胡立坤 韦善革 李海侠 李 勇

(1. 广西大学 电气工程学院国家级电气工程实验教学示范中心， 南宁 530004)(2. 桂林理工大学 机械与控制工程学院, 桂林 541006)

教材作为课程实施的关键载体，在落实立德树人和国家人才强国战略中具有重要的基础性地位和作用[1]。长期在科学主义范式指导下的高等工程教育模式，使实践教学或多或少地处于劣势地位，相应的实践教材的体系化建设也进展缓慢，将科学主义范式回归工程教育范式并不是简单的过程，况且工程实践能力培养是一个长期渐近深入的过程，并不是通过机械地增加工程实践课程就马上能够补齐短板，对于自动化专业这种“宽口径、厚基础”的专业更是如此。目前大部分高校开设的“自动化概论”课程主要以图片/动画展示、案例简介、小组讨论等形式让学生了解专业的基本理论和学习思路、方法、技巧等，但是纯课堂的教学一般只能让学生宏观了解，不及通过实践操作内隐学习获得的技能更稳定和有效[2]。因此，若能针对低年级学生开设综合性实践课程，并将概论课程有机地与初步实践课程相结合，可有效培养低年级学生的理论与实践相结合的能力，更符合“从实践中来”这一认识事物的规律，可尽快弥补基础教育阶段在动手能力和技术素养方面培养不够的缺憾，也可提高后续专业基础课程和专业课程的实验开展质量，获得更多“经验值”，以适应高年级开展的综合实践和毕业设计教学环节的要求。基于这一认识，有必要从低年级抓起，开设相关的“做中学与学中做”的实践训练课程，引导学生对自己的工程专业产生兴趣，拥抱实践。

长安大学自动化专业在第一学期即开设了以“自动化实践初步”为核心的专业实践基础课程，在“理论→实践→理论与实践相结合”的过程中，培养低年级学生基本的工程实践能力和工程素质，问卷调查结果表明，学生的学习兴趣和自学能力得到显著提高[3]。东北大学自动化专业提出并实践了“实验教学、工程实训、科研训练”三位一体的递进式、全学程的新型实践教学体系[4]。湖南工学院自动化专业构建了面向卓越工程师的“重基础，重技术，重能力，高素质”的“三重一高”多层次实践教学体系[5]。这些实践教学改革都明确提出了“实践能力培养要从新生抓起”的思路，认为低年级学生的动手实践课程是塑造学生创新人格的关键，对培养学生的创新意识和创新精神具有深远影响[6]。

在倡导“以学生为中心”的工程教育当下，现代教材功能应由“为教服务”转变到“为学服务”，强调以责任意识为导向，以多学科整合为载体的大工程观，编撰现代教材要注意与这个时代的人和技术相匹配，即要体现“学材化”和时代性[7-9]。当前，学生主体性高扬，关注自身的全面成长，特别是在自主探究和持续学习能力的发展上有强烈需求，同时处在信息化时代，信息化技术为现代教材拓展了新的发展空间[10-11]。当前在体现“大工程观”和“学材化”特点的教材研究方面仍比较欠缺，教学的体系化与可推广性尚欠，仍不能适应当前工程教育培养“解决复杂工程问题” 能力和提升 “自主学习”能力方面的要求，因此试从自动化专业低年级动手能力培养角度探讨大工程观“学材化”导学与实训教材建设的方式方法。

1 教材的“大工程观”与“学材化”

教材通过丰富的内容和形式承载育人培才功能，没有高质量的教材就没有高质量的人才培养[12]。高校教材首先要坚持正确价值导向，在此基础上，加强教材研究，创新教材的呈现方式和话语体系，建设信息技术与教育教学深度融合、多种介质综合运用、表现力丰富的新形态教材[13-14]。这一要求对于工程类专业，“大工程观”与“学材化”两个关键的理念必须引起足够的重视，前者侧重在内容，而后者侧重在形式。将这两者处理好，集中体现于自动化专业低年级动手能力培养教材撰写中，从某种意义上讲，其难度比专著的难度要大[15]。

