劉海洋 侯占峰 宣傳忠 佟鑫 閆建國

摘要：工程技術(shù)類課程作為多數(shù)理工科院校研究生培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課程，其目的在于加強理論與實踐的融合，全面提升研究生從事科學(xué)研究的能力。在實踐教學(xué)過程中，該類課程注重將科學(xué)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)融入工程實踐當中，以技術(shù)應(yīng)用和實踐操作為重點內(nèi)容，強化學(xué)生對各實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的掌握、理解與應(yīng)用，使學(xué)生全方位掌握從事科學(xué)研究的基本方法與過程。本文以“計算機控制技術(shù)”為研究目標，采用理實一體化的項目式教學(xué)改革理念，探索面向工程應(yīng)用的全方位綜合一體化教學(xué)模式，將科學(xué)研究基本過程作為核心和主線貫穿于課堂教學(xué)。通過該類課程的教學(xué)改革，將為研究生后續(xù)順利完成課題研究和從事科學(xué)研究工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程類課程；研究生培養(yǎng)；理實一體化；項目式教學(xué)；科學(xué)研究

中圖分類號：C420 文獻標識碼：A

一、概述

工程技術(shù)類課程作為研究生培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課程，在教學(xué)過程中，如何有效引導(dǎo)學(xué)生在提高理論知識水平的同時，提升實踐動手能力和從事科學(xué)研究的能力，掌握課題研究的基本方法、過程與規(guī)律等，不僅是該類課程需要解決的關(guān)鍵性問題，同時也已然成為當前高等院校工科類研究生適應(yīng)新形勢、新技術(shù)發(fā)展的當務(wù)之急。本文以“計算機控制技術(shù)”課程為例，探討理實一體化的項目式教學(xué)改革理念，探索面向工程應(yīng)用的全方位綜合一體化教學(xué)模式。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀研究

目前，國內(nèi)多數(shù)高等工科院校的自動化、電氣工程、信息工程等專業(yè)都開設(shè)有“計算機控制技術(shù)”課程，該課程理論性和實踐性都很強，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，不但要求學(xué)生能夠熟悉計算機控制技術(shù)的相關(guān)理論知識，而且要求能夠?qū)⑺莆盏南到y(tǒng)分析設(shè)計方法熟練地應(yīng)用到工業(yè)控制過程的各種實際場景中。然而，在實際授課過程中，往往只注重理論的分析與推導(dǎo)，或者在內(nèi)容上以處理器為基礎(chǔ)過分強調(diào)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計、搭建及相應(yīng)軟件程序開發(fā)，無法將該課程所涉及的理論知識轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的實踐創(chuàng)新能力，造成理論與實踐嚴重脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生在課程結(jié)束時仍無法完整掌握系統(tǒng)的設(shè)計與分析、搭建與調(diào)試、實驗安排與實施、結(jié)果的測試與分析等相關(guān)內(nèi)容。

歐美發(fā)達國家的高校對計算機控制類課程的教學(xué)活動設(shè)計與國內(nèi)高校有著明顯的差異。我國將“計算機控制技術(shù)”定位為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，側(cè)重書本知識和理論教育；教學(xué)活動的基本模式是教師講、學(xué)生聽；教學(xué)過程中學(xué)生的參與和師生間、學(xué)生間的互動很少。國外高校將該課程定位為工程實踐類課程，強調(diào)對學(xué)生工程實踐能力、表達交流溝通能力和團隊合作精神等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)；學(xué)生通過綜合型、研究型實驗過程中的實驗構(gòu)思、設(shè)計、實施和操作等環(huán)節(jié)，掌握課程知識、培養(yǎng)獨立思考和動手能力。當然，造成這一區(qū)別的原因是多樣的。首先，開設(shè)該類課程需要提供良好的開放實驗室環(huán)境，目前我國多數(shù)高校的相關(guān)實驗室不能完全滿足實踐教學(xué)需求；其次，相較理論教學(xué)型課程，實踐類課程需要更多的學(xué)時數(shù)，必須讓學(xué)生有充足的時間思考、研究與實施，但國內(nèi)該課程的學(xué)時數(shù)明顯不足；最后，需要在科研和教學(xué)方面具有豐富經(jīng)驗的教授從事教學(xué)活動，將科學(xué)研究的全過程融入教學(xué)過程中。

