褚 菲 ，云 霄 ，莫雙雙 ，尤富強

（1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116;2.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110819）

隨著科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，國家和企業(yè)對大學(xué)生的需求不僅僅是掌握單一學(xué)科的傳統(tǒng)型人才，更希望獲得有多門學(xué)科交叉融合發(fā)展，有系統(tǒng)思維的專業(yè)型人才[1-2]。高校應(yīng)更加重視培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，不斷完善和提升實驗教學(xué)內(nèi)容，把具有實際應(yīng)用背景的工程課題引入課程實驗，使學(xué)生在教學(xué)實驗中掌握基本方法、技能，鍛煉解決本學(xué)科領(lǐng)域中工程問題的能力。本文在基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一系列探索創(chuàng)新，以提升專業(yè)性實驗教學(xué)的效果和質(zhì)量，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新、實踐的能力，實現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標。

1 課程的現(xiàn)狀

近年來，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，國家和企業(yè)對新型人才的需求十分迫切。與此同時，我國創(chuàng)新型人才的結(jié)構(gòu)存在不足，缺乏世界級別的科技大師、領(lǐng)軍人才和尖子人才，且工程技術(shù)的人才培養(yǎng)與實際生產(chǎn)和創(chuàng)新環(huán)節(jié)脫節(jié)[3-4]。因此，黨的十九大報告提出創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)具有國際水平的戰(zhàn)略科技型人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團隊。2017 年，教育部在新工科建設(shè)中先后奏響了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，啟動和部署新工科建設(shè)。隨后，出臺《教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0 的意見》，從理念、結(jié)構(gòu)、模式、質(zhì)量、體系等方面全面深化工程教育改革[5-7]。經(jīng)過新工科研究者與實踐者的探索，新工科的改革已經(jīng)取得了成效，形成一些可推廣的新工科建設(shè)模式，達成新工科人才培養(yǎng)的共識。

“基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗”是基于STC 單片機平臺設(shè)計，以加熱銅塊和直流伺服電機為被控對象進行開發(fā)，是一門在高校自動化、電氣工程及其自動化等專業(yè)的課程體系中旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高專業(yè)素養(yǎng)的實驗課程，是理論與實踐密切結(jié)合的有效環(huán)節(jié)[8]。傳統(tǒng)實驗課程多為基礎(chǔ)驗證性實驗且實驗內(nèi)容之前關(guān)聯(lián)性不強等，該課程又不同于傳統(tǒng)實驗課程，是基于項目教學(xué)的綜合實驗教學(xué)方法，以完成實驗內(nèi)容和解決問題的多維互動式實驗教學(xué)[9]。通過基于項目教學(xué)的綜合實驗方法的訓(xùn)練，學(xué)生可以體驗到從組織安排到完成實驗的過程，從而可以培養(yǎng)創(chuàng)造性實踐和解決問題的能力。

2 教學(xué)過程中存在的問題

2.1 學(xué)生對實驗教學(xué)的重要性認知不足

傳統(tǒng)的實驗課大多附屬于理論課中，一般為6 或8 個學(xué)時，實驗課占比少，使學(xué)生養(yǎng)成了一種重視理論課程而忽視實驗課程的思維。另外，受應(yīng)試教育目標的影響，學(xué)生在寫實驗預(yù)習(xí)報告時，只是將實驗?zāi)康摹⒃?、步驟、注意事項等主要部分根據(jù)實驗指導(dǎo)書進行謄抄，沒有了解實驗中被控對象的結(jié)構(gòu)、工作原理及實驗操作的步驟。同時，紙質(zhì)版教材是一種靜態(tài)的閱讀體驗，對于實驗操作部分敘述太單調(diào)，僅有文字和圖片，缺少現(xiàn)代電子教材文字圖片數(shù)字化、仿真及模擬的優(yōu)勢，使學(xué)生對實驗缺乏足夠的關(guān)注，結(jié)果造成對實驗操作的參與度極低。對實驗教學(xué)的重要性認識不足，使得學(xué)生投入的精力較少，不利于學(xué)生個性的發(fā)展和創(chuàng)新力的培養(yǎng)。