“大工程观”由MIT 院长Joel Moses于1993年首次提出，是随着20世纪90年来美国“回归工程运动”而提出重构工程教育的产物，可以说它是一套指导工程教育改革实践的教育教学理念,也是一套指导解决工程系统基本问题的思想方法，具有现实的实践性、可操作性。它的本质特征在于将科学、技术、工程实践融为一体，注重工程技术本身的同时，把非技术因素(如管理、经济、环境、健康、艺术等)作为内生因素加以整合，引入工程活动，含有整体论的思想、应变思想与方法、再循环的思想与方法[16]。从哲学层面表述就是以责任意识为导向的价值综合、操作综合、和审美综合的统一[7]。

“学材”，顾名思义，学习的材料，“学材化”概念于20世纪80年代首先由日本教科书研究中心提出，它是一种给学习者自主学习、便于师生共同使用、能为学生提供开放性学习资源的指导书。1995年日本学者高仓祥提出教科书作为“学材”的五大功能[17]，即唤起学习欲望、提示学习目标内容、提示学习方法、促进学习个性化、巩固学习成果。学生认知结构属一种耗散结构，教科书的“学材化”对学生形成认知耗散结构有突出贡献[8]。所以“学材化”思想提出后得到了很多国家的推崇，并被联合国教科文组织采纳。

2 低年级大工程观实践教材

“大工程观”的本质体现在自动化专业低年级动手能力培养教材中，就是要求多学科整合，并通识化；就是要求突出自动化相关的基本概念和原理，而不必要对整个知识领域的细枝末节完全覆盖，同时可以促进自主学习能力提高；就是要求强调技术知识的实践性；就是要求为增加工程系统适应社会可持续发展而传递普适正确的价值导向。只有为自动化专业低年级动手能力培养教材进行顶层设计，编撰合适的教材，才能够满足工程教育要求，渐近地培养解决复杂工程问题能力的人才。

2.1 体现多学科整合，培养工程系统综合能力

自动化专业自20世纪90年代专业目录调整以来，从最初的培养非常专业的“专才”逐步发展到目前的培养宽口径的“通才”，专业的多学科交叉、渗透和融合的趋势越来越明显，具有内涵丰富、外延宽广的特点，学生除了掌握控制科学与工程相关的基础外，还与电气、机械、计算机、电子信息，甚至是经济、管理、工业/艺术设计、医技等深度融合，培养宽口径、综合复合型的人才。作为面向自动化专业低年级动手能力培养教材应充分契合专业本身特点，同时考虑与高中物理、数学知识的衔接，通过合理选材，编撰结构上有逻辑系统性，内容上兼具理论性与实践性的学习材料。以此为实现培养学生工程系统综合能力，为日后具备“紧紧抓住应用，从应用中提炼出重大的系统问题、控制问题或者优化问题，具有分析复杂问题、解决复杂问题”的能力打下基础[18]。

为使教材体现多学科整合，应选择自动化基础概念与原理、电路最基本的四个定律或关系、电源与用电安全、基本电子电气元件、基本机械元件、基本液压气动元件，利用基本自动化基本原理和分立的各类元件组成的典型自动化系统，同时还应选择工程设计与实施所需的软件工具、基本电工工具和仪表工具。将这些内容作体系化、逻辑化整理，同时考虑技术与社会需求的发展历史、现状与趋势的相互交织性，围绕工程系统综合能力培养这一根本落脚点，为学生提供具有“大工程观”的自动化专业初步知识准备。教材在保证“宽度”的同时，也要考虑在学生当前知识和能力储备情况下适当增加“深度”和挑战度，如可以引入高中已接触过的微积分与电容/电感物理元件的特性和动态过程对应起来，以控整流电路为例进行分析计算，进而与线性稳压直流电源电路的调试结果进行对比验证；利用高中物理中的电磁相关原理、定律分析直流电机与交流电机的运动与正反转原理等，设计并运行继电器与接触器电气控制系统等。

