張延順 李明 楊琳

摘 要：在卓越工程師教育計(jì)劃背景下，將多年課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和相關(guān)科研工作的經(jīng)驗(yàn)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，探索培養(yǎng)研究生的開(kāi)放式、研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法的主要特點(diǎn)是提供開(kāi)放式的模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)、完成實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，教師由傳統(tǒng)的主導(dǎo)角色轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助、引導(dǎo)角色，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)激發(fā)學(xué)生熱情、導(dǎo)引前沿技術(shù)、提供平臺(tái)和協(xié)助完成實(shí)驗(yàn)的作用。文章的方法在《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)》課程中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，并起到了較好的效果。

關(guān)鍵詞：卓越計(jì)劃；工科研究生；開(kāi)放式；研究型；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）04-0011-03

Abstract： Under the background of the excellent engineer education plan， the experience of classroom teaching， experimental teaching and related scientific research work is integrated into experimental teaching， and the open and research-based experimental teaching methods for postgraduate students are explored. The main feature of this method is to provide an open modular experimental platform for students to independently design and complete experiments. In the experiment， the teacher changed from the traditional leading role to the auxiliary and guiding role. This experimental teaching method can achieve the role of stimulating student enthusiasm， guiding cutting-edge technology， providing platform and assisting in completing the experiment. The method of this paper has carried out teaching practice in the course of "Inertial Navigation Technology Comprehensive Experiment" and has achieved good results.

Keywords： excellent engineer education plan； engineering graduate； open； research-based； teaching practice

隨著研究生教育規(guī)模的擴(kuò)大，研究生教育質(zhì)量成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更成為當(dāng)前評(píng)價(jià)研究生教育質(zhì)量的公認(rèn)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)現(xiàn)研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個(gè)有效途徑，已經(jīng)被教育界的專家所認(rèn)可[1，2]。如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如何做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是高校教師一直探索的問(wèn)題。在我國(guó)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱卓越計(jì)劃）的帶動(dòng)下，許多高等院校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面投入了很大力量，特別是針對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)踐型工程技術(shù)人才提出了許多舉措，也取得了一些效果[3，4]。

以北京航空航天大學(xué)實(shí)施卓越計(jì)劃、建設(shè)工程教育強(qiáng)校為契機(jī)，在學(xué)校的研究生教育與發(fā)展研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目和教學(xué)改革項(xiàng)目的大力支持下，作者針對(duì)工科研究生的特點(diǎn)，并結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與科研工作成果，進(jìn)行了研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探索，在北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)條件支撐下，通過(guò)學(xué)院的研究生課程《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)》開(kāi)展了教學(xué)方法實(shí)踐，并取得了一定成果。

一、工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)現(xiàn)狀與問(wèn)題

卓越計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的不同類型的工程技術(shù)人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)[5，6]。因此，創(chuàng)新性是研究生培養(yǎng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)也是主要的考核指標(biāo)。相關(guān)學(xué)者在我國(guó)研究生創(chuàng)新能力方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析[1-8]，從1997年到2010年間研究生培養(yǎng)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，研究生的科研條件在逐步提高，文章、專利等成果數(shù)量在增加，但與當(dāng)前技術(shù)水平相比，研究生的總體培養(yǎng)質(zhì)量在下降，特別是研究生的創(chuàng)新能力在下降?，F(xiàn)階段，得益于高校教師科研項(xiàng)目、科研團(tuán)隊(duì)等條件的支持，研究生雖然可以獲得較高的研究起點(diǎn)，但隨著我國(guó)研究生的擴(kuò)招和專業(yè)技術(shù)的細(xì)分，現(xiàn)有的教學(xué)培養(yǎng)體制和導(dǎo)師的科研培養(yǎng)模式已經(jīng)不能完全滿足研究生的精細(xì)化、個(gè)性化和創(chuàng)新性的培養(yǎng)。

