新工科背景下機(jī)電綜合創(chuàng)新實驗課程改革

盧佳佳，李 慧，馮顯英，杜付鑫

（山東大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室，濟(jì)南250061）

0 引 言

面對國家對創(chuàng)新型人才的迫切需求，如何更好地培養(yǎng)高校學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是擺在高等工程教育面前的重大課題。為適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家發(fā)展戰(zhàn)略，教育部組織討論分別形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”。三次探討統(tǒng)一了思想、達(dá)成了“共識”，認(rèn)同“新工科”的內(nèi)涵是在人才愈發(fā)重要的未來，專業(yè)建設(shè)與規(guī)劃應(yīng)重點考慮其動態(tài)性、靈活性、綜合性和引領(lǐng)性，應(yīng)著力培養(yǎng)學(xué)生的不斷學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、設(shè)計能力和實踐能力［1-4］。實驗室是高校開展創(chuàng)新教育的主要陣地，而實驗教學(xué)是“提供獲取知識的手段，培養(yǎng)學(xué)生的研究、批評和反思精神，使學(xué)生具備自動求知和繼續(xù)學(xué)習(xí)能力”的途徑之一，實驗室與實驗教學(xué)是落實“新工科”這一重大、專項和前瞻性的“國家行動計劃”的兩個重要舉措。因此，全國各高校在“新工科”背景下，以如何培養(yǎng)和提升當(dāng)代高校學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力為研究內(nèi)容，從實驗室的資源配置、實驗教學(xué)改革和運(yùn)行管理等方面均做了初步的實驗和實踐，并取得了一定的成效［5-10］。

本文主要研究了在“新工科”背景下機(jī)電專業(yè)的本科生如何開展綜合創(chuàng)新實驗，對高校機(jī)電專業(yè)實驗教學(xué)目前存在的問題進(jìn)行了調(diào)研分析，結(jié)合自身實踐經(jīng)驗提出了機(jī)電創(chuàng)新實驗教學(xué)的目標(biāo)和原則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了“新工科”背景下的機(jī)電創(chuàng)新硬件平臺及該平臺的運(yùn)行保障機(jī)制，最后介紹了“新工科”改革所取得經(jīng)驗和成效。

1 機(jī)電專業(yè)實驗教學(xué)存在的問題

在高等教育中，實驗教學(xué)是培養(yǎng)高校學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的主要途徑，是落實實踐育人的關(guān)鍵一步。目前工程教育對于當(dāng)代大學(xué)生越來越顯示無適應(yīng)性。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)高校大多實驗課程受實驗課時的限制形成以驗證性實驗為主，設(shè)計性、綜合性實驗所占比例低，實驗過程的固化很難讓學(xué)生產(chǎn)生探索興趣，發(fā)揮其主觀能動性，實驗教學(xué)模式只重視單元知識，缺乏對整體知識框架的梳理與融會，工程化思維和總體運(yùn)籌能力培養(yǎng)不足［11-18］。具體就目前機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生所使用的PLC試驗臺而言，其相關(guān)實驗教學(xué)學(xué)時太少，學(xué)生往往淺嘗輒止，無法深入探究，且演示型、驗證性實驗比例高，模擬性實驗無實物依托，無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，更不能培養(yǎng)學(xué)生的探索性思維。除此之外，實驗教學(xué)從屬于專業(yè)理論課，教師和學(xué)生往往對其不夠重視，實驗考核方式片面，常常局限于簽到、實驗報告和實驗結(jié)果等方面，缺乏對實驗探索過程的認(rèn)可。同時實驗室開放程度較低，實驗教材更新緩慢等問題不僅造成實驗室資源的浪費(fèi)，也制約著對學(xué)生創(chuàng)新探索能力的培養(yǎng)。除了以上傳統(tǒng)教學(xué)方式形成的問題之外，還面臨著一些由新時代的需求和行業(yè)界需要決定的新問題，包括學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、國際化視野、工程設(shè)計能力、多元文化交際能力、跨學(xué)科知識體系等。這些新的問題正是世界各國在未來工程教育改革中極為重視的問題。

