智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

趙 勇

(西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121)

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

趙 勇

(西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121)

重點(diǎn)介紹在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展方式、實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理等方面的改革舉措。通過(guò)設(shè)置層次化和模塊化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)施多元化的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展模式、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的科學(xué)管理等改革措施，進(jìn)一步提升了學(xué)生參與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力。

智能科學(xué)與技術(shù)；開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是一個(gè)新興的交叉學(xué)科，主要培養(yǎng)具有智能理論和智能應(yīng)用技術(shù)的本科人才，重在教授學(xué)生獲取信息和提煉知識(shí)的方法，訓(xùn)練學(xué)生具備應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[1]。作為一個(gè)面向高科技前沿的年輕專業(yè)，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的很多特色課程都帶有較濃的研究性質(zhì)，實(shí)踐環(huán)節(jié)存在驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)較少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)多地依賴?yán)碚摻虒W(xué)等問(wèn)題，從而導(dǎo)致學(xué)生參與實(shí)踐環(huán)節(jié)的積極性不高。針對(duì)這一現(xiàn)象，目前很多高校教學(xué)改革的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一就是實(shí)踐教學(xué)的改革，以提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，其中設(shè)置開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)普遍被認(rèn)為是一種切實(shí)可行的方案[2]。

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新興的教學(xué)方式[3]。1979年，黃嘉豫[4]首次在國(guó)內(nèi)提出了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的概念，教育部本科教學(xué)水平評(píng)估指標(biāo)體系中已經(jīng)將開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)列為重要觀測(cè)點(diǎn)之一，反映了其在高校人才培養(yǎng)中的重要性[5]。在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，指導(dǎo)教師不再是實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者，而是實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)者、實(shí)驗(yàn)方法與內(nèi)容的把關(guān)者和過(guò)程的管理者。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)通過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)主體實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，在高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)體系中已經(jīng)確立了重要地位[6-8]。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的系統(tǒng)化整合以及模塊化設(shè)計(jì)

結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特點(diǎn)，構(gòu)建了以學(xué)科競(jìng)賽為導(dǎo)引，以機(jī)器人技術(shù)為主線，以機(jī)械結(jié)構(gòu)組建、傳感器信息采集、驅(qū)動(dòng)電路搭建和控制算法設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。具體是考慮人、信息、機(jī)器和環(huán)境等信息社會(huì)的構(gòu)成要素，將具有感知能力、運(yùn)動(dòng)能力和思維能力的智能機(jī)器人作為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的研究載體。面向智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生開(kāi)展的《移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作》系列開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)以年度為單位滾動(dòng)開(kāi)放。

經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐，《移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作》系列開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，以機(jī)器人相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽的部分內(nèi)容為基礎(chǔ)，積累和總結(jié)了一批面向不同年級(jí)、不同基礎(chǔ)學(xué)生的層次化和模塊化的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于大二學(xué)生，由于其專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)比較欠缺，針對(duì)性地開(kāi)設(shè)了較為簡(jiǎn)單的輪式循跡機(jī)器人和輪式避障機(jī)器人等入門級(jí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容主要包括51單片機(jī)的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)(包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等)、傳感器實(shí)驗(yàn)(包括紅外傳感器、光電傳感器等)以及機(jī)器人裝配調(diào)試實(shí)驗(yàn)等，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)習(xí)慣養(yǎng)成、基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)等方面的能力，為參加下一階段的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。而對(duì)于大三、大四等高年級(jí)學(xué)生，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容則以算法設(shè)計(jì)及編程實(shí)驗(yàn)為主，如基于雙目視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)械臂目標(biāo)追蹤與定位，以及四自由度機(jī)械手的目標(biāo)抓取等，著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新意識(shí)。具體開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系如表1所示。

表1 《移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作》開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

2 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放模式的層次化

高校實(shí)驗(yàn)室是高校教育和科研的技術(shù)支撐體系，是創(chuàng)新活力的源頭[9-10]。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放為依托，實(shí)驗(yàn)室免費(fèi)向?qū)W生開(kāi)放，并在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基金的支持下為學(xué)生免費(fèi)提供實(shí)驗(yàn)耗材和主要元器件。學(xué)生可以選擇不同的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)查詢、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)作品的調(diào)試與制作，最終完成選做的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)學(xué)生所選開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的性質(zhì)和自身的條件，采用適當(dāng)?shù)拈_(kāi)放模式，達(dá)到預(yù)期的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

自動(dòng)化學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心下設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。針對(duì)不同年級(jí)、不同基礎(chǔ)的學(xué)生，采用了層次化的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放模式。專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室主要面向低年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)基礎(chǔ)性的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如循跡機(jī)器人和避障機(jī)器人等)，采用部分開(kāi)放的模式，即在某一特定時(shí)間段內(nèi)向?qū)W生開(kāi)放，實(shí)行師生二級(jí)管理的實(shí)驗(yàn)室管理方式[11]。具體是在滿足教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課安排后，將實(shí)驗(yàn)室可接受的開(kāi)放時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)公示，學(xué)生根據(jù)公示時(shí)間預(yù)約進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室采用完全開(kāi)放的模式，學(xué)生自主管理為主，教師管理為輔，主要面向高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)綜合創(chuàng)新性的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如舞蹈機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)械臂等)。實(shí)驗(yàn)室所有設(shè)備對(duì)學(xué)生完全開(kāi)放，學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，獨(dú)立完成自己選定的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理的科學(xué)化

