工科研究生開放式研究型實驗教學(xué)方法研究與實踐

張延順 李明 楊琳

摘 要：在卓越工程師教育計劃背景下，將多年課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和相關(guān)科研工作的經(jīng)驗融入到實驗教學(xué)中，探索培養(yǎng)研究生的開放式、研究型實驗教學(xué)方法。該方法的主要特點是提供開放式的模塊化實驗平臺，讓學(xué)生獨立設(shè)計、完成實驗。在實驗中，教師由傳統(tǒng)的主導(dǎo)角色轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助、引導(dǎo)角色，這種實驗教學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)激發(fā)學(xué)生熱情、導(dǎo)引前沿技術(shù)、提供平臺和協(xié)助完成實驗的作用。文章的方法在《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實驗》課程中進(jìn)行了教學(xué)實踐，并起到了較好的效果。

關(guān)鍵詞：卓越計劃；工科研究生；開放式；研究型；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）04-0011-03

Abstract： Under the background of the excellent engineer education plan， the experience of classroom teaching， experimental teaching and related scientific research work is integrated into experimental teaching， and the open and research-based experimental teaching methods for postgraduate students are explored. The main feature of this method is to provide an open modular experimental platform for students to independently design and complete experiments. In the experiment， the teacher changed from the traditional leading role to the auxiliary and guiding role. This experimental teaching method can achieve the role of stimulating student enthusiasm， guiding cutting-edge technology， providing platform and assisting in completing the experiment. The method of this paper has carried out teaching practice in the course of "Inertial Navigation Technology Comprehensive Experiment" and has achieved good results.

Keywords： excellent engineer education plan； engineering graduate； open； research-based； teaching practice

隨著研究生教育規(guī)模的擴(kuò)大，研究生教育質(zhì)量成為社會各界關(guān)注的焦點之一，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更成為當(dāng)前評價研究生教育質(zhì)量的公認(rèn)指標(biāo)。實驗教學(xué)作為實現(xiàn)研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個有效途徑，已經(jīng)被教育界的專家所認(rèn)可[1，2]。如何進(jìn)行實驗教學(xué)，如何做好實驗教學(xué)，是高校教師一直探索的問題。在我國“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱卓越計劃）的帶動下，許多高等院校在實驗教學(xué)方面投入了很大力量，特別是針對培養(yǎng)創(chuàng)新型、實踐型工程技術(shù)人才提出了許多舉措，也取得了一些效果[3，4]。

以北京航空航天大學(xué)實施卓越計劃、建設(shè)工程教育強(qiáng)校為契機(jī)，在學(xué)校的研究生教育與發(fā)展研究專項基金項目和教學(xué)改革項目的大力支持下，作者針對工科研究生的特點，并結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗與科研工作成果，進(jìn)行了研究型創(chuàng)新實驗教學(xué)方法的探索，在北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教學(xué)實驗中心的實驗條件支撐下，通過學(xué)院的研究生課程《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實驗》開展了教學(xué)方法實踐，并取得了一定成果。

一、工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)現(xiàn)狀與問題

卓越計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會發(fā)展需要的不同類型的工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路，建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)[5，6]。因此，創(chuàng)新性是研究生培養(yǎng)的一個重要技術(shù)指標(biāo)，同時也是主要的考核指標(biāo)。相關(guān)學(xué)者在我國研究生創(chuàng)新能力方面進(jìn)行了統(tǒng)計與分析[1-8]，從1997年到2010年間研究生培養(yǎng)質(zhì)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，研究生的科研條件在逐步提高，文章、專利等成果數(shù)量在增加，但與當(dāng)前技術(shù)水平相比，研究生的總體培養(yǎng)質(zhì)量在下降，特別是研究生的創(chuàng)新能力在下降。現(xiàn)階段，得益于高校教師科研項目、科研團(tuán)隊等條件的支持，研究生雖然可以獲得較高的研究起點，但隨著我國研究生的擴(kuò)招和專業(yè)技術(shù)的細(xì)分，現(xiàn)有的教學(xué)培養(yǎng)體制和導(dǎo)師的科研培養(yǎng)模式已經(jīng)不能完全滿足研究生的精細(xì)化、個性化和創(chuàng)新性的培養(yǎng)。

文獻(xiàn)[9]指出培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力是一個不斷深化教育理論研究和教育實踐探索的過程，創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)、個性化知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、創(chuàng)新學(xué)術(shù)性格的塑造和實踐能力的鍛煉，是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10]從課程教學(xué)、實驗教學(xué)、學(xué)術(shù)交流、實踐活動、外部環(huán)境等五個方面就如何加強(qiáng)研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)做了初步的探討。實驗教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生工程能力的有效手段，近年來得到各高校的重視和大力發(fā)展[11，12]，由于實驗設(shè)備配置上的滯后效應(yīng)，目前多數(shù)高校的實驗教學(xué)條件還處于傳統(tǒng)實驗教學(xué)狀態(tài)，實驗教學(xué)的實施過程存在以下問題：

