工科自動化培養(yǎng)要求建設(shè)知識主線型課程群。

一方面，新工科的建設(shè)為各專業(yè)帶來了眾多的新技術(shù)、新知識和新產(chǎn)業(yè)，使專業(yè)課程需要傳授的知識點有了很大增加，具體表現(xiàn)為需要設(shè)置大量的新課程，對原有課程和新課程的取舍形成了較大壓力。另一方面，在現(xiàn)有的課程教學(xué)模式中，各門課程大都獨自開課，相互之間缺乏協(xié)同，造成不同課程間的知識冗余或知識“孤島”，知識“點”居多、知識“線”不夠、知識“面”缺乏，使學(xué)生無法形成完整的知識體系結(jié)構(gòu)，制約了學(xué)生后續(xù)學(xué)業(yè)發(fā)展。因此，根據(jù)頂層設(shè)計的課程體系，按照知識主線建設(shè)課程群就成為解決這一問題的有效辦法之一，不僅能夠聚焦核心知識點、提升教學(xué)效果，也能夠按知識主線提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力。

（3）教學(xué)內(nèi)容需要優(yōu)化整合和推陳出新，教學(xué)方法需要不斷改進，以適應(yīng)新工科提出的更高要求。

科學(xué)進步和國家戰(zhàn)略需求，將高等學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)提升到了一個新高度。具體到基層的教學(xué)活動，課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的革新是達到這個新高度的基本手段。以本專業(yè)核心課程“傳感技術(shù)與檢測儀表”為例，面向流程工業(yè)的五大儀表（溫度檢測、流量檢測、壓力檢測、液位檢測、分析檢測）在新的培養(yǎng)體系下要增加面向智能機器的視覺檢測、運動檢測、位置檢測等，教學(xué)內(nèi)容需要更新。同時，教學(xué)內(nèi)容的更新和教學(xué)手段的進步（信息化、互聯(lián)網(wǎng)、仿真技術(shù)等）也推動教學(xué)方法的不斷改進。

經(jīng)過多年持續(xù)不斷的努力，已經(jīng)完成了課程體系的頂層設(shè)計和規(guī)劃重構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成了課程群的建設(shè)工作。目前正在步步向前推進的是課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合及教學(xué)評價和質(zhì)量保障體系的完善。本文將重點介紹課程群建設(shè)和課程優(yōu)化整合中的一些探索與實踐工作。

二、“一體兩翼”課程體系下的專業(yè)課程群建設(shè)和課程內(nèi)容優(yōu)化整合

（一）重構(gòu)“一體兩翼”的課程培養(yǎng)體系，構(gòu)建適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)要求的新平臺

針對自動化專業(yè)具備多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域應(yīng)用的橫斷學(xué)科特點，及傳統(tǒng)自動化控制向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的趨勢，通過對專業(yè)培養(yǎng)方案進行重構(gòu)修訂，構(gòu)建了以“控制理論與工程”為主線，以“人工智能與大數(shù)據(jù)”和“機器人與智能系統(tǒng)”為兩翼的全新課程體系，在強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生具備扎實自動化專業(yè)核心基礎(chǔ)知識與能力的同時，具備融合新興技術(shù)進行實踐創(chuàng)新的核心競爭力，如圖1 所示。

圖1 新工科自動化專業(yè)的“一體兩翼”培養(yǎng)體系

（二）建設(shè)“一體兩翼”體系框架下的專業(yè)課程群，形成科學(xué)配置課程體系、打造強力教學(xué)團隊的新機制

課程群建設(shè)是課程群教學(xué)的基礎(chǔ)，是以多門相近或相關(guān)課程為基礎(chǔ)，采用“結(jié)構(gòu)整體有序、內(nèi)容穿插嫁接”的邏輯思維和結(jié)構(gòu)化改造方式，對各門課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等進行一體化整合和內(nèi)容優(yōu)化的過程，為“培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”提供一個完整的課程培養(yǎng)體系和有力的課程資源保證，是進一步塑造專業(yè)內(nèi)涵及專業(yè)特色、人才培養(yǎng)定位的重要支撐。

基于“一體兩翼”課程體系，建立了如圖2 所示的9個專業(yè)課程群。其中，控制理論課程群、控制工程課程群、控制系統(tǒng)課程群、傳感檢測課程群、軟件與算法課程群主要服務(wù)于自動化控制（“一體”）的課程需求，人工智能課程群、網(wǎng)絡(luò)與安全課程群主要側(cè)重于人工智能與大數(shù)據(jù)（“一翼”）的課程需求，機器人課程群、智能硬件課程群主要側(cè)重于機器人與智能系統(tǒng)（“一翼”）的課程需求。各課程群的課程設(shè)置主要包括：

圖2 新工科自動化專業(yè)的課程群結(jié)構(gòu)

（1）控制理論課程群：自動控制理論（甲）、現(xiàn)代控制理論、信號分析與處理、先進控制基礎(chǔ)、自動化前沿交叉技術(shù)講座、自動控制理論（乙，微輔修）。

