褚 菲 ，云 霄 ，莫雙雙 ，尤富強(qiáng)

（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(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，把具有實(shí)際應(yīng)用背景的工程課題引入課程實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)箱的控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一系列探索創(chuàng)新，以提升專業(yè)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐的能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

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(shí)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(tuán)隊(duì)。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(shí)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(shí)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(dá)成新工科人才培養(yǎng)的共識。

“基于便攜式實(shí)驗(yàn)箱的控制綜合實(shí)驗(yàn)”是基于STC 單片機(jī)平臺設(shè)計，以加熱銅塊和直流伺服電機(jī)為被控對象進(jìn)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(shí)驗(yàn)課程，是理論與實(shí)踐密切結(jié)合的有效環(huán)節(jié)[8]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程多為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之前關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)等，該課程又不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程，是基于項(xiàng)目教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和解決問題的多維互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9]。通過基于項(xiàng)目教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)方法的訓(xùn)練，學(xué)生可以體驗(yàn)到從組織安排到完成實(shí)驗(yàn)的過程，從而可以培養(yǎng)創(chuàng)造性實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性認(rèn)知不足

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課大多附屬于理論課中，一般為6 或8 個學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課占比少，使學(xué)生養(yǎng)成了一種重視理論課程而忽視實(shí)驗(yàn)課程的思維。另外，受應(yīng)試教育目標(biāo)的影響，學(xué)生在寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告時，只是將實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、步驟、注意事項(xiàng)等主要部分根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行謄抄，沒有了解實(shí)驗(yàn)中被控對象的結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)驗(yàn)操作的步驟。同時，紙質(zhì)版教材是一種靜態(tài)的閱讀體驗(yàn)，對于實(shí)驗(yàn)操作部分?jǐn)⑹鎏珕握{(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(shí)驗(yàn)缺乏足夠的關(guān)注，結(jié)果造成對實(shí)驗(yàn)操作的參與度極低。對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性認(rèn)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(shí)驗(yàn)的考核模式單一，反映不了真實(shí)成績

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核工作流于形式，模式單一，不僅影響實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后進(jìn)行，主要是根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)報告、出勤率和實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行綜合評定。這種考核方式缺乏實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)觀察、缺少學(xué)生個性化培養(yǎng)，也難以滿足工程認(rèn)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(biāo)要求。

2.3 過分依賴現(xiàn)有的資源

由于項(xiàng)目驅(qū)動的綜合性實(shí)驗(yàn)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(jìn)而對系統(tǒng)建模、參數(shù)的整定及控制器的驗(yàn)證與設(shè)計更加專注，程序大多數(shù)由實(shí)驗(yàn)平臺的程序包所替代，因此在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的難度，結(jié)果使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過程缺乏整體的認(rèn)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(shí)驗(yàn)的內(nèi)容單一，缺乏研究性設(shè)計實(shí)驗(yàn)

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

基于便攜式實(shí)驗(yàn)箱的控制綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)踐技能也無法得到鍛煉。為了更好地開展基于便攜式實(shí)驗(yàn)箱的控制綜合實(shí)驗(yàn)課和提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，提出了對此實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革研究。

3 基于便攜式實(shí)驗(yàn)箱的控制綜合實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)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(rèn)真貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要講話精神，將思政教育融入專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)現(xiàn)立德樹人的最終目標(biāo)[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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dāng)中，又潤物細(xì)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(jì)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(shí)驗(yàn)重要性的認(rèn)識

紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行改革設(shè)計，將便攜式計算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計手冊，演示視頻，學(xué)生安裝軟件包等。學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課前根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作手冊與演示視頻的要求認(rèn)真預(yù)習(xí)，了解便攜式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需軟件以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，熟悉實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識，最后形成支撐實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)報告。根據(jù)預(yù)習(xí)情況，老師首先講解該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)和注意點(diǎn)，使學(xué)生對理論知識的認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課的重視。另外，需要制訂相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核與成績評定的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行綜合的評定。實(shí)驗(yàn)考核的內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作（包括選做實(shí)驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)態(tài)度和表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)報告等。需要特別注意的是，只上交實(shí)驗(yàn)報告，未參加實(shí)驗(yàn)其他環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)成績是無效。

3.3 形成分層次教學(xué)，增加自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的力度

增加研究性實(shí)驗(yàn)，形成分層次教學(xué)。立足于學(xué)生的實(shí)際情況，針對不同層次學(xué)生的接受能力，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，除了5 個必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還提供2 個選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以結(jié)合實(shí)際情況，選擇實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。必做實(shí)驗(yàn)是系統(tǒng)模型辨識實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)辨識實(shí)驗(yàn)是通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是通過實(shí)驗(yàn)了解控制系統(tǒng)的組成，以及PID 參數(shù)各項(xiàng)參數(shù)的作用等。選做部分主要引入了研究性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，完成對控制系統(tǒng)的仿真分析及實(shí)時控制研究。在實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開放式管理

由于實(shí)驗(yàn)過程中的突發(fā)狀況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度慢或?qū)嶒?yàn)結(jié)果不滿意，允許學(xué)生可以重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同一個實(shí)驗(yàn)也可以實(shí)驗(yàn)多次，充分利用資源解決實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)資源優(yōu)勢，在完成必做和選做實(shí)驗(yàn)的同時，鼓勵學(xué)生參考相關(guān)資料，提出其他實(shí)驗(yàn)的想法，自主設(shè)計完成實(shí)驗(yàn)，從而由綜合性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計優(yōu)秀作品可以借鑒作為下一年的選做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生充分體驗(yàn)開發(fā)的樂趣，也使課程內(nèi)容處于前進(jìn)更新的狀態(tài)。

4 結(jié)語

基于便攜式實(shí)驗(yàn)箱的控制綜合實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)課程中存在的學(xué)生認(rèn)識不充分、過分依賴現(xiàn)有資源、實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)一步完善。