1. 課程設(shè)置方面，實驗課程常常被作為理論課程的組成部分，一般不單獨設(shè)置，占課程內(nèi)容的比例較小，且實踐教學(xué)環(huán)節(jié)比較零散，之間缺乏緊密聯(lián)系，難以形成一個獨立的實踐教學(xué)體系。

2. 實驗內(nèi)容方面，以演示實驗和設(shè)定實驗為主要教學(xué)模式，實驗的內(nèi)容和方法比較固化，學(xué)生在實踐過程中只是被動的觀眾和操作者，缺乏主觀能動性的發(fā)揮。

3. 實驗設(shè)施與條件方面，多數(shù)高校普遍在實驗設(shè)備、實驗場地和經(jīng)費資助上加強(qiáng)了建設(shè)力度，但實驗條件還達(dá)不到盡善盡美，特別是研究生的教學(xué)實驗條件與資源更顯不足。

4. 師資力量配備方面，各高校從事實驗教學(xué)的工作人員普遍存在職稱偏低、專業(yè)背景知識不足等問題，限制了實驗教學(xué)優(yōu)勢充分發(fā)揮和實驗教學(xué)的目的實現(xiàn)。

二、開放式研究型實驗教學(xué)思路

本文以卓越計劃中的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)引，針對研究生實驗教學(xué)存在的問題，基于作者在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和科研工作的經(jīng)驗積累，進(jìn)行了工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)方法探索。實驗教學(xué)的基本思路為，將課堂教學(xué)與實驗教學(xué)緊密結(jié)合，將科研工作與實驗教學(xué)深入聯(lián)系，給學(xué)生做前沿技術(shù)、最新方法及相關(guān)科研課題的講座，為其進(jìn)行實驗設(shè)計提供思路；搭建供研究生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的開放式綜合實驗平臺，為學(xué)生借助此平臺完成綜合實驗?zāi)K創(chuàng)新性組合、實驗方案設(shè)計與實踐提供條件與技術(shù)保障。以上實驗教學(xué)的思想與內(nèi)容在研究生選修課程《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實驗》中進(jìn)行了應(yīng)用與教學(xué)效果評估，取得了較為理想的效果。

三、《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實驗》實驗教學(xué)方法與實踐

（一）教學(xué)方法

慣性導(dǎo)航技術(shù)（包括慣性器件技術(shù)和導(dǎo)航定位技術(shù)）涉及慣性空間、地球物理特性和復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換等知識內(nèi)容，具有抽象、理解困難的特點，因此，本課程實驗教學(xué)的目標(biāo)為力求提高學(xué)生的動手操作能力和綜合實驗設(shè)計能力。學(xué)生通過設(shè)計與完成實驗，能夠得到對慣性器件輸出信號物理意義的深入直觀認(rèn)識，能夠掌握慣性導(dǎo)航算法，并能通過設(shè)計實驗對導(dǎo)航算法進(jìn)行驗證，最終實現(xiàn)獨立設(shè)計、開發(fā)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的能力培養(yǎng)，本文提出的開放式研究型實驗教學(xué)方法與慣性導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)課程的特點及課程教學(xué)目的契合度較高。

開放式研究型實驗教學(xué)是一種新穎的教學(xué)觀和教學(xué)理念。它以促進(jìn)學(xué)生的個性發(fā)展為宗旨，以改變學(xué)生被動接受知識的教學(xué)方式為著眼點，通過構(gòu)建一種開放的、互動的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生自主地學(xué)習(xí)知識，認(rèn)識客觀世界，積極主動地進(jìn)行實驗方案設(shè)計并自主完成。在開放式研究型實驗教學(xué)方法中，教師的主要作用為激發(fā)熱情、前沿導(dǎo)引、提供平臺和協(xié)助完成。相較于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，開放式研究型實驗教學(xué)中教師的角色有了重大轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的主導(dǎo)角色轉(zhuǎn)換為引領(lǐng)、討論與協(xié)助者的輔助角色。實驗教學(xué)過程中，教師不再是簡單的指導(dǎo)操作，而是更多地介紹專業(yè)背景、前沿技術(shù)與方法，并結(jié)合自己的科研經(jīng)驗與成果，幫助學(xué)生深入了解專業(yè)知識的原理、應(yīng)用與前沿技術(shù)，從而激發(fā)出其科學(xué)研究的欲望，幫助學(xué)生接受到更前沿的知識和先進(jìn)的思想，促使個人的積極性得到極大發(fā)揮。

本文提出的開放式研究型實驗教學(xué)方法將側(cè)重于讓學(xué)生在開放的綜合實驗平臺上自由進(jìn)行實驗方案設(shè)計、獨立完成各自的實驗，幫助學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，通過本實驗教學(xué)方法訓(xùn)練，為研究生下一步的科研工作開展打下良好動手能力、創(chuàng)新思維、科學(xué)探索精神等方面的良好基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)實驗平臺

