自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和實(shí)踐

趙久強(qiáng)， 馮毅萍， 曹 崢

(浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

0 引言

《教育部關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》(教高[2016]2號)中明確指出了部分高校在教育教學(xué)和人才培養(yǎng)方面存在的一些問題，例如教育教學(xué)理念相對滯后、機(jī)制不夠完善、內(nèi)容方法陳舊單一、實(shí)踐教學(xué)比較薄弱等[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為本科實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，如何與時(shí)俱進(jìn)，抓住機(jī)遇，創(chuàng)新改革，充分發(fā)揮其在拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面的重要作用，已成為其改革和發(fā)展的主要目標(biāo)和方向[2,3]。探究性(研究性)教學(xué)作為一種新的教學(xué)觀念，以認(rèn)知理論為基礎(chǔ)，反映了一定的教育目的和價(jià)值觀念[4-6]。因此，合理配置各類資源，創(chuàng)新和改革本學(xué)科高效實(shí)用的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，增加綜合性、探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促進(jìn)各個(gè)學(xué)科之間的交叉學(xué)習(xí)，優(yōu)勢互補(bǔ)，切實(shí)提高大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立研究和創(chuàng)新實(shí)踐能力具有十分重要的意義。

1 自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐

秉承“以學(xué)生為本，傳授知識、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高、協(xié)調(diào)發(fā)展”教育理念，我校自動化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心積極開展實(shí)驗(yàn)課程體系的改革和建設(shè)，實(shí)行分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，廣泛開展以啟發(fā)、探究、討論和參與為主體的探究性實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)[7,8]。目前已初步形成以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和綜合能力為目標(biāo)的自動化綜合探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成了創(chuàng)新、自主、合作、聯(lián)動的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

探究性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注的是培養(yǎng)學(xué)生的主體意識、創(chuàng)新意識、實(shí)踐意識以及綜合素養(yǎng)，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)研究的樂趣和科學(xué)的魅力[9]。自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方向的設(shè)置主要遵循以下幾點(diǎn)原則：①所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)具有可行性和典型性，既能兼顧學(xué)生所學(xué)的理論知識體系、實(shí)驗(yàn)室條件和學(xué)生已掌握的實(shí)驗(yàn)技能，也能體現(xiàn)自動化前沿技術(shù)的典型成果和應(yīng)用。這就要求在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的過程中，要不斷關(guān)注和吸取最先進(jìn)、最前沿和最具代表性的技術(shù)和設(shè)備，結(jié)合實(shí)際教學(xué)中的需要，取其精華，合理選擇和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，這樣才能打造適合學(xué)生需要的自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)平臺。②能夠與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺具有聯(lián)動性。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺上綜合了自動化領(lǐng)域各個(gè)課程的基本實(shí)踐內(nèi)容、研究工具和研究方法，例如過程檢測與傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)、微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)和控制儀表與裝置實(shí)驗(yàn)等已初步培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力、分析和解決問題能力以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析能力，在此基礎(chǔ)上開展自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)將會更加有助于學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。③探究性實(shí)驗(yàn)必須留有足夠的探索空間，使得學(xué)生能夠更好地發(fā)揮自己的創(chuàng)新能力，更好地將本學(xué)科的知識應(yīng)用到創(chuàng)新領(lǐng)域和工程實(shí)踐領(lǐng)域。④探究性實(shí)驗(yàn)平臺所涉及的領(lǐng)域盡可能廣，在探究性實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)過程中，不僅關(guān)注自動化領(lǐng)域與傳統(tǒng)流程控制領(lǐng)域的結(jié)合，而且積極推進(jìn)自動化領(lǐng)域與農(nóng)業(yè)、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)器人等領(lǐng)域的交叉結(jié)合，形成覆蓋面更廣的研究熱點(diǎn)。

目前，我校自動化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開展的“自動化綜合實(shí)驗(yàn)”課程中典型探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有生產(chǎn)流水線加熱溫控系統(tǒng)、植物工廠大型實(shí)驗(yàn)、基于Quanser和Matlab的多容水箱液位控制系統(tǒng)、先進(jìn)換熱裝置控制實(shí)驗(yàn)、立體車庫的控制方案實(shí)驗(yàn)、機(jī)械臂的控制研究、智能機(jī)器人和我校智能制造實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究等十余項(xiàng)。另外，學(xué)生也可以根據(jù)自身的特色，結(jié)合科研實(shí)驗(yàn)室的具體條件，自行選題組隊(duì)進(jìn)行研究。自動化探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動使學(xué)生對專業(yè)前沿知識有了更深層次的了解，且加強(qiáng)了相關(guān)學(xué)科知識之間的交叉融合。

1.2 以學(xué)生為中心，豐富教學(xué)方式方法

自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)典型的特點(diǎn)之一就是強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”，充分發(fā)揮學(xué)生在探究性實(shí)驗(yàn)過程中的主體性[5]。因此，從頂層設(shè)計(jì)到具體實(shí)施的過程中，貫穿著培養(yǎng)學(xué)生的主體意識，使學(xué)生積極認(rèn)真地投入并參與到自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)的整個(gè)教學(xué)活動中。