2.2 突出基本概念和原理，培养自主学习能力

从“大工程观”视角，什么是自动化专业最基本的概念、原理？其实不能完整地给出答案，但守恒定律(能量守恒、质量守恒、电荷守恒)、系统、控制、信息、反馈机制相关的概念等应该是最基本的，这些概念、原理几乎存在于所有自动化系统中。随着时间的推移和时代的变迁，虽然新的技术、新的装备、新的问题甚至是新的理论与方法不断涌现，人们的注意力和兴趣也会转移到近十年的发展新事务上去(Norbert Wiener语改造)，但这些最基本的原理和概念一般不会有变化。因此，教材在介绍自动化基础概念与原理、电路最基本的四个定律或关系、电源与用电安全、电子电气元件、机械元件、液压气动元件，以利用自动化基本原理和分立的各类元件组成典型自动化系统时应突出这些最基本原理与概念的应用。同时，在教材中要求学生利用思维导图工具对工程领域的陈述性知识开展图式学习、厘清知识图谱，通过一些案例建立迁移学习和产生式工程问题解决学习的基础，由此逐渐培养自主学习能力，进而引导学生学会独立思考并大胆提问，发现已有知识和技术的不足或找到新的应用，进一步发展它。

2.3 强调基本技能，“做中学”强化内隐学习

作为面向低年级动手能力培养的教材，强调基本技能实践操作是必须的。从“大工程观”视角，什么是自动化专业基本技能实践操作？其实也并不能完整地给出答案，但基本电工工具与仪表的使用、电子电气元器件的识别与测试、电路板的焊接与调试、继电器-接触器电气控制系统构建、机电一体化系统安装与调试、闭环系统调试等这些内容就是最基本的实践技能操作。虽然是基本技能实践操作，但也需要投入一定的时间，这种内隐学习表面上较外显学习“效率低”，却能带来以后更多、更广泛的迁移[2]。所以，教材应创设大量的实训项目，并在实验室为开展这些实训项目提供空间和物质条件，为此，实训教材创设了在机电实训室开展的十二个实训项目，将导学教材的核心内容以实训项目的方式串起来，通过“做中学”强化内隐学习效能。

2.4 坚持责任意识导向，植入正确的价值观

教材是国家事权[19]，教材蕴含责任意识导向是应然选择，教材要从案例、人物等材料选择上符合正确的价值观，在陈述方式方法上蕴含课程思政，与思想政治教育同向同行。教材要为课程在课前、课中、课后提供融入课程思政的切口，将价值导向与价值观“溶”于课前预习、课堂讨论与讲授、课后作业/调研各个环节中，润物无声。作为低年级的导学与实训教材，正是由于课程内容基础且丰富，教学内容普遍可以挖掘相关的课程思政教育元素，因此在编写过程中自然发挥课程育人作用应成为应然选择，比如正确认识自动化与失业问题以及机器人三原则的现实意义；复杂与简单、整体与部分、分而治之的思想；“工欲善其事，必先利其器”及实践的真谛；我国的电力奇迹与电力装备走出国门；我国电子设计自动化领域与国外的差距；“千里之堤，溃于蚁穴”“基础不牢，地动山摇”的现实意义；人工智能与机械结合导致的工程伦理问题；闭环反馈控制思想的普适性问题等等，均可以让学生开展思辩，学悟道理。

3 低年级“学材化”实践教材

当前，以信息化为基础的学习型社会正在形成，学生需要不断依靠自学能力通过多种途径获取信息提升自己，以适应社会的快速发展对人的能力与素质要求，所以作为自动化专业低年级动手能力培养教材，应该在内容选材、内容组织、呈现方式以及资源建设等几个方面坚持以学生为本，开展“学材化”的教材建设。

3.1 内容选材的“学材化”

既然是低年级的导学与实训教材，考虑高中毕业学生认知层次是一个基本原则。注意知识的基础性，精选一些学生为后续专题课程学习和自主学习所必备的基础知识和技能；以高中毕业生的经验和生活背景为基础，选取学生在生活中接触过但往往并未深究的事情或事物或素材作为案例，将探索性实践或体验性知识与陈述性知识相结合，以便于在学习过程中与已有经验联系起来，唤起学生自主学习、自我探究和发现的原动力，完成认知的自主建构过程。此外，导学与实训教材倡导关联与整合的综合系统理念，注重构建完整工程或系统所需的技术、非技术因素，以支撑学生将来构思-设计-实现-运行系统或工程的能力结构。

为此，导学与实训教材的内容围绕自动化基础一条主线，将两类工具仪器(即电工工具和常用仪器)，两类电学基础知识(即基本电路知识、电源与用电安全知识)，三类元件(即电子电气元件、机械元件、液压气动元件)，三个工程软件(即绘制电子电路图软件、绘制电气与机械工程图软件、绘制屏箱柜体三维造型软件)，三个系统(即接触器-继电器电气控制系统、机械液压气动系统、温度闭环控制系统)纳入其中，可以用“112233”概括，并配套精选的实训项目。在编写过程中，要本着收敛性思维[11]为学生提供一个目前均认同的系统完整的内容体系，不易太过发散导致篇幅过多。