文獻(xiàn)[9]指出培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力是一個(gè)不斷深化教育理論研究和教育實(shí)踐探索的過(guò)程，創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)、個(gè)性化知識(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、創(chuàng)新學(xué)術(shù)性格的塑造和實(shí)踐能力的鍛煉，是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10]從課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)術(shù)交流、實(shí)踐活動(dòng)、外部環(huán)境等五個(gè)方面就如何加強(qiáng)研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)做了初步的探討。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生工程能力的有效手段，近年來(lái)得到各高校的重視和大力發(fā)展[11，12]，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置上的滯后效應(yīng)，目前多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件還處于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過(guò)程存在以下問(wèn)題：

1. 課程設(shè)置方面，實(shí)驗(yàn)課程常常被作為理論課程的組成部分，一般不單獨(dú)設(shè)置，占課程內(nèi)容的比例較小，且實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)比較零散，之間缺乏緊密聯(lián)系，難以形成一個(gè)獨(dú)立的實(shí)踐教學(xué)體系。

2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，以演示實(shí)驗(yàn)和設(shè)定實(shí)驗(yàn)為主要教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方法比較固化，學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中只是被動(dòng)的觀眾和操作者，缺乏主觀能動(dòng)性的發(fā)揮。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)施與條件方面，多數(shù)高校普遍在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)資助上加強(qiáng)了建設(shè)力度，但實(shí)驗(yàn)條件還達(dá)不到盡善盡美，特別是研究生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件與資源更顯不足。

4. 師資力量配備方面，各高校從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作人員普遍存在職稱偏低、專業(yè)背景知識(shí)不足等問(wèn)題，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的實(shí)現(xiàn)。

二、開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路

本文以卓越計(jì)劃中的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)引，針對(duì)研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，基于作者在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作的經(jīng)驗(yàn)積累，進(jìn)行了工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)方法探索。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本思路為，將課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，將科研工作與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深入聯(lián)系，給學(xué)生做前沿技術(shù)、最新方法及相關(guān)科研課題的講座，為其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供思路；搭建供研究生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的開(kāi)放式綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生借助此平臺(tái)完成綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K創(chuàng)新性組合、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐提供條件與技術(shù)保障。以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想與內(nèi)容在研究生選修課程《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)》中進(jìn)行了應(yīng)用與教學(xué)效果評(píng)估，取得了較為理想的效果。

三、《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)踐

（一）教學(xué)方法

慣性導(dǎo)航技術(shù)（包括慣性器件技術(shù)和導(dǎo)航定位技術(shù)）涉及慣性空間、地球物理特性和復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換等知識(shí)內(nèi)容，具有抽象、理解困難的特點(diǎn)，因此，本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)為力求提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力和綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)與完成實(shí)驗(yàn)，能夠得到對(duì)慣性器件輸出信號(hào)物理意義的深入直觀認(rèn)識(shí)，能夠掌握慣性導(dǎo)航算法，并能通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)導(dǎo)航算法進(jìn)行驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的能力培養(yǎng)，本文提出的開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與慣性導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)課程的特點(diǎn)及課程教學(xué)目的契合度較高。

開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新穎的教學(xué)觀和教學(xué)理念。它以促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展為宗旨，以改變學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的教學(xué)方式為著眼點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建一種開(kāi)放的、互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生自主地學(xué)習(xí)知識(shí)，認(rèn)識(shí)客觀世界，積極主動(dòng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并自主完成。在開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中，教師的主要作用為激發(fā)熱情、前沿導(dǎo)引、提供平臺(tái)和協(xié)助完成。相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師的角色有了重大轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的主導(dǎo)角色轉(zhuǎn)換為引領(lǐng)、討論與協(xié)助者的輔助角色。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師不再是簡(jiǎn)單的指導(dǎo)操作，而是更多地介紹專業(yè)背景、前沿技術(shù)與方法，并結(jié)合自己的科研經(jīng)驗(yàn)與成果，幫助學(xué)生深入了解專業(yè)知識(shí)的原理、應(yīng)用與前沿技術(shù)，從而激發(fā)出其科學(xué)研究的欲望，幫助學(xué)生接受到更前沿的知識(shí)和先進(jìn)的思想，促使個(gè)人的積極性得到極大發(fā)揮。