2.2 實驗的考核模式單一，反映不了真實成績

傳統(tǒng)實驗考核工作流于形式，模式單一，不僅影響實驗考核，也影響教學(xué)過程。教師對學(xué)生考核評價大多數(shù)是在實驗課程結(jié)束后進行，主要是根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)報告、出勤率和實驗報告進行綜合評定。這種考核方式缺乏實驗細節(jié)觀察、缺少學(xué)生個性化培養(yǎng)，也難以滿足工程認證中“以人為本，以學(xué)生為中心”的人本主義教育思想的目標要求。

2.3 過分依賴現(xiàn)有的資源

由于項目驅(qū)動的綜合性實驗復(fù)雜，涉及的程序較多，為了免去學(xué)生編寫煩瑣的底層程序，進而對系統(tǒng)建模、參數(shù)的整定及控制器的驗證與設(shè)計更加專注，程序大多數(shù)由實驗平臺的程序包所替代，因此在實驗過程中很多程序無須學(xué)生親自動手，只需要按照指導(dǎo)書的步驟調(diào)整參數(shù)，而學(xué)生在操作實驗中不用理會其中的底層程序原理，也能得到想要的結(jié)果。很顯然這種教學(xué)模式降低了實驗的難度，結(jié)果使學(xué)生對實驗系統(tǒng)過程缺乏整體的認識，理解僅停留在調(diào)整參數(shù)上，不考慮其中的原理，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)造能力得不到提升。

2.4 實驗的內(nèi)容單一，缺乏研究性設(shè)計實驗

大多數(shù)教師在實驗開始之前，簡單地對實驗?zāi)康摹嶒炘?、操作步驟、數(shù)據(jù)分析等進行說明，學(xué)生只需要按照實驗指導(dǎo)手冊提供的實驗，并按照一定步驟按部就班地完成操作，最后完成實驗報告的撰寫。缺少利用系統(tǒng)開發(fā)具有特色的實驗，使得整個實驗體系過于形式化，忽視學(xué)生的主體作用。實驗體系的僵化，學(xué)生缺少理論結(jié)合實際的研究性環(huán)節(jié)，不利于強化對理論知識的認識。

基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗雖然在一定程度上有培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜過程問題的能力，但由于以上總結(jié)的各種不足，導(dǎo)致學(xué)生對整個過程缺乏思考，影響了學(xué)習(xí)的積極性，實踐技能也無法得到鍛煉。為了更好地開展基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗課和提高實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，提出了對此實驗教學(xué)方法的改革研究。

3 基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗教學(xué)改革措施

3.1 巧妙融入思政元素，提升文化自信

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[10]。為認真貫徹落實習(xí)近平總書記重要講話精神，將思政教育融入專業(yè)實驗課程中，實現(xiàn)立德樹人的最終目標[11]，在課程開始時結(jié)合某個時政內(nèi)容做一些引導(dǎo)，將課程思政中的“思政”內(nèi)容與實驗的背景、內(nèi)容，巧妙自然地結(jié)合在一起，使學(xué)生在無形之中受到思政教育。在實驗課程教學(xué)中巧妙融入思政元素，既能夠以較快的速度將學(xué)生引入本堂課程內(nèi)容當中，又潤物細無聲地將愛國主義教育與愛國情懷融入專業(yè)知識，使學(xué)生適應(yīng)未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要，成為胸懷科技報國理想，勇?lián)褡鍙?fù)興大任，共創(chuàng)人類美好未來的卓越工程人才。

