吳家榮，廖義奎，馬伏花，韋峻峰，王擎宇

（廣西民族大學(xué) 電子信息學(xué)院，廣西南寧 530006）

為適應(yīng)新工科背景對人才培養(yǎng)的需求，具有扎實理論知識基礎(chǔ)、較強動手實踐能力、敢于創(chuàng)新的高端綜合型人才是未來人才的培養(yǎng)目標(biāo)[1-4]。實驗教學(xué)作為工科專業(yè)的必修環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力及創(chuàng)新能力的重要方式之一，其與理論教學(xué)相比具有更豐富的內(nèi)容、更鮮明的直觀性和更加突出的創(chuàng)新性及綜合運用性，對培養(yǎng)全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的高端創(chuàng)新型人才具有現(xiàn)實意義[5-6]。

自動化專業(yè)作為工科主要專業(yè)之一，在工程應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[7-8]。學(xué)生不僅要對自動化專業(yè)理論知識進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，更要進(jìn)行相應(yīng)的實驗研究[9]。然而，傳統(tǒng)實驗教學(xué)隨著高校課程的改革、課時的縮減等因素，導(dǎo)致難以提升教學(xué)質(zhì)量[10-11]。隨著教育教學(xué)改革的不斷深化，如何優(yōu)化實驗教學(xué)方式，改進(jìn)實驗授課內(nèi)容，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力及激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，是高校推進(jìn)自動化專業(yè)課程實驗教學(xué)體系改革的重要研究方向[12-14]。

1 存在問題的原因

針對以上問題，教師在實驗教學(xué)過程中不斷對授課學(xué)生進(jìn)行調(diào)查分析及評價總結(jié)。經(jīng)過多年的實驗教學(xué)發(fā)現(xiàn)：學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了很多自動化課程知識，同時也在實驗室完成了很多相對應(yīng)的課程實驗，但在各種競賽、課程設(shè)計、研習(xí)周、畢業(yè)論文設(shè)計等知識綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)中，所呈現(xiàn)出來的知識綜合實踐能力和創(chuàng)新意識還是有所欠缺，其原因主要有以下幾方面。

1.1 重理論輕實踐

實驗教學(xué)模式“以知識為本位”，強調(diào)以教材為中心、以教師為中心、以課堂為中心。教學(xué)過程以原理知識為主，應(yīng)用技術(shù)少有提及，課堂上注重基礎(chǔ)知識的教學(xué)，忽略對學(xué)生綜合運用知識能力的培養(yǎng)。部分教師將實驗課當(dāng)成理論課，大量講解教材知識、實驗?zāi)康募皩嶒炞⒁馐马?，過多占據(jù)學(xué)生動手實驗的時間。學(xué)生對實驗原理、實驗過程等環(huán)節(jié)均未深入理解，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

1.2 實驗教學(xué)方式不合理

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)大量使用實驗箱，其開發(fā)能力較弱，僅能完成一些簡單的驗證性實驗，學(xué)生對于每個實驗課程的具體實現(xiàn)方法、設(shè)計原理了解較少。有些學(xué)校每個學(xué)年均開設(shè)研習(xí)周，其中包含實驗課程的實物制作環(huán)節(jié)，但由于學(xué)生平時實踐能力較弱，缺乏經(jīng)驗，導(dǎo)致實驗調(diào)試時經(jīng)常出現(xiàn)元件損壞或電路板燒壞等情形。為了避免這種情況的發(fā)生，有些教師以實驗箱代替進(jìn)行相關(guān)實驗內(nèi)容的驗證，這種實驗教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和綜合運用知識的能力。