本文提出的開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法將側(cè)重于讓學(xué)生在開(kāi)放的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上自由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、獨(dú)立完成各自的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法訓(xùn)練，為研究生下一步的科研工作開(kāi)展打下良好動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)探索精神等方面的良好基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為開(kāi)展開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為學(xué)生提供了綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如圖1所示，綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由USB_PCL6045B控制子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)滑軌、MEMS慣性測(cè)量器件及組件、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。

其中，USB_PCL6045B控制子系統(tǒng)用于控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)滑軌的運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)滑軌（包括直線運(yùn)動(dòng)滑軌和旋轉(zhuǎn)滑軌）在電機(jī)帶動(dòng)下產(chǎn)生直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，固定在運(yùn)動(dòng)滑軌上的慣性測(cè)量單元（也可以只有加速度計(jì)或陀螺儀）敏感滑軌的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行比較即能驗(yàn)證慣性導(dǎo)航原理、導(dǎo)航定位算法和滑軌控制方法。

基于此平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)滑軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（可進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合），測(cè)量運(yùn)動(dòng)信息既可以采用完整的慣性測(cè)量單元，也可以采用單個(gè)陀螺儀與加速度計(jì)。將上述各種設(shè)備和不同方法組合起來(lái)，學(xué)生可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)。

（三）教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果分析

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要承擔(dān)《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)》課程中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)半物理仿真實(shí)驗(yàn)三部分內(nèi)容，現(xiàn)已在北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院研究生《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生分為8組，每組的組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織本組學(xué)生進(jìn)行方案討論、組內(nèi)任務(wù)分工。實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)與前沿技術(shù)在講座中進(jìn)行集中教學(xué)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐則分組進(jìn)行。這樣，每組會(huì)有不同的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且均為獨(dú)立設(shè)計(jì)與完成。

學(xué)生應(yīng)用控制界面可以任意設(shè)定運(yùn)動(dòng)滑軌的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和狀態(tài)。程序設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是利用慣性測(cè)量單元（慣性器件）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。利用慣性測(cè)量單元中X軸加速度計(jì)輸出信號(hào)計(jì)算導(dǎo)軌橫向移動(dòng)距離，則會(huì)得到一組運(yùn)動(dòng)參數(shù)誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2中，橫軸是采樣點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)采樣率是100Hz，所以橫軸對(duì)應(yīng)的時(shí)間是50秒。圖中三條數(shù)據(jù)曲線從下至上分別對(duì)應(yīng)加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)、利用加速度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算的速度誤差和位置誤差。慣性測(cè)量單元安裝誤差、MEMS加速度計(jì)誤差導(dǎo)致了較大速度誤差和位置誤差。圖2數(shù)據(jù)顯示了慣性系統(tǒng)的誤差隨時(shí)間累積，且器件誤差越大累積的誤差越大，這與基本原理相符。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生能對(duì)慣性導(dǎo)航相關(guān)知識(shí)有深入、直觀的理解。

四、結(jié)束語(yǔ)

相較于老師為學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，或按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)機(jī)械執(zhí)行的確定性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，本文提出的開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生的積極性與參與性明顯提高，形成了一種組內(nèi)合作、組間競(jìng)爭(zhēng)的良好氣氛；實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中相互討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)有了深入認(rèn)識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了提出科學(xué)研究思路和方法的能力，而實(shí)驗(yàn)方案的開(kāi)放性設(shè)計(jì)，則激發(fā)與匯聚成實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新性。這樣，開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)為學(xué)生營(yíng)造了一種開(kāi)放、活躍、積極、和諧的研究氣氛，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造力，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的軟、硬件條件，獨(dú)立完成了創(chuàng)新性工作，使自身的科學(xué)實(shí)踐能力得到鍛煉與提高。

本文所提出的開(kāi)放式研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)工科研究生培養(yǎng)具有普適性，可在各學(xué)科中進(jìn)行推廣，另外，本文提出的教學(xué)方法也可在高年級(jí)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用。

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