2 機(jī)電創(chuàng)新實驗教學(xué)的目標(biāo)和原則

高校辦學(xué)理念決定著學(xué)校的長遠(yuǎn)發(fā)展。解決現(xiàn)存教學(xué)問題的關(guān)鍵是提升理念，實驗教學(xué)理念是實驗教學(xué)的指導(dǎo)綱要，創(chuàng)新實驗教學(xué)應(yīng)建立在以學(xué)生為本，知識傳教、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高相互協(xié)調(diào)發(fā)展的育人理念和以能力培養(yǎng)為核心的實驗教學(xué)觀念的基礎(chǔ)之上，并設(shè)立有利于培養(yǎng)高校學(xué)生動手實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的實驗教學(xué)項目。基于項目引導(dǎo)的實驗室開放，能夠有效地促進(jìn)實驗室資源的開放共享，同時要及時更新先進(jìn)設(shè)備，全面提高實驗教學(xué)水平。為實現(xiàn)以上目標(biāo)，創(chuàng)新實驗教學(xué)的改革應(yīng)遵循下面3項原則：

（1）探究性學(xué)習(xí)。探究性學(xué)習(xí)是以實際問題作為突破點，啟發(fā)學(xué)生質(zhì)疑并發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)查、研究相關(guān)資料，鼓勵學(xué)生嘗試解決問題的方法。通過實驗實踐，思考解析問題，證明已知理論、求證實驗假設(shè)，交流問題的原理，從中獲得知識和掌握方法。在探究性學(xué)習(xí)模式中，教師和學(xué)生共同參與，相互平等，并鼓勵學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，大膽地獨立探索。探究性學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生研究性思維的有效方法，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力，還有利于學(xué)生自主意識與掌控研究過程能力和學(xué)術(shù)交流能力的提升。

（2）強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新。創(chuàng)新不僅僅是對學(xué)生的要求。一個創(chuàng)新的實驗教學(xué)體系還體現(xiàn)在教學(xué)模式上的創(chuàng)新、實驗室管理的創(chuàng)新和硬件平臺上的創(chuàng)新?，F(xiàn)在的實驗教學(xué)模式主要的問題就是“按部就班”進(jìn)行，學(xué)生在其中容易思維僵化，創(chuàng)新意識難以形成；良好的實驗室管理運(yùn)行機(jī)制能夠保證實驗室的正常運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮實驗教學(xué)資源效益，提升資源的價值；前沿的硬件平臺不僅能拓寬學(xué)生的思維和視野，激發(fā)學(xué)生和教師的創(chuàng)新意識和動力，還能推動學(xué)科的不斷發(fā)展。

（3）開放共享。開放共享能夠激發(fā)創(chuàng)新實驗室的活力?；趧?chuàng)新實驗室的建設(shè)目標(biāo)，整合優(yōu)質(zhì)實驗資源，建立開放共享運(yùn)行機(jī)制，設(shè)計開放性綜合創(chuàng)新實驗，不僅提高了實驗室資源的重復(fù)利用率，也為學(xué)生營造了一個自由探索的實驗環(huán)境，充分發(fā)揮其創(chuàng)新創(chuàng)造活力。