3.1 加強(qiáng)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的宣傳工作，強(qiáng)化開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)學(xué)生的入口管理

首先，加強(qiáng)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的宣傳工作，如在校園醒目的位置張貼海報(bào)或橫幅宣傳開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；其次，充分利用低年級(jí)同學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、參觀實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會(huì)向其宣講開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)在本專業(yè)課外實(shí)踐教學(xué)中的重要意義；再次，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室興趣小組的學(xué)生對(duì)其同班同年級(jí)同學(xué)以及低年級(jí)學(xué)生的引領(lǐng)作用，激發(fā)其參加課外實(shí)踐活動(dòng)的熱情，力爭(zhēng)有更多的學(xué)生能夠加入到開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)中來(lái)，進(jìn)一步擴(kuò)大開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)在學(xué)生中的受益面。另外，有意向參加開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，必須提交開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)表，申請(qǐng)表的內(nèi)容一般包括申請(qǐng)人的自我介紹、申請(qǐng)參加開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)的原因以及每周的擬出勤時(shí)間等內(nèi)容；申請(qǐng)表由指導(dǎo)教師和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人審批后，學(xué)生方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

3.2 重視開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程監(jiān)控

在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始階段，由于大部分學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了以教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性較差；而另外一方面，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)又不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要給于學(xué)生更大的自由發(fā)揮空間。因此，采取 “節(jié)點(diǎn)式”過(guò)程監(jiān)控措施，充分發(fā)揮指導(dǎo)教師的引導(dǎo)和監(jiān)督作用是非常必要的。智能科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展過(guò)程中，要求學(xué)生每周向指導(dǎo)老師提交本周開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況報(bào)告，該報(bào)告亦作為學(xué)生開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)最終成績(jī)考核的重要組成部分；指導(dǎo)教師需要認(rèn)真批閱并提出具體指導(dǎo)意見(jiàn)或建議，以書面或口頭方式傳達(dá)給學(xué)生。通過(guò)這種方式，可進(jìn)一步引導(dǎo)和督促學(xué)生順利完成開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的預(yù)定任務(wù)。

3.3 完善開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果的考核機(jī)制

在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生通常是以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組3-4人，每個(gè)小組應(yīng)該在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)提交實(shí)驗(yàn)作品和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并制作PPT進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯。答辯評(píng)委由3個(gè)在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)突出的學(xué)生和1位指導(dǎo)教師組成。答辯評(píng)委根據(jù)答辯者在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的平時(shí)表現(xiàn)、每周實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況報(bào)告、實(shí)驗(yàn)作品調(diào)試效果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量和答辯情況等進(jìn)行綜合評(píng)定，給出最終成績(jī)，其中學(xué)生評(píng)委和教師評(píng)委給定的成績(jī)各占50%的權(quán)重。在對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)作品調(diào)試效果的考核方面，我們遵循了既定性又定量的考核原則。所謂定性考核是指學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作品是否達(dá)到了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本要求，如輪式循跡機(jī)器人是否能夠在特定的場(chǎng)地條件下實(shí)現(xiàn)循跡；定量考核是指在實(shí)驗(yàn)作品滿足基本要求的前提下，重點(diǎn)對(duì)其性能指標(biāo)的考核，如輪式循跡機(jī)器人在特定場(chǎng)地條件下完成循跡的最短時(shí)間，即同時(shí)考核了實(shí)驗(yàn)作品的穩(wěn)定性和快速性指標(biāo)?？己私Y(jié)果合格的學(xué)生，可為其計(jì)入相應(yīng)的課外創(chuàng)新學(xué)分。另外，考核結(jié)果也可作為選拔學(xué)生參加相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽的重要參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程管理等諸多方面。以智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，通過(guò)設(shè)置層次化和模塊化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)施多元化的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展模式、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的科學(xué)管理等改革措施，進(jìn)一步提升了學(xué)生參與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力。近幾年來(lái)，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生在機(jī)器人大賽、“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽、智能車競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽中屢獲佳績(jī)，其中國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)5項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)13項(xiàng)。在今后的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，我們將進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，積極推進(jìn)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：梁春燕]

Reform and Practice of Opening Experiment Teaching for Intelligent Science and Technology Specialty

ZHAOYong

(School of Automation, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China)

With a view to the characteristic of opening experiment teaching reform for intelligent science and technology specialty of Xi'an University of Posts and Telecommunications, the paper focuses on the content setting, how the experiment is conducted and experiment process management.Practice shows that the hierarchical and modular experiment content, different experiment modes and scientific management of experiment process can stimulate student's enthusiasm and initiative to take participate in the opening experiment, and enhance students' ability of scientific experiment and comprehensive innovation ability.

intelligent science and technology; opening experiment; teaching reform

2015-02-13

西安郵電大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(JGB201321)

趙勇(1979-)，男，陜西周至人，高級(jí)工程師，從事智能機(jī)器人、智能控制等方面的研究。

G642.0

A

1008-9233(2015)03-0090-03