1)預(yù)先設(shè)置“大課”

為更好的幫助學(xué)生形成正確的的主體意識，順利有序地開展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)施自動化探究性實(shí)驗(yàn)之前，會組織一次關(guān)于探究性實(shí)驗(yàn)的“大課”。所謂“大課”，要求參加實(shí)驗(yàn)的全體學(xué)生出席，課上，教師會講解當(dāng)下自動化以及相關(guān)領(lǐng)域前沿的技術(shù)和應(yīng)用熱點(diǎn)，幫助學(xué)生拓寬思路，形成舉一反三的功效；講解該實(shí)驗(yàn)的目的和意義、課程特點(diǎn)、任務(wù)要求、具體實(shí)施安排和注意事項(xiàng)等；最后，教師會重點(diǎn)展示近幾年來部分優(yōu)秀成果，使學(xué)生對自動化探究性實(shí)驗(yàn)有一個(gè)比較清晰地認(rèn)知，轉(zhuǎn)變角色，更好地投入到后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中去。

2)學(xué)生自主選題和分組

針對自動化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開展的典型探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以自主選擇，在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間段針對選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行深入討論學(xué)習(xí)。選擇同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生可以自由結(jié)合組成4～5人的研究小組，選定一位學(xué)生作為本小組組長，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)本小組的各項(xiàng)事務(wù)，起到穿針引線的作用。組內(nèi)每個(gè)成員分工合作，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為了增加探究性實(shí)驗(yàn)選題的靈活性，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，允許部分小組擬定自己的研究對象和研究內(nèi)容，并鼓勵學(xué)生參與到科研實(shí)驗(yàn)室的研究環(huán)節(jié)中。

3)查閱相關(guān)文獻(xiàn)

學(xué)生自主分組和選題之后，需要根據(jù)所選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)的研究成果和研究熱點(diǎn)。在此過程中，特別強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)的科研思維和學(xué)術(shù)規(guī)范，使學(xué)生形成一種“閱讀文獻(xiàn)-理論條件-實(shí)驗(yàn)環(huán)境-新的方案”的基本思維方式。

4)開題答辯

在查閱文獻(xiàn)資料之后，要求學(xué)生以小組為單位撰寫開題報(bào)告，其中主要包括查閱文獻(xiàn)的基本情況、發(fā)現(xiàn)的主要問題、提出的初步解決方案和預(yù)期目標(biāo)、所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和后續(xù)的工作計(jì)劃等，與此同時(shí)，每個(gè)小組的成員根據(jù)自身的特長和小組之間的協(xié)調(diào)安排撰寫個(gè)人工作計(jì)劃，上述工作主要以學(xué)生為主體完成。教師組織各個(gè)小組進(jìn)行開題答辯，重點(diǎn)依據(jù)對開題報(bào)告的可行性分析和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，對小組提交的開題報(bào)告進(jìn)行討論和審定，確定最終的合理方案。

5)具體實(shí)施

此后，學(xué)生根據(jù)確定的方案開展分組實(shí)驗(yàn)。除教學(xué)計(jì)劃安排的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室全天候向?qū)W生開放，這樣既充分提高大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，也能使得學(xué)生合理安排時(shí)間，做好規(guī)劃，在時(shí)間比較寬松的條件下充分發(fā)揮自身的主觀能動性和創(chuàng)新思維能力。在實(shí)驗(yàn)的過程中，鼓勵學(xué)生在保證安全的前提下勇于創(chuàng)新，不怕失敗，對于實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法滿足創(chuàng)新需要的情況，鼓勵學(xué)生采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)替代，即采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案，最終達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果。與此同時(shí)，教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中起到宏觀調(diào)控的作用，及時(shí)了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，確保各項(xiàng)任務(wù)正常進(jìn)行[5,9]。

6)中期檢查

在實(shí)驗(yàn)開展的中期階段，組織學(xué)生進(jìn)行中期匯報(bào)。采用的方式是：選擇同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者相近課題的各個(gè)小組一起集中討論，每個(gè)小組組長總結(jié)本小組的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、小組成員的工作、目前取得的實(shí)驗(yàn)效果、遇到的問題以及相應(yīng)解決方案等。在此期間，教師與學(xué)生進(jìn)行深入交流探討，學(xué)生參與整個(gè)討論環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)了“啟發(fā)式、探究式、討論式和參與式”的教學(xué)模式。

7)結(jié)題答辯

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生撰寫最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交，實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)簡明扼要的陳述整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，包括問題的提出、詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和步驟、實(shí)驗(yàn)過程中用到相關(guān)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果等。最后，運(yùn)用相關(guān)的理論對最終的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。教師組織最終的結(jié)題答辯，各個(gè)小組進(jìn)行交流匯報(bào)、成果展示和創(chuàng)新總結(jié)。最后，教師根據(jù)考核指標(biāo)和每位學(xué)生在小組中的表現(xiàn)給予評定。