1.3 知識綜合應(yīng)用受限

自動化專業(yè)的課程實驗往往與某一門理論課程相對應(yīng)，如自動控制原理實驗、現(xiàn)代控制理論實驗等，這些實驗課程的內(nèi)容通常僅與之相對應(yīng)的理論課程相關(guān)。學(xué)生進(jìn)行簡單的驗證性實驗，僅能實現(xiàn)原理性、概念性、理論性的實驗驗證。學(xué)生雖然在操作過程中能學(xué)到一些該課程的理論知識，卻難以與其他課程相關(guān)聯(lián)。此外，教師在實驗教學(xué)過程中很少就某個實驗內(nèi)容及與之相關(guān)聯(lián)的其他課程知識進(jìn)行過多講解，導(dǎo)致學(xué)生的知識綜合應(yīng)用存在很大的局限性。

鑒于以上情況，基于廣西民族大學(xué)對自動化專業(yè)課程的定位及新工科對人才培養(yǎng)的總體要求，構(gòu)建一套“課內(nèi)實驗—課外實驗”階梯式實驗教學(xué)體系，對現(xiàn)有的自動化專業(yè)課程實驗教學(xué)進(jìn)行改革與實踐，旨在增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識、培養(yǎng)其創(chuàng)新精神、提高其實踐能力，形成一套適合教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的有機(jī)整體。

2 實驗教學(xué)新體系構(gòu)建

2.1 課內(nèi)實驗

課內(nèi)實驗以鞏固基礎(chǔ)理論知識和提升實踐動手能力為目標(biāo)，將課內(nèi)實驗分為基礎(chǔ)性實驗和驗證性實驗兩個培養(yǎng)層次，不同層次采用不同的教學(xué)內(nèi)容和實踐方式。

2.1.1 基礎(chǔ)性實驗

在基礎(chǔ)性實驗層次中，將仿真軟件引入自動化專業(yè)課程實驗教學(xué)，將抽象知識模塊化、系統(tǒng)化、直觀化，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自我提高的動力，促使學(xué)生轉(zhuǎn)變被動學(xué)習(xí)狀況，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過設(shè)計和實現(xiàn)仿真實驗，如直流變換器控制系統(tǒng)的仿真等，以達(dá)到對概念性、理論性實驗的理解，這也是驗證性實驗的基礎(chǔ)階段。

在以上直流變換器控制系統(tǒng)的仿真實驗中，教師首先為學(xué)生講解直流變換器的工作原理，讓學(xué)生學(xué)會建立直流變換器的數(shù)學(xué)模型及分析控制系統(tǒng)的性能。仿真實驗內(nèi)容包括直流變換器控制系統(tǒng)的輸入輸出波形觀測、參數(shù)變化對控制系統(tǒng)性能的影響等。教師指導(dǎo)學(xué)生在仿真軟件上搭建直流變換器的控制系統(tǒng)模型，要求學(xué)生自行選擇合適的電路參數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行仿真驗證。同時，教師要記錄學(xué)生在仿真過程中所遇到的疑點和難點。對于學(xué)生共同存在的問題，教師組織學(xué)生通過分組討論的形式對相關(guān)問題進(jìn)行探討，必要時及時集中解答，對于個別問題可采用一對一答疑的方式進(jìn)行解決。

2.1.2 驗證性實驗

驗證性實驗是基礎(chǔ)性實驗的遞進(jìn)。本層次實驗主要是讓學(xué)生自主制作出一個實際的直流變換器控制系統(tǒng)，并加以驗證。根據(jù)以上基礎(chǔ)性實驗建立的仿真系統(tǒng)，要求學(xué)生搭建相對應(yīng)的實驗平臺，研制直流變換器控制系統(tǒng)的原理樣機(jī)。通過驗證性實驗，加強學(xué)生的動手實踐能力及激發(fā)學(xué)生將理論應(yīng)用于實際的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生進(jìn)入下一層次實驗的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

