新工科背景下自动化专业课程教学体系的优化重构

新工科背景下自动化专业课程教学体系的优化重构近年来，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，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2021年入选首批国家“双一流”建设学科，2021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2021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2021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。

2021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。

2021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2021年开始承担浙江大学机器人科教实践基地的建设，2021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。