3 新工科機(jī)電創(chuàng)新硬件平臺構(gòu)建

依托機(jī)械工程國家級實驗教學(xué)示范中心、電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備教育部工程研究中心、機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程研究所、控制科學(xué)與工程學(xué)院自動化研究所，兩學(xué)院的力量形成了實驗教學(xué)改革的雄厚基礎(chǔ)。通過整合現(xiàn)有的實驗室資源和引進(jìn)先進(jìn)的實驗器材，實驗室現(xiàn)有西門子1200PLC實驗臺10臺，基于西門子PLC的柔性制造中心，KUKA六自由度機(jī)器人1臺，康耐視視覺實驗臺6臺，固高科技伺服運(yùn)動平臺XY型2臺，單軸1臺等。2018年實驗室建設(shè)項目計劃購買機(jī)械臂2～4臺，實驗中心計劃與深圳越疆公司共建越疆魔術(shù)師系列高端一體化STEAM綜合教育平臺。借助以上硬件平臺，可展開一系列基礎(chǔ)實驗項目。除此之外，實驗室還搭建了機(jī)光電液一體化柔性實訓(xùn)系統(tǒng)，涵蓋PLC編程、測試與控制技術(shù)、組態(tài)編程、工業(yè)總線、傳感器、機(jī)械制動、氣動、機(jī)器人等課程。通過此實訓(xùn)系統(tǒng)平臺，可開展比較大型的綜合創(chuàng)新實驗項目。

總體思路是以西門子1200PLC等實驗臺為基礎(chǔ)，以柔性制造機(jī)電系統(tǒng)為綜合創(chuàng)新實驗對象，從電氣元件選型、電氣圖設(shè)計、氣動液壓設(shè)計、PLC編程與調(diào)試、機(jī)器人編程、機(jī)器人與PLC協(xié)同、伺服運(yùn)動控制、基于人工智能的機(jī)器視覺等方面建立綜合實驗項目。學(xué)生通過西門子PLC實驗臺鍛煉基本編程能力，具備電氣設(shè)計和PLC編程能力之后，將柔性制造中心分成若干工位，一組學(xué)生分別負(fù)責(zé)柔性制造中心的一個工位，然后加入機(jī)器人、3D打印機(jī)和視覺實驗臺之后，最后開展綜合創(chuàng)新實驗。整個實驗教學(xué)過程中，重視引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)研究實驗本身的思想內(nèi)容，重視傳授給學(xué)生掌握實驗所體現(xiàn)出的創(chuàng)造性思維過程，增強(qiáng)學(xué)科前沿知識的拓展，激發(fā)學(xué)生探究創(chuàng)造的興趣。硬件平臺構(gòu)建思路及硬件基礎(chǔ)分別如圖1、2所示。

圖1 機(jī)電綜合創(chuàng)新實驗硬件平臺構(gòu)建思路

圖2 機(jī)電綜合創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺硬件基礎(chǔ)

4 實驗教學(xué)平臺開放運(yùn)行保障機(jī)制

4.1 交叉聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制

目前高校實驗室普遍存在兩種狀況，①實驗教學(xué)資源雖然充足，但分布在不同的學(xué)院中，各個學(xué)院獨立運(yùn)行管理，無法實現(xiàn)資源共享或不便于共享，造成資源浪費(fèi)，且重復(fù)利用率低；②實驗室教學(xué)功能相對單一，只能為己所用，為課堂所用，開放程度低，無法滿足本院及外院學(xué)生的對實驗實踐的要求。要解決這樣的問題就需要考慮跨學(xué)科性和學(xué)科交叉性，打破按學(xué)科設(shè)立使用實驗室的傳統(tǒng)管理模式，與其他學(xué)院功能相關(guān)的實驗室一起建立聯(lián)合實驗室。

以本文構(gòu)建的實驗教學(xué)平臺為例，機(jī)器視覺實驗臺不僅可以應(yīng)用于機(jī)電學(xué)生的相關(guān)實驗，計算機(jī)科學(xué)學(xué)院的學(xué)生也可以利用該平臺做圖像處理、計算機(jī)軟硬件方面的實驗；固高科技伺服運(yùn)動平臺和柔性機(jī)械臂等實驗器材還可以給控制工程學(xué)院的學(xué)生做運(yùn)動控制相關(guān)的實驗教學(xué)。

4.2 設(shè)計開放性創(chuàng)新實驗

學(xué)生對未知事物的興趣和專業(yè)能力增長需求是其參與工程實踐與創(chuàng)新訓(xùn)練的動力，實驗教學(xué)應(yīng)能吸引學(xué)生參與進(jìn)來，在學(xué)生還沒有設(shè)計學(xué)習(xí)問題的能力時，幫助其設(shè)計有效的實際問題，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐。依托機(jī)電創(chuàng)新硬件平臺，通過設(shè)計開放性創(chuàng)新實驗吸引不同層次的學(xué)生以不同的方式參與創(chuàng)新教育。