在以上實際直流變換器控制系統(tǒng)制作中，要求學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計方案列出電路元器件，并自行查閱元器件資料，了解電路元器件的結(jié)構(gòu)及功能。此外，要求學(xué)生對控制系統(tǒng)使用的電路元器件進(jìn)行選型及分析，盡量讓學(xué)生獨立完成直流變換器原理樣機(jī)的成品，達(dá)到提升學(xué)生實踐動手能力的目的。最后，通過測試、調(diào)試完成直流變換器控制系統(tǒng)的制作并分析處理所得的實驗數(shù)據(jù)。

2.2 課外實驗

課外實驗以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以科技類競賽為主、以科研項目為輔。課外實驗分為綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗兩個培養(yǎng)層次，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識。

2.2.1 綜合性實驗

參加科技類競賽是培養(yǎng)學(xué)生綜合知識應(yīng)用能力的重要途徑，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定良好基礎(chǔ)?？萍甲髌返闹谱髋c實現(xiàn)往往涉及多門課程的知識。教師鼓勵學(xué)生參加 “挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國電子設(shè)計大賽、中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等科技類比賽，旨在培養(yǎng)學(xué)生將專業(yè)所學(xué)知識應(yīng)用于實踐的能力，發(fā)揮學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力。

在綜合性實驗中，教師首先需要和學(xué)生商定作品的選題，進(jìn)而要求學(xué)生利用課外時間查閱相關(guān)資料和制定實施方案，并在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行作品的創(chuàng)作。在學(xué)生創(chuàng)作過程中，教師和學(xué)生要及時溝通，對于學(xué)生反饋的難題，教師需及時作答，并修改或更換實施方案。此外，在競賽時間外，教師需對實驗題目進(jìn)行不定期更新，便于學(xué)生平時訓(xùn)練，進(jìn)一步提升學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。

2.2.2 創(chuàng)新性實驗

學(xué)生參與教師的科研項目研究，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效方式。學(xué)生通過參與教師科研課題進(jìn)行一定的科研基礎(chǔ)訓(xùn)練，能有效激發(fā)科研創(chuàng)新興趣，加快創(chuàng)新意識的形成。對于加入教師科研項目并在實施中取得一定科研成果的學(xué)生，教師要加以獎勵，從而激發(fā)學(xué)生的鉆研熱情及營造鼓勵更多學(xué)生參與課題的良好氛圍。

在實驗中，教師向?qū)W生公布科研課題的研究方向，學(xué)生則以個人或團(tuán)隊的形式加入，師生雙方均具有雙向選擇的權(quán)利。教師需對加入的學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生對參與課題的目標(biāo)、意義、重點和難度有一個較為清晰的認(rèn)識，進(jìn)而通過指導(dǎo)學(xué)生如何獲取期刊文獻(xiàn)及學(xué)術(shù)成果資料、如何撰寫學(xué)術(shù)論文等方式提高學(xué)生的科研能力。學(xué)生則以教師的科研課題為契機(jī)，獨立或共同完成科研課題中的部分工作，如實驗數(shù)據(jù)處理與分析、學(xué)術(shù)論文撰寫與優(yōu)化等。

以上各個實驗層次在實施過程中均注重學(xué)生對實驗效果的評價，教師通過問卷調(diào)查、面對面交流等方式了解學(xué)生對整個實驗過程中知識與能力的把握程度，經(jīng)常檢驗教學(xué)的實施效果，及時總結(jié)經(jīng)驗，進(jìn)一步完善實驗教學(xué)內(nèi)容與實施方案。

3 結(jié)束語

基于新工科背景，對自動化專業(yè)課程構(gòu)建了一套“課內(nèi)實驗—課外實驗”遞進(jìn)式實驗教學(xué)體系。在廣西民族大學(xué)2019、2020 級自動化專業(yè)進(jìn)行實驗教學(xué)，實踐表明：與前幾屆自動化專業(yè)學(xué)生相比，所構(gòu)建的實驗教學(xué)體系能使學(xué)生對自動化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣有所提升，參加科技類競賽的獲獎成績有所突破，發(fā)表學(xué)術(shù)論文的學(xué)生數(shù)量有所增加，有效提高了學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。