8)成果整理及產(chǎn)出

教師鼓勵并指導(dǎo)部分創(chuàng)新成果特別突出的小組進(jìn)行成果產(chǎn)出，撰寫相關(guān)論文、申請專利和軟件著作等，充分肯定學(xué)生在探究性實(shí)驗(yàn)中所發(fā)揮的自主性、積極性和創(chuàng)新性。

1.3 改善考核方式方法

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)考核方式是教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出相應(yīng)成績。這種單一考核模式過分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫水平，并且很難辨別學(xué)生是否抄襲，缺乏對學(xué)生的過程化、多元化和動態(tài)化的客觀評價(jià)[4,5]。因此，在考核方式的改革方面，我們重點(diǎn)把握以下原則：①重點(diǎn)考察學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力；②重點(diǎn)考察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的創(chuàng)新性思維；③重點(diǎn)考察學(xué)生提出的新問題、新觀點(diǎn)、新思路和新方法；④重點(diǎn)考察學(xué)生在各個(gè)小組合作中的貢獻(xiàn)量。

教師根據(jù)每位學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)，綜合上述因素最終客觀地確定學(xué)生成績。

1.4 推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

為了推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化管理，提升教學(xué)信息化服務(wù)的質(zhì)量和效率。我們開發(fā)了探究性實(shí)驗(yàn)過程信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)全過程的信息化和透明化，主要包括實(shí)驗(yàn)選題、開題答辯、研究討論、結(jié)題答辯等環(huán)節(jié)。同時(shí)，依托該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源與學(xué)習(xí)信息的互聯(lián)互通，并形成了過程化、多元化和動態(tài)化的客觀評價(jià)體系。

2 自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

我校自動化專業(yè)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)自實(shí)施開始，每年服務(wù)本科學(xué)生約140人次，取得了良好的效果，以生產(chǎn)流水線加熱溫控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，如圖1所示。該系統(tǒng)是典型的工業(yè)流程生產(chǎn)裝置，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、紡織、汽車、醫(yī)藥等領(lǐng)域，是一個(gè)復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，具有大滯后、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目利用可模擬工業(yè)履帶式加熱爐(退火爐)的生產(chǎn)流水線溫度控制裝置，采用半實(shí)物仿真技術(shù)，通過常規(guī)PID及智能模糊控制理論，設(shè)計(jì)多變量控制器，實(shí)現(xiàn)流水線加熱爐預(yù)熱、高溫、降溫三個(gè)工作過程的自動控制，使學(xué)生對工業(yè)現(xiàn)場控制過程有更直觀的了解，實(shí)驗(yàn)效果明顯。利用該系統(tǒng)目前可以開設(shè)的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：工藝流程實(shí)驗(yàn)、對象特性實(shí)驗(yàn)、PID控制實(shí)驗(yàn)、自整定PID控制實(shí)驗(yàn)、模糊控制實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生不僅可以通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且可以發(fā)揮自身的專業(yè)優(yōu)勢和學(xué)科優(yōu)勢，設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)更高層次、效果更優(yōu)的系統(tǒng)項(xiàng)目，圖2和圖3為學(xué)生自主設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展示。

圖1 生產(chǎn)流水線加熱溫控系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 學(xué)生自主設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面展示圖

3 結(jié)語

自主探究和合作交流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新問題、提出新觀點(diǎn)和新思路，并且找到新方法解決實(shí)際問題的有效途徑之一。探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革正是適應(yīng)了學(xué)生多方面發(fā)展的需要，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，能夠充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面的作用，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展的導(dǎo)向標(biāo)。

圖3 學(xué)生自主設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能界面展示圖

[1] 教育部. 教育部關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見.北京:中華人民共和國教育部,2016, http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7056/201607/t20160718_272133.html.

[2] 王偉,孟祥貴,安寅. “創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式”下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].北京：實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2013,11(2):144-146.

[3] 韋娟,劉乃安,李曉輝. 面向?qū)I(yè)認(rèn)證的實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建與評價(jià)[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(5):110-112.

[4] 官禮和,魯皓,蔣偉等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(7):265-267.

[5] 梁文耀,陳武喝.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的自主性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(8):289-291.

[6] 吳騰,吳潤. 基于“實(shí)踐平臺”探索實(shí)踐教學(xué)改革[J]. 天津：實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2016,19(6):99-101.

[7] 馮毅萍,謝依玲,王慧.依托學(xué)科優(yōu)勢,構(gòu)建研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式[J],北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(7):25-27.

[8] 馮毅萍,張光新,榮岡.基于知識系統(tǒng)化重構(gòu)的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J],北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(10):154-156.

[9] 陳靈,彭成紅.加強(qiáng)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生創(chuàng)新能力[J]. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(8):202-204.