為激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力，將實驗項目分為學(xué)生選做項目和課程給定項目兩大類。以柔性制造機(jī)電系統(tǒng)為實驗對象，從電氣元件選型、電氣圖繪制、氣動設(shè)計、PLC編程與調(diào)試、機(jī)器人編程、機(jī)器人與PLC協(xié)同、基于人工智能的機(jī)器視覺等方面建立綜合實驗項目。

4.3 開放實驗室，啟發(fā)創(chuàng)新

實驗室是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的場所。開放實驗室，既滿足了學(xué)生對動手實踐的課外要求，提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)素質(zhì)教育，又提升了實驗教學(xué)資源的價值，避免資源浪費(fèi)，也是培養(yǎng)高校學(xué)生工程實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的有效途徑。

為了保證實驗室的開放共享，學(xué)院專門制定了實驗室開放管理辦法，為學(xué)生營造了良好、寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境。機(jī)械、電氣、控制學(xué)院三年級本科生，分成若干個小團(tuán)隊，每個小團(tuán)隊自由組合4～6人。由于人數(shù)較多，課程安排不同，結(jié)合全天候開放方式準(zhǔn)許學(xué)生自選時間，特別是對實驗不成功的學(xué)生允許他們在給定的時間段內(nèi)重做。

4.4 完善教學(xué)評價體系，加強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

人才的培養(yǎng)質(zhì)量需要完善的教學(xué)評價體系和質(zhì)量監(jiān)控體系來保證。將全班分成若干小組，通過多樣化的評價方法和多層次的考評環(huán)節(jié)，建立了一套完整、科學(xué)、可操作的實驗課程績效評價體系，監(jiān)測教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

機(jī)械綜合創(chuàng)新實驗課程成績考核內(nèi)容包括：①實驗報告（或提交的實物）評價：分別對各模塊的成果進(jìn)行評價，以保證后續(xù)實驗的順利進(jìn)行；②階段性作業(yè)評價；③實驗過程中的研討評價。

5 實驗教學(xué)改革成效

通過實踐，本文所提出的機(jī)電專業(yè)實驗教學(xué)改革取得了一定的經(jīng)驗和改革成效。

（1）解決了專業(yè)實驗教學(xué)課附屬于專業(yè)理論課的問題；在“理論適度”基礎(chǔ)上通過“工程項目應(yīng)用案例強(qiáng)化”奠定學(xué)生基本理論和應(yīng)用能力。

（2）開放性實驗摒棄了以老師為中心，實驗指導(dǎo)書為模板的驗證性教學(xué)模式。發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的探索興趣，體現(xiàn)創(chuàng)新意識，反映綜合素質(zhì)，使實驗室真正成為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，創(chuàng)新能力的基地，機(jī)械、控制、電氣等工程學(xué)院本科生以及其他專業(yè)對機(jī)器人有探索興趣的在校生均能從中受益。

（3）首次提出由小團(tuán)隊模式向大團(tuán)隊模式過渡的實驗教學(xué)模式。

6 結(jié) 語

我國高校要加快步伐建設(shè)和發(fā)展新工科。一方面，要積極組建和發(fā)展一批新的工科專業(yè)，另一方面，要繼續(xù)對現(xiàn)有工科專業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新改革。本文總結(jié)分析了機(jī)電專業(yè)實驗教學(xué)存在的問題，并提出了實驗教學(xué)改革的目標(biāo)和原則，構(gòu)建了新工科機(jī)電創(chuàng)新硬件平臺，主要通過實驗室交叉聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制，設(shè)計開放性創(chuàng)新實驗，開放實驗室，建立教學(xué)評價體系，加強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控，在實踐教學(xué)中實現(xiàn)新工科背景下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的教育，早日促進(jìn)我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國。