三、課程改革的內(nèi)容及目標

本文以“計算機控制技術(shù)”為研究對象，提出理實一體化的項目式教學(xué)改革新理念，即理論課程結(jié)合研究生課題研究實際需求合理安排教學(xué)內(nèi)容，實踐課程采用以典型工程研究項目為依托的基于研究過程的教學(xué)方法，理論指導(dǎo)實踐、實踐結(jié)合應(yīng)用、面向工程應(yīng)用的全方位一體化綜合教學(xué)模式，旨在實現(xiàn)以下教學(xué)改革目標：

（1）將理論課與實踐課的教學(xué)內(nèi)容相融合，加強理論與實踐相結(jié)合的緊密程度；結(jié)合研究生課題主要研究內(nèi)容，總結(jié)共性部分，提煉具有典型代表性的綜合性工程應(yīng)用案例，以項目式的授課方式推進理論與實踐教學(xué)內(nèi)容的實施；積極啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生對新技術(shù)、新知識的探究與應(yīng)用能力的培養(yǎng)，鍛煉學(xué)生對科學(xué)問題的思考、分析與解決能力。

（2）轉(zhuǎn)變授課內(nèi)容的重點，以學(xué)生課題研究為導(dǎo)向，由注重理論分析轉(zhuǎn)向新技術(shù)的應(yīng)用與工程項目的具體實施；將科學(xué)研究的主要環(huán)節(jié)作為重點內(nèi)容融入具體工程實踐項目當中，以技術(shù)應(yīng)用和實踐操作為重點內(nèi)容開展教學(xué)工作，通過加強實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)的訓(xùn)練強度，強化學(xué)生對各實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的理解、掌握與應(yīng)用。

（3）完善課程評價體系，構(gòu)建能夠涵蓋共性和差異性的綜合性評價模式，降低理論知識掌握程度的考核比重，采用過程考核與創(chuàng)新考核并重的綜合評價機制，以激發(fā)學(xué)生動手實踐的積極性和主動性，注重學(xué)生在項目實踐過程中的動手能力、自主學(xué)習(xí)能力及分析和獨立解決工程問題能力等方面的綜合表現(xiàn)，積極引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新性與獨創(chuàng)性地解決實際工程問題。

四、課程改革的基本過程與方法

（一）課程改革的技術(shù)路線

課程改革與實施的具體研究路線如圖1所示。

（二）課程改革的主要內(nèi)容

（1）以學(xué)生課題研究需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)科研水平與能力為目標，構(gòu)建以工程實踐為主、理論教學(xué)為輔的創(chuàng)新型項目式課堂教學(xué)模式；將課程的理論知識重新進行整合，將科研項目的研究成果與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，面向基于工程實踐的與案例教學(xué)相結(jié)合的目標和知識體系進行教學(xué)設(shè)計。

（2）將理論與實踐的授課內(nèi)容與學(xué)生的課題研究緊密有效銜接，將傳感器技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)融入課程的學(xué)習(xí)中，加大傳感器應(yīng)用方面的實踐教學(xué)內(nèi)容，提高虛擬仿真技術(shù)在計算機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用比例，讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)理論知識邊實踐，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、系統(tǒng)設(shè)計能力以及從事科學(xué)研究的基本能力與素養(yǎng)。

