新工科背景下测控专业“工学并举”实践教学持续改进机制构建

刘伟玲　周围　高楠　孙凌宇　肖艳军

［摘 要］在新工科建设背景下，作者以“工学并举”为引领并根据“工学并举”新内涵要求对测控专业的实践教学体系进行了改革及建设。文章以河北工业大学测控专业实践教学体系的整体框架设计为起点，从人才培养模式构建、实践教学支撑体系建设、实践教学平台搭建以及管理与监控体系建设与运行机制等方面进行了详细论述。改革实践表明，构建科学的实践教学持续改进机制能够有效确保实践教学体系的顺利实施。

［关键词］新工科；实践教学；“工学并举”；持续改进机制；复杂工程问题

［中图分类号］ G420 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）02-0066-05

新工科伴随着新经济、高科技、大工程时代的到来，影响着高等教育的发展，对高校人才培养提出更高的要求[1-2]。学生能力培养目标的达成，需要课程及其教学环节支撑，因此做好针对解决复杂工程问题能力培养的课程、实验、实践、设计各环节与体系的设计至关重要。在新工科背景下，如何抓住产业发展契机，提升学生的能力与素养，是进行教学体系优化与迭代的第一要务。河北工业大学测控专业（以下简称测控专业）解决这一问题的关键就是以“工学并举”为指引，秉承“勤慎忠公”的精神，构建本专业的特色实践体系和全面管理与监控机制，确保实践教学的顺利实施及持续改进。本文试对测控专业“工学并举”实践教学持续改进机制构建进行探究。

一、对“工学并举”专业内涵的解读

河北工业大学“工学并举”的办学思想，自1903 年创办之初就已提出。在随后的百年发展中，“工学并举”的内涵不断得到拓展、提升：先是学校创始人周学熙提出“工艺非学不兴，学非工艺不显”，然后是魏元光院长倡导“手脑并用，教学做合一”，再到1958年潘承孝先生主张“三基兴学，产学研一体”。到今天，为了顺应“中国制造2025”、新工科建设、世界一流学科建设、工业物联网等的发展要求，“工学并举”的专业内涵也在不断发展，聚焦于培养能够服务于区域经济发展和社会进步，具有坚实科学基础、较强工程能力的高素质综合工程人才[3]。

2018年以来，河北工业大学根据教育部关于高校改革的要求，优化了学校组织结构、开展了学科重组、进行了人才引进与培养、完善了各机构的绩效评价模式，“工学并举”的办学理念也被赋予了新的内涵。学校结合国家创新创业要求，在“学”的方面更侧重于以创新意识培养为目标的“学”，“工”则强调结合工程应用开展实践；通过与企业合作建立实践基地、实施产学研协同育人项目、建立企业合作导师库等措施，实现了专业与产业的连接，完成了有工业背景的产业化工程应用实践。根据产业需求进行定制化人才培养，在更广的空间、更深的层面实现“工”与“学”的协同、共创及并进，以理论与实践相结合为基础进行办学与立校，实现兴工与报国的目标，这便是新时代背景下的“工学并举”[3]。

在新的时代背景下，将“工学并举”的内涵应用到测控专业，则要求构建面向现代制造、专业教育与工程应用密切结合、工程化人才培养与学科建设协同并进的专业教育体系和工程实践体系，从而确保能达到适应时代产业需求的人才培养效果 [4]。图1呈现的是测控专业 “工学并举”内涵架构。

二、目标导向、模块化分层实践教学培养体系建构

测控专业从本专业的培养目标出发，根据“工学并举”的办学思想，将实践教学理念定义为在实践教学中，以引导参与为目标、激發主动性为靶点、打牢基础为前提，全力塑造学生的创新意识及创新思维，从而实现学生综合素养、实践能力和科研水平的提升。测控专业根据测控学科智能化、精密化、自动化等发展特点，并结合工业4.0时代背景，以培养“复合型+创新型”专业人才为目标，结合课内、综合及创新三层次设定，将公共基础实验、学科基础实验、专业核心实验及专业方向实验建构成递进式的四大实践模块[5]；从需求提炼到素质培养、能力塑造、知识传授、资源配置，实现多环节联动，全力服务并保障学生专业能力培养质量。测控专业分层实践教学培养体系如图2所示。