（2）控制工程課程群：系統(tǒng)建模與仿真、過程控制、智能控制技術(shù)、智能供配電技術(shù)、智慧新能源技術(shù)、過程控制（微輔修）。

（3）控制系統(tǒng)課程群：計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實踐、電氣控制技術(shù)、智能制造與企業(yè)自動化、工程管理專題講座、測控系統(tǒng)綜合實踐、自動化綜合創(chuàng)新實踐。

（4）傳感檢測課程群：傳感與檢測、生物傳感器技術(shù)、公共安全檢測技術(shù)、微流體控制與檢測技術(shù)、傳感與檢測（乙，微輔修）。

（5）人工智能課程群：人工智能與機器學(xué)習(xí)、數(shù)字圖像處理與機器視覺、大數(shù)據(jù)解析與應(yīng)用導(dǎo)論、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與應(yīng)用、深度學(xué)習(xí)、機器人與智能系統(tǒng)綜合實踐。

（6）機器人課程群：機器人建模與控制、運動控制、機器人導(dǎo)論、智能移動技術(shù)、空中機器人、物流自動化概論、機器人導(dǎo)論（微輔修）、人工智能與大數(shù)據(jù)綜合實踐。

（7）智能硬件課程群：嵌入式系統(tǒng)、智能儀器設(shè)計與開發(fā)、智能電子設(shè)備開發(fā)、DSP 系統(tǒng)設(shè)計、FPGA 系統(tǒng)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)高級實驗。

（8）軟件與算法課程群：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析、面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)（C++）、面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)（JAVA）、數(shù)值計算方法、軟件技術(shù)基礎(chǔ)、運籌學(xué)、決策支持系統(tǒng)。

（9）網(wǎng)絡(luò)與安全課程群：計算機網(wǎng)絡(luò)與通信、信息物理系統(tǒng)安全、物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)實踐、物聯(lián)網(wǎng)安全、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

課程群建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，不僅僅是將幾門課程進行簡單的捆綁，它是以學(xué)生的能力培養(yǎng)為主線、以課程的邏輯聯(lián)系為紐帶、以教師團隊合作為支撐、以提升教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)的課程建設(shè)模式。本專業(yè)學(xué)生在四年的培養(yǎng)期內(nèi)，其課程學(xué)習(xí)按照課程群的設(shè)置，遵循知識層級的循序漸進和創(chuàng)新實踐能力的逐步提高完成學(xué)業(yè)，如圖3 所示，各課程群課程依次遞進、前后連貫，形成上下有序、左右融合的完整課程體系。

圖3 依次遞進、前后連貫的課程群培養(yǎng)流程

課程群的建設(shè)圍繞著“科學(xué)配置專業(yè)課程、有利于提高教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)、打造強有力教學(xué)團隊、持續(xù)深入教育教學(xué)改革、密切結(jié)合教師的責(zé)權(quán)利”的目標(biāo)進行。為此，構(gòu)建合理的課程群架構(gòu)、完善課程群相關(guān)工作制度、制定課程群相關(guān)管理辦法，是保持課程群長效機制的重要手段。在課程群架構(gòu)方面，設(shè)立“總體組”“課程群”“課程組”“任課教師”四級架構(gòu)。其中，“總體組”由學(xué)院教學(xué)院長和所有課程群組長組成；“課程群”負責(zé)人為課程群組長，成員為本課程群所有任課教師；“課程組”負責(zé)人為某課程責(zé)任教師，成員為同一課程下所有任課教師（含平行班教師）；“任課教師”為個體教師自身。相關(guān)工作職能方面，主要包括：開展課程群建設(shè)，制訂課程群工作制度和管理辦法；進行課程群工作的組織和協(xié)調(diào)；對國內(nèi)外高校自動化專業(yè)進行調(diào)研和提出教學(xué)改革建議；對課程知識點進行梳理和優(yōu)化，完成培養(yǎng)方案和課程大綱的修訂工作；進行教材、教輔資料、課件、題庫、網(wǎng)站等多種形式教學(xué)資源的建設(shè)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法與手段；進行新開課教師的審查和培訓(xùn)，建立起課程群教學(xué)團隊；以課程群為單位，常態(tài)化地開展教研活動、集體備課活動、教學(xué)觀摩活動，等等。

經(jīng)過幾年的課程群運行實踐，通過課程群平臺優(yōu)化組合起了若干支人員結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、教學(xué)效果好、教學(xué)能力強的高水平教學(xué)團隊，持續(xù)深入、高效優(yōu)質(zhì)地完成了相關(guān)課程的教學(xué)和教改工作。