（3）結(jié)合學(xué)生課題研究需求，總結(jié)、提煉研究課題的共性部分，有針對性地對實踐教學(xué)內(nèi)容進行重新設(shè)計，將原有的驗證性實驗改為設(shè)計型、綜合型和研究型實驗項目；設(shè)計滿足大部分學(xué)生課題研究需求，充分體現(xiàn)工程項目研究全過程的綜合性典型應(yīng)用案例，增設(shè)動態(tài)測試實驗內(nèi)容，從項目提出、需求分析、方案論證與實施、測控系統(tǒng)設(shè)計搭建、控制策略研究與分析、數(shù)據(jù)分析與處理、實驗過程實施與指導(dǎo)以及結(jié)果分析等多方面綜合提升學(xué)生從事科學(xué)研究的整體能力與素質(zhì)。

（4）結(jié)合課程需求與實踐教學(xué)改革目標，研制綜合性實踐教學(xué)設(shè)備；探索具有創(chuàng)新性的理實一體化綜合考評體系，將原有單一依托實驗報告的考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫椖繉嵤┻^程、完成度、創(chuàng)新性、操作與匯報、實驗報告與現(xiàn)場答辯的綜合考評模式；將面向應(yīng)試學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚬こ虒嵺`與應(yīng)用的學(xué)習(xí)，全面提升學(xué)生的團隊協(xié)作創(chuàng)新能力、語言溝通表達能力以及學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

（三）課程改革的主要研究方法

1.課程研究與實踐的思路

采用項目式案例教學(xué)與基于研究過程相結(jié)合的系統(tǒng)化教學(xué)法，針對控制系統(tǒng)中的電路設(shè)計、信號采集與數(shù)據(jù)處理、分析等問題，主要采用圖2所示的教學(xué)思路和方法。

授課時采用“工程項目提出－項目需求分析－方案論證與實施－項目測控系統(tǒng)設(shè)計搭建－計算機控制策略研究與分析－實驗過程實施與指導(dǎo)－項目驗收與結(jié)果分析”的教學(xué)過程。

首先，教師設(shè)計、提出以解決實際工程問題為目標的典型應(yīng)用案例，并給出系統(tǒng)設(shè)計需要實現(xiàn)的具體參數(shù)要求與功能目標；其次，開展課堂討論，分析實現(xiàn)項目各項需求的可執(zhí)行方案與項目實施過程中存在的技術(shù)難點，引出工程問題與系統(tǒng)構(gòu)建的相關(guān)性，繼而探討工程問題的解決方法，制訂具體的實施方案；再次，對實施方案進行系統(tǒng)設(shè)計，選擇合適的傳感器、執(zhí)行器與核心控制器等，組建測試系統(tǒng)，教師幫助學(xué)生判斷組建測試系統(tǒng)的正確與否；然后，對系統(tǒng)設(shè)計方案中設(shè)計的相關(guān)理論知識進行學(xué)習(xí)與分析，并對數(shù)據(jù)采集的處理與分析方法和計算機軟件等進行討論學(xué)習(xí)；最后，通過搭建完整的計算機控制系統(tǒng)進行測試驗證，對試驗測試標定、數(shù)據(jù)處理分析、性能參數(shù)確定等過程進行全面準確地研究分析，強化項目實施過程中涉及的相關(guān)理論知識。

2.課程研究與實踐的具體過程

課程研究與實踐實施過程主要包括以下幾個環(huán)節(jié)：

（1）任務(wù)安排：合理安排學(xué)生分組和實驗項目的分配；提供多個典型實驗設(shè)計項目，學(xué)生根據(jù)課題研究需求和設(shè)計能力選擇合適的項目。

（2）理論教學(xué)：根據(jù)學(xué)生選擇情況，教師需要在課堂上對各設(shè)計項目的設(shè)計目的、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求、實驗過程和數(shù)據(jù)處理等方面的要求和實施過程進行相關(guān)理論知識的講解與分析。學(xué)生則需針對所選的設(shè)計項目查閱相關(guān)資料，初步制訂設(shè)計方案，分割設(shè)計任務(wù)。

（3）小組研討：各小組提交初步設(shè)計方案及實驗進度安排，同時和指導(dǎo)教師探討設(shè)計過程中存在的問題；指導(dǎo)教師對設(shè)計方案進行審查指導(dǎo)，形成合理可行的最終設(shè)計方案，并幫助引導(dǎo)學(xué)生解決存在的問題。