测控专业实践教学培养体系的知识体系构建从核心课程群展开，通过综合实训或创新实验将课内基础知识呈现出来，实现知识与应用融合以及提升方案设计与解决复杂工程问题能力，并实现机光电计全方位、多维度的实践能力培养。学生解决复杂工程问题能力包含三个层级即工程认知、工程实践及工程创新，对应这三个层级的实践环节分别为课内基础实验、综合实践、毕业设计。整个实践教学体系按照“工学并举”内涵要求，强调服务学生发展的核心主旨，开展了教学目标体系、内容体系、评价改进体系有机协同实践，保障了培养高素质、强能力、复合型、创新型技术人才目标的实现。

三、面向“工学并举”的实践教学支撑体系建设

测控专业的培养计划既包含常规测控技术及应用模块，又包含特色化的光电检测及视觉分析模块以及精密仪器与机械模块，并在此基础上结合行业发展需求，增加了学生嵌入式控制系统设计能力、感知与信号分析能力、精密测量仪器设计能力、专业综合实践能力、创新创业能力的培养计划。为有效促进学生能力提升，测控专业针对每个能力培养环节建有专业实验室，比如测控综合能力实验室、精密仪器设计实验室、智能感知与信息融合实验室、嵌入式系统实验室、精密系统与测量实验室、光电检测与视觉实验室、综合测控系统实验室、测控创新创业实验室，以实现对相应教学环节与实践环节的支撑。实验室能够安排课程教学活动，并提供相关实验装置、器材、工具，同时具备光电检测、视觉分析、精密测量、信号分析及自动控制等各类典型测控系统与设备。各类实践环节都可以基于丰富的仪器与设备进行设计与调试，保障学生专业实践能力训练得以正常开展。

学生的创意思维训练以及解决复杂工程问题能力打磨，是目标产出导向的核心。 为实现“工学并举”，实现教学实践与工程应用的有机结合，测控专业设计并实施了“五位一体”层次化多维实践环节支撑体系，实现知识内容分层递进、实验环节类型丰富、设计内容综合性强且兼有灵活性与延伸性的实验体系。通过“智能家居系统设计”“智能停车管理系统设计”“产品质量视觉检测系统设计”等各类实践项目，融入了人工智能、机器视觉、网络化及云计算等新兴技术与产业，实施了“以学生能力产出为核心、培养目标需求为驱动、多样化过程设计为依托、多种技术与手段融合、能力提升为输出结果”五位一体实践教学支撑体系。这个体系结构如图3所示。相关实验室及实验设计可支撑如控制工程等多专业公共基础课程，支撑仪器类的传感器技术、测控电路、信号与系统等专业基础课，并可支撑如嵌入式系统设计、虚拟仪器技术、测控仪器设计等特色专业课程。各类实验设备至少有15套，并配备有专业技术人员进行设备维护与管理，实验人员与专任教师同时为学生实验与实践环节的开展提供保障与支持。

四、实践教学全面管理与监控体系建设

OBE工程教育专业认证的核心保障是专业持续改进机制。专业持续改进机制包含教学质量内部监控与培养质量外部评价。在河北工业大学，学校和学院通常负责教学和培养全过程管理、监督和保障，专业负责实施和改进。学校、学院和专业通过企业调研、问卷调查、学生走访等多种形式搜集来自在校生、教学督导、毕业生和社会的反馈信息，用于完善培养目标、毕业要求、课程体系、课程目标、理论教学环节及实践教学环节，从而实现专业建设的持续改进。专业根据学校和学院的教学质量管理制度，组织、建立并实施了完善的教学过程质量监控机制。专业制定了合理的教学大纲修订制度（在每门课程的教学工作完成后）和课程体系修订制度（每学年），建立了严格的教学过程质量监控机制，形成了明确、合理的各环节质量评价体系，从而保障持续改进机制的有效运行，更好地促进毕业要求的达成。以上措施使得毕业要求的能力要素能切实体现在大纲中，使得课程体系能更加有力地支撑毕业要求，教学过程质量监控使得教学环节能真正达到大纲要求，质量评价体系使教学效果得以体现，为持续改进提供可靠依据，最终保证了毕业要求的很好达成。