3.2 充分發(fā)揮主導(dǎo)調(diào)控作用，提高對實驗重要性的認識

紙質(zhì)實驗指導(dǎo)書對實驗操作部分的敘述太單調(diào)，僅有文字和圖片。而隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展普及，電子書方便快捷，信息容量大，并且體現(xiàn)形式更加豐富，可以有圖片、聲音、影像等。為了培養(yǎng)出適應(yīng)現(xiàn)代高等教育發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才，滿足工程認證中“以人為本，以學(xué)生為中心”的人才培養(yǎng)要求，因此，對實驗教材進行改革設(shè)計，將便攜式計算機控制實驗資料通過電子教材發(fā)放。老師在開課前需要把學(xué)生資料包拷貝給學(xué)生，包括實驗設(shè)計手冊，演示視頻，學(xué)生安裝軟件包等。學(xué)生在上實驗課前根據(jù)實驗操作手冊與演示視頻的要求認真預(yù)習(xí)，了解便攜式實驗系統(tǒng)所需軟件以及實驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，熟悉實驗中被控對象的結(jié)構(gòu)、工作原理、操作的步驟及復(fù)習(xí)與本實驗相關(guān)的理論知識，最后形成支撐實驗的預(yù)習(xí)報告。根據(jù)預(yù)習(xí)情況，老師首先講解該實驗可以滿足的社會需求以及其應(yīng)用價值，從心理上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后聚焦實驗的重點、關(guān)鍵點和注意點，使學(xué)生對理論知識的認知從感性過渡到理性。其次，使學(xué)生了解該課程在教學(xué)體系中的作用，明確該實驗課程的重要地位等，充分發(fā)揮好主導(dǎo)調(diào)控作用，提高學(xué)生對實驗課的重視。另外，需要制訂相應(yīng)的實驗教學(xué)考核與成績評定的標準，進行綜合的評定。實驗考核的內(nèi)容包括：實驗預(yù)習(xí)、實驗操作（包括選做實驗）、實驗態(tài)度和表現(xiàn)、實驗記錄、實驗報告等。需要特別注意的是，只上交實驗報告，未參加實驗其他環(huán)節(jié)，實驗成績是無效。

3.3 形成分層次教學(xué)，增加自主創(chuàng)新實驗的力度

增加研究性實驗，形成分層次教學(xué)。立足于學(xué)生的實際情況，針對不同層次學(xué)生的接受能力，在實驗內(nèi)容上，除了5 個必做的實驗項目外，還提供2 個選做實驗項目，學(xué)生可以結(jié)合實際情況，選擇實驗的內(nèi)容。必做實驗是系統(tǒng)模型辨識實驗和基礎(chǔ)性實驗。系統(tǒng)辨識實驗是通過實驗加深對被控對象的理解以及體會參數(shù)變換對系統(tǒng)的影響，基礎(chǔ)性實驗是通過實驗了解控制系統(tǒng)的組成，以及PID 參數(shù)各項參數(shù)的作用等。選做部分主要引入了研究性實驗設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，其目的是自行開發(fā)設(shè)計算法并實驗，完成對控制系統(tǒng)的仿真分析及實時控制研究。在實驗過程中老師對學(xué)生提出的問題不必及時給出解決辦法，要善于鼓勵不同小組之間合作，給予學(xué)生發(fā)表意見的機會，激發(fā)學(xué)生的科研熱情和創(chuàng)新思維。

3.4 創(chuàng)造有利條件，實現(xiàn)實驗室開放式管理

由于實驗過程中的突發(fā)狀況，導(dǎo)致實驗的進度慢或?qū)嶒灲Y(jié)果不滿意，允許學(xué)生可以重新進行實驗，同一個實驗也可以實驗多次，充分利用資源解決實驗過程中導(dǎo)致結(jié)果不理想的問題，鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力；另外，還可以發(fā)揮一下實驗資源優(yōu)勢，在完成必做和選做實驗的同時，鼓勵學(xué)生參考相關(guān)資料，提出其他實驗的想法，自主設(shè)計完成實驗，從而由綜合性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計性實驗。設(shè)計優(yōu)秀作品可以借鑒作為下一年的選做實驗，讓學(xué)生充分體驗開發(fā)的樂趣，也使課程內(nèi)容處于前進更新的狀態(tài)。

4 結(jié)語

基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗作為高校自動化、電氣工程及其自動化等專業(yè)課程體系中的核心課程，對學(xué)生提高應(yīng)對工程項目能力，成為高素質(zhì)工程科技人才具有十分重要的作用。針對該實驗課程中存在的學(xué)生認識不充分、過分依賴現(xiàn)有資源、實驗內(nèi)容單一等一系列問題，提出了相應(yīng)的改革措施，從而更好地鍛煉學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，在后期的實踐教學(xué)過程中，也取得了一些反饋與教學(xué)效果。但隨著對專業(yè)型的高素質(zhì)應(yīng)用人才需求不斷增加，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的專業(yè)型人才，還在不斷探索的過程中，仍需要進一步完善。