3.2 内容组织的“学材化”

教材的内容组织形式在一定程度上对开设课程是有重要影响的，虽然教材与课程不能划等号，但教材是学生自主学习的蓝本，教师所讲与教材所讲应是相互补充的，尽量避免太多的跳跃，所以在内容组织面，同样要从学生认知发展的特点和规律出发，使教材在保证内容系统性的前提下，为课堂教学提供了较为灵活的内容组合形式，也为学生自主学习提供方便。

为此，导学与实训教材的内容组织上按认知过程与实践易难安排结构。导学教材按生活和工作中的自动化及基本概念与原理、电路基本定律与计算、基础电子元器件接插件与导线、常用工具与仪表、电源及用电安全、绘制电子线路图软件、电器与电机、机械元件、流体元件、电/液/气基本控制系统、绘制电气/机械工程图软件、检测与仪表、温度控制系统与构建、屏箱柜体三维实体造型软件组织。在编制每一部分内容时采用“干线式”方法[20]。在深入研究选材与学生认知能力的基础上，提炼每个单元的精华，再作系统性阐述，而其他内容通过嵌入二维码的方式由学生自主选择。实训教材按七个模块组织，包括实训须知、基础仪表使用与基础电子元器件检测、自制直流稳压电源设计与实现、低压配电及应用、低压电器与电机运行控制设计与实现、机器人传动系统、温度传感器测试与温度控制系统调试以及外观设计，共含十二个实训项目，与导学教材的逻辑结构相适应，方便实施教学。为使学生自学过程具备引导性，编制了相应的习题册，其中包含了常规的练习，也含有思维导图总结、调研、绘图等方面内容，也为教学提供方便。

3.3 呈现方式的“学材化”

教材的呈现方式直接关系着“学材化”效果。大学工程类教材并不能像中小的教材那样可以不用学术语言，要培养专业化的工程技术人才，避免不了采用专业术语，这些专业术语是工程交流的共同语言，要用通俗易懂的语言风格展现专业术语，这是使内容可读性增强的主要方式。另外，精心选图、精制表格、美化曲线、规范公式，图文并茂，使文字对图、表、公式、曲线充分配合，是增强内容可读性的重要方式，并且对于工程类教材显得更重要。当然利用扫描二维码引入视频、动画形象解释专业文字更佳。

3.4 为“学材化”配套资源

当前教材的形态在不断创新，信息技术的应用是使教材向媒体融合方向发展的主要助力。融文字、图像、声音、动画为一体的电子教材调动学生学习的多种感官，增加了快乐学习的体验感，加速和改善了学生对世界的认知[9]，增加了学习的获得感。建立纸质、电子和网络教材有机结合的立体教材一个重要的内容是配套课程资源。对自动化专业低年级动手能力培养导学与实训教材，配套有课程教学大纲(含教学目标、重难点、考核等)、线上视频、难点重点微课、章节测验、课后作业、综合测验以及虚拟仿真实验、实训设备与空间等，这些资源对于工程类学生是重要的自主学习素材，同时再加上课程平台运营，可以实现生生、师生的随时随地的互动讨论，解决问题，这本身也成为“学材化”的一部分。通过为“学材化”配套资源，在追求教材与课程逐渐趋同过程中促进教材提质。

4 结语

教学改革“改到深处是课程，改到痛处是教师，改到实处是教材”。教材对于学习起到不可替代的作用，它是开展课程教学的一种重要载体和资源，对于工程类专业，建设体现“大工程观”和“学材化”的教材对于培养未来的工程师影响深远，工程类专业的教材建设者要充分理解这两种理念的重要性，在具体的实践中不断探索，开发一流工程类教材，为培养一流工程类人才服务。以上所提到的面向自动化专业低年级动手能力培养的导学与实训系列教材已于2018与2019年分别出版，并建立了相关的课程资源，已在四所高校开展应用。除自动化专业外，系列教材还适合于大部分涉电涉机类专业，希望能为相关高校涉电涉机类专业低年级动手能力培养贡献力量。