為開展開放式研究型實驗教學(xué)，實驗教學(xué)中心為學(xué)生提供了綜合實驗教學(xué)平臺，如圖1所示，綜合實驗教學(xué)平臺主要由USB_PCL6045B控制子系統(tǒng)、運動滑軌、MEMS慣性測量器件及組件、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。

其中，USB_PCL6045B控制子系統(tǒng)用于控制驅(qū)動器實現(xiàn)運動滑軌的運動控制，運動滑軌（包括直線運動滑軌和旋轉(zhuǎn)滑軌）在電機(jī)帶動下產(chǎn)生直線和旋轉(zhuǎn)運動，固定在運動滑軌上的慣性測量單元（也可以只有加速度計或陀螺儀）敏感滑軌的運動，并對運動參數(shù)進(jìn)行測量，測量的運動參數(shù)與設(shè)定的運動參數(shù)進(jìn)行比較即能驗證慣性導(dǎo)航原理、導(dǎo)航定位算法和滑軌控制方法。

基于此平臺，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的運動滑軌運動狀態(tài)（可進(jìn)行直線運動、旋轉(zhuǎn)運動組合），測量運動信息既可以采用完整的慣性測量單元，也可以采用單個陀螺儀與加速度計。將上述各種設(shè)備和不同方法組合起來，學(xué)生可以根據(jù)需要自行設(shè)計多種實驗。

（三）教學(xué)實驗效果分析

綜合實驗平臺主要承擔(dān)《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實驗》課程中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運動軌跡規(guī)劃與設(shè)計實驗、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)實驗和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)半物理仿真實驗三部分內(nèi)容，現(xiàn)已在北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院研究生《慣性導(dǎo)航技術(shù)綜合實驗》課程教學(xué)中進(jìn)行了教學(xué)實踐。

實驗教學(xué)過程中，學(xué)生分為8組，每組的組長負(fù)責(zé)組織本組學(xué)生進(jìn)行方案討論、組內(nèi)任務(wù)分工。實驗相關(guān)的基礎(chǔ)知識與前沿技術(shù)在講座中進(jìn)行集中教學(xué)，實驗設(shè)計與實踐則分組進(jìn)行。這樣，每組會有不同的實驗方案、實驗數(shù)據(jù)，且均為獨立設(shè)計與完成。

學(xué)生應(yīng)用控制界面可以任意設(shè)定運動滑軌的運動參數(shù)和狀態(tài)。程序設(shè)定的運動參數(shù)是利用慣性測量單元（慣性器件）進(jìn)行運動誤差評價的基準(zhǔn)。利用慣性測量單元中X軸加速度計輸出信號計算導(dǎo)軌橫向移動距離，則會得到一組運動參數(shù)誤差實驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2中，橫軸是采樣點數(shù)，系統(tǒng)采樣率是100Hz，所以橫軸對應(yīng)的時間是50秒。圖中三條數(shù)據(jù)曲線從下至上分別對應(yīng)加速度計的輸出數(shù)據(jù)、利用加速度計數(shù)據(jù)計算的速度誤差和位置誤差。慣性測量單元安裝誤差、MEMS加速度計誤差導(dǎo)致了較大速度誤差和位置誤差。圖2數(shù)據(jù)顯示了慣性系統(tǒng)的誤差隨時間累積，且器件誤差越大累積的誤差越大，這與基本原理相符。通過實驗學(xué)生能對慣性導(dǎo)航相關(guān)知識有深入、直觀的理解。

四、結(jié)束語

相較于老師為學(xué)生演示實驗過程，或按實驗指導(dǎo)書機(jī)械執(zhí)行的確定性實驗教學(xué)方式，本文提出的開放式研究型實驗課程中，學(xué)生的積極性與參與性明顯提高，形成了一種組內(nèi)合作、組間競爭的良好氣氛；實驗方案設(shè)計過程中相互討論，對實驗本質(zhì)有了深入認(rèn)識，同時也培養(yǎng)了提出科學(xué)研究思路和方法的能力，而實驗方案的開放性設(shè)計，則激發(fā)與匯聚成實驗方案的創(chuàng)新性。這樣，開放式研究型實驗教學(xué)為學(xué)生營造了一種開放、活躍、積極、和諧的研究氣氛，學(xué)生在實驗過程中能夠充分發(fā)揮自己的主觀能動性與創(chuàng)造力，利用實驗平臺提供的軟、硬件條件，獨立完成了創(chuàng)新性工作，使自身的科學(xué)實踐能力得到鍛煉與提高。

本文所提出的開放式研究型實驗教學(xué)方法對工科研究生培養(yǎng)具有普適性，可在各學(xué)科中進(jìn)行推廣，另外，本文提出的教學(xué)方法也可在高年級本科生實驗教學(xué)中應(yīng)用。

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