以OBE为导向，建立高阶性、创新性、挑战度的“两性一度”实践教学体系，破解实践能力培养难题，必须有全面管理与监控体系。该体系以OBE为导向，从学生实践及培养解决复杂工程问题能力入手，建立了实践教学运行体系，从能力培养角度明确了实践教学各个环节的具体内容及要求，进一步明确了把能力培养作为成果导向的核心目标。所建立的实践教学全面管理与监控体系，是实践教学能够有效运行及形成持续改进机制的重要保障，从督导、学生、教师等多角度建立了教学效果信息反馈机制，在实践教学环节形成了完整的“论—证—改”的持续改进机制闭环。测控专业的全面管理与监控体系，摒弃了仅仅依据实验报告进行打分的传统做法，针对各类实践环节实行了过程化、动态化的目标达成跟踪评价，注重过程培养，更强调实际动手能力、实验完成质量等多方面因素的综合评价。

测控专业根据综合实验学习表现（包括理论知识学习情况、实验报告等）與实验成效为学生动态评分，避免重理论轻实验。对于验证性实验，总成绩包含实验预习、理论学习和实验报告；对于综合性实验与自选性实验，注重实验动手能力培养，适当降低实验报告所占分数。注重提高动手能力，调动了学生自主学习积极性[6-7]。图4所示为测控专业实践教学全面管理与监控体系构成的主要内容。

五、实践教学过程管理与监控体系运行机制建设

实践教学过程管理与监控体系运行机制实现以教师为中心向以学生为中心的教学质量观转变，形成全教学过程管理与监控的质量标准体系，细化监控流程与措施，明确实施主体，落实分析反馈，实现动态调整、持续改进[8-9]。该运行机制通过访谈、教学督导、问卷调查等多种反馈渠道，及时掌握学生实践环节的状态和诉求；采用多元评价方法，以目标任务、过程管理、结果反馈为主要内容，以全程化、全员化、层次化、多元化、常态化为特征，建立了实践教学过程中学生学习状态和实践效果的跟踪与反馈机制，通过对不同阶段学生学习状态及能力达成情况的跟踪、反馈及评价，及时调整实践体系、实践内容、实践开展方式、师资配备及实践资源，使实践教学体系和教学过程不断适应学生成长成才的要求。图5所示为测控专业的实践教学过程管理与监控体系运行机制。

该运行机制由五个主要过程构成，将这些过程有机联系起来，形成了实践教学能力培养过程的完整闭环。该机制从需求分析入手，针对各利益相关方反馈的学生胜任力和需求的差距进行提炼总结，形成学生毕业要求的能力目标，据此设计实践教学的各个环节，明确实践教学实施与管理的具体任务和要求。实践教学在实施过程中，按照测控专业过程质量运行机制的要求，对各类实践环节的学习成果进行分析和评价。评价时考虑多种评价方式，并将结果进行综合分析后形成最终的评价结论，即学生能力达成情况。对能力薄弱环节进行研讨诊断，形成持续改进的措施并在下一次教学中实施。

六、实践教学环节对专业核心能力培养的支撑

第四次工业革命及相关AI与网络技术的发展，使得现代工程的综合化程度高、技术难度大、运行环境复杂，从而导致其对经济、社会与环境的影响深刻且多元。如何培养学生能够积极面对并解决系统性与复杂性交织的工程问题，是专业人才培养必须考虑的核心问题。为此，测控专业从行业需求出发，进行了培养学生解决复杂工程问题核心能力的实践教学设计，包括解决复杂工程问题需要具备的误差分析、精度分析、在线检测、定位控制、复杂功能硬件设计、精密机械与仪器工艺分析等六个方面的专业核心能力，并对各项能力进行细分。结合不同课程内容进行不同层次的实践环节架构设计，在由基础到综合的过程中实现对专业核心能力的培养，使学生具备解决复杂工程问题能力。其运行过程如图6所示。