（三）優(yōu)化整合課程教學(xué)內(nèi)容，布局兼容并蓄、邏輯合理完整的課程知識新框架

在目前的課程體系中，許多課程在本專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了許多年，如自動控制理論、過程控制、傳感與檢測、計算機控制系統(tǒng)、信號分析與處理等。由于歷史的原因，目前這類課程的教學(xué)內(nèi)容多偏重流程工業(yè)過程的控制工程，不能很好地符合“新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式”要求，教學(xué)內(nèi)容趨于“陳舊”，課程知識點趨于固化。以自動控制理論和傳感與檢測兩門課為例分析。自動控制原理的主要知識點包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)時域分析、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、根軌跡分析、頻域響應(yīng)分析、線性離散系統(tǒng)、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型等，現(xiàn)行的課程方案中，從原理到方法再到案例，基本是以流程工業(yè)過程作為應(yīng)用背景，與機器人中需要的機電系統(tǒng)建模、運動規(guī)劃與機電伺服控制相去甚遠。在目前的傳感與檢測課程中，主要以流程工業(yè)中常見的溫度、流量、壓力、液位、成分分析為檢測對象，而智能無人系統(tǒng)中急需的位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、力矩轉(zhuǎn)矩、視覺信號和雷達信號等則較少涉及。因此，在若干課程中補充、擴展與新工科需求有關(guān)的內(nèi)容，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容上新、老工科的兼容并蓄是必要的。

另一方面，獨立開課、相互間缺乏內(nèi)容整合的相近課程，往往存在課程內(nèi)容“重疊”或知識點“空白”的情況：一種情況是，同一個知識點在多門課程中都有提到，但都沒有講透徹；另一種情況是，隨著時代和科技發(fā)展，新的、必要的知識點尚沒有補充進來。因此，也需要對課程內(nèi)容進行優(yōu)化整合，對專業(yè)知識點、知識體系進行頂層設(shè)計，構(gòu)造完整的知識框架，然后按框架的知識邏輯關(guān)系在各個課程群和課程中優(yōu)化配置，減少“重疊”，不留“空白”。

針對上述問題進行課程內(nèi)容優(yōu)化整合的主要措施是，一是“升級改造”一批需要進行知識范圍拓展和內(nèi)容更新的專業(yè)基礎(chǔ)和核心必修課程，補充一些符合新工科需求的教學(xué)內(nèi)容和知識點；二是“優(yōu)化組合”一批內(nèi)容重合度高、教學(xué)目標(biāo)相近的選修課程，沿幾條獨立主線凝練主干課程，形成結(jié)構(gòu)有序、點線面完整的知識框架；三是“增補新開”一批體現(xiàn)新工科特點的選修課程，主要填補“人工智能與大數(shù)據(jù)”和“機器人與智能系統(tǒng)”兩翼中的知識點“空白”。

課程內(nèi)容的優(yōu)化整合，是一項長期和細致的任務(wù)，一般需經(jīng)歷課程內(nèi)容討論、劃定課程邊界、按照課程邊界組織各自授課內(nèi)容、備課、授課、開課效果反饋、內(nèi)容再調(diào)整等幾個環(huán)節(jié)，課程群這樣一個組織機制和運行模式對課程內(nèi)容的優(yōu)化整合起到了保障作用。為此，近年來在各個課程群間和課程群內(nèi)部，開展了多次教學(xué)研討會，逐群、逐課推進課程內(nèi)容的優(yōu)化整合，各門課程的教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)更加明確，教學(xué)質(zhì)量不斷得到提升。

三、結(jié)束語

近幾年來，本專業(yè)結(jié)合新工科建設(shè)的內(nèi)涵、外延協(xié)同發(fā)展要求，在強化專業(yè)方向交叉融合、重構(gòu)課程體系、優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容、完善教學(xué)評價等方面開展了一些卓有成效的工作，形成了具有自身鮮明特色的課程教學(xué)體系。本文首先梳理分析了專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀和存在的主要問題，然后在“一體兩翼”課程培養(yǎng)體系重構(gòu)的基礎(chǔ)上，對照新工科建設(shè)要求，介紹了建設(shè)專業(yè)課程群和優(yōu)化整合課程教學(xué)內(nèi)容所開展的一些工作。幾年的教學(xué)實踐表明，課程群的建立有利于形成科學(xué)配置的課程體系、打造強力教學(xué)團隊，而優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容則有助于形成結(jié)構(gòu)有序、點線面完整的知識框架，進而提升教學(xué)質(zhì)量。另外，為了幫助學(xué)生尤其是低年級學(xué)生在“一體兩翼”體系下選修各專業(yè)課程群課程，實現(xiàn)預(yù)定的培養(yǎng)目標(biāo)，本專業(yè)采取了以下幾項引導(dǎo)性措施：一是加強對培養(yǎng)體系及選課方略的宣貫；二是由學(xué)院資深教師和教學(xué)管理人員組成咨詢釋疑小組，負責(zé)指導(dǎo)同學(xué)們的修學(xué)規(guī)劃和解答同學(xué)們遇到的問題；三是學(xué)院建立了本科生“成長導(dǎo)師”制度，在學(xué)院內(nèi)部聘任若干教師，每位教師帶領(lǐng)一位研究生與五六名本科生結(jié)成成長團隊，幫助同學(xué)們正確、順利完成課程學(xué)習(xí)任務(wù)是團隊導(dǎo)師的一項主要職責(zé)。