（4）項目實踐：對項目設(shè)計中的測試系統(tǒng)搭建、實驗測試等環(huán)節(jié)進行理論指導(dǎo)和實踐指導(dǎo)。首先，學(xué)生根據(jù)設(shè)計方案和相關(guān)理論授課內(nèi)容實現(xiàn)系統(tǒng)搭建，然后，在教師的指導(dǎo)下完成傳感器的標定、數(shù)據(jù)采集與分析、計算機軟件設(shè)計與調(diào)試、性能參數(shù)確定等過程，逐步完成整個項目的設(shè)計任務(wù)。

（5）實踐過程綜合評價：根據(jù)學(xué)生在試驗設(shè)計過程中的具體表現(xiàn)（如電路設(shè)計、系統(tǒng)搭建與調(diào)試、實驗實施、實驗完整性、獨立解決問題的能力、實踐動手能力等）、計算機控制系統(tǒng)的運行情況、項目設(shè)計要求的完成情況及實施過程的創(chuàng)新性等對小組的平時成績進行全面綜合評價。

（6）答辯匯報：該環(huán)節(jié)要求所有成員均能基本掌握試驗的全部內(nèi)容；學(xué)生需要對設(shè)計的方案、過程、結(jié)論等進行全面講解與分析，教師則根據(jù)學(xué)生在項目設(shè)計過程中承擔的主要任務(wù)，對每個成員提出若干問題進行現(xiàn)場作答；根據(jù)學(xué)生的匯報與回答情況對小組的團隊協(xié)作和語言表達與溝通能力進行綜合評價。

（7）報告批改：對學(xué)生提交的項目設(shè)計報告進行批改。依據(jù)實驗報告的規(guī)范性與完整性、實驗數(shù)據(jù)的準確性與可信度、數(shù)據(jù)處理與分析的合理性及實驗結(jié)果分析的準確性等對學(xué)生的研究資料的整理、分析與表述等能力與課程達成度進行全面評價，同時對課程的改革效果進行綜合評價與分析。

結(jié)語

本文以“計算機控制技術(shù)”課程為研究目標，探索理實一體化項目式教學(xué)法的改革與實施方法，對教學(xué)內(nèi)容進行重組，通過提煉典型的綜合性工程案例，將從事科學(xué)研究的基本方法和完整工程項目的實施過程融入研究生教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，強化理論知識與工程實踐相結(jié)合能力的鍛煉。該課程改革具有以下特點：

（1）轉(zhuǎn)變研究生教學(xué)思想，以提升研究生基礎(chǔ)科研能力和獨立實施課題研究過程為目標，注重技術(shù)應(yīng)用與工程實踐相結(jié)合的教育教學(xué)改革思路。

（2）將科研項目的研究成果與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，開展理實一體化與基于項目研究過程的系統(tǒng)化教學(xué)法相結(jié)合的課程實施方案的探索與實踐，以保證課堂教學(xué)容量、提高教學(xué)質(zhì)量。

（3）將新理念、新知識和新技術(shù)引入實踐教學(xué)體系，以典型工程應(yīng)用案例為引導(dǎo)，提升學(xué)生在技術(shù)應(yīng)用、方案制訂與實施、測控系統(tǒng)設(shè)計與搭建、數(shù)據(jù)分析與處理等方面的整體能力。

（4）探索創(chuàng)新性綜合評價體系，對學(xué)生能力的培養(yǎng)不單單局限于理論知識的掌握程度和應(yīng)用熟練程度，加強對學(xué)生動手能力、分析問題和獨立解決工程問題的能力等綜合表現(xiàn)的評價力度，體現(xiàn)創(chuàng)新性與獨創(chuàng)性的重要性。

作者簡介：劉海洋（1985－），男，河南南陽人，博士，副教授，研究方向：環(huán)境控制工程與裝備智能化研究。

通訊作者：宣傳忠。