各类实验及实践环节的指导教师在教学中严格执行相应的教学要求。教学要求根据培养解决复杂工程问题能力这个核心目标制定，涵盖专业知识体系、教学要求、教学过程、教学设计、教学方法及教学评价等内容。其具体体现为：首先，对复杂工程问题能力支撑特征进行指标分解，构建课程与对应指标的支撑关系图谱，并针对相应指标进行教学环节与教学活动设计，实现有效、可量化、可评价的教学过程支撑，最终将这些评价数据用于学生毕业要求达成计算。其次，密切结合学校、学院及测控专业人才定位，将培养多技术融合的复合型且具有工程应用实践能力的应用型人才作为目标。选择以测控系统精度设计为主线的复杂工程问题，将测控系统精度设计分解到精密机械系统、光电系统和软件系统等实践教学环节的各个子系统和子环节中，通过整个教学计划来执行。再次，根据课程教学大纲，从学生解决复杂工程问题的整个流程入手，培养学生发现问题、分析问题、梳理汇总、制订方案、调试执行及评估方案的核心能力。恰当运用项目式教学、启发式教学、混合式教学等教学方法，提升学生的参与度，激发其学习热情和优化其学习效果，从而确保解决复杂工程问题能力的培养效果。最后，制订相应的考核评价方法来检验解决复杂工程问题能力的达成情况和存在的不足，以利于该环节的持续改进。

在专业教学中，以信息流为线索，串起学生的光、机、电信息获取能力，精度分析和误差模型建立能力，信息传递、集成能力，实践能力，测控系统结构设计能力，测控系统电路设计能力，测控系统光路设计能力，虚拟仪器设计能力，精密仪器与机械工艺分析能力，软硬件工具使用及开发能力等，并且设计了各类实践环节与软硬件实验平台，让学生得到充分实践和锻炼。在制定课程教学大纲时，从教学内容、教学环节及考核环节中，设计、增加相应的复杂工程问题解决能力培养环节，明确相应的知识点、教学环节、教学设计及评价方式，确保复杂工程问题解决能力培养目标得以有效达成。

七、达成效果分析

2019、2020年，笔者分别针对测控专业2015、2016级毕业生进行了关于解决复杂工程问题核心能力培养的满意度问卷调查，共收到2015级78份、2016级125份调查问卷。根据学生对专业核心能力达成度的评价结果可知，由于各环节持续改进机制的实施，除了在线检测能力部分，2016级学生在其他方面能力的达成效果普遍优于2015级。在精密仪器与机械工艺分析上，学生的能力达成度略低，这就需要进一步对课程内容、实践内容设计进行优化改进，从而使学生在仪器加工与装配工艺分析能力水平方面得到提升。通过对调查问卷得到的数据进行统计分析可知，学生的专业基础知识、测控基础技能、综合实践能力、测控系统与仪器设计能力达成度都占85%左右，其人文素質、团队协作、沟通能力达成度也在70%以上。

八、结语

河北工业大学测控专业2018年完成了工程教育专业认证，2021年入围国家一流专业建设，其实践教学体系有效运行了三年，无论是专业的实践教学体系架构还是教学模式及持续改进机制都对学生培养目标达成发挥了有效作用。在“工学并举”办学思想的指引下，以工程能力提升为目标，构建了富有特色的实践教学支撑体系，并基于实验室与实验平台建设，有效推动了整个实践管理与监控体系平稳运行，确保专业“综合+创新+应用的复合型人才”培养目标得以实现。

2021年，测控专业完成了工程教育专业认证的中期考核，在后续国家一流专业建设中，将继续践行“工学并举”的办学思想，紧跟行业与科技发展趋势，结合社会经济发展需求，适时优化实践内容设计、实践教学教程，应用新的教学技术手段，加强实践环节对能力培养的支撑，实现专业人才培养体系的动态化持续改进。

［ 参 考 文 献 ］

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［责任编辑：庞丹丹］