基于開放性實驗平臺培養機電工程專業學生的實踐創新能力

張蕾+曹其新

（1.上海電機學院機械學院，上海 200240；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

摘要：以上海交通大學機電工程專業課程《機電控制技術》為例，探討了如何基于開放性實驗平臺，培養學生的實踐創新能力。主要介紹了開放性實驗平臺的構成、方案設計、實驗效果的評估等。實驗實施的效果表明這種開放性實驗方式可以激發學生的創造力、激勵學生學習的主動性、培養學生分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：開放式；實驗平臺；創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0236-02

一、引言

如何培養大學生的創新能力是建設創新型國家對我國高等教育提出的新要求。開放式創新實踐教學是培養學生創新能力的重要手段。開放式創新實踐教學指在實驗教學中所有實驗資源向學生開放，實驗性質由驗證型向設計型、綜合型過渡。學生作為實驗的主體，自擬實驗方案、查閱文獻和參考資料，提出設計思路和實驗步驟。學生根據個人的實驗基礎、專業特點選擇相應的實驗項目，給學生最多的主動權、最大的開放性。國內很多高校都開展了開放性實驗的研究，例如哈爾濱工程大學針對模擬電子技術實驗課程，開展了開放自主實驗教學模式的探索與實踐，其全開放模式拓寬了實驗的時空概念，能夠最大限度地利用實驗室資源。中國礦業大學針對土木工程專業對開放式實驗室建設提出了建議。北京大學化學基礎實驗教學中心以物理化學實驗課程為例，對開放式實驗教學模式的管理工作方法進行了探索和實踐。南京工業大學分析了新媒體背景下通過開放式實驗培養學生創新能力的對策。本文以機電控制專業為背景，以上海交通大學《機電控制技術》教學內容為基礎，介紹了機械電子工程專業基于開放式實驗平臺，開展創新實踐教學的研究工作，探討開放性創新實驗平臺的搭建、實驗方案設計等，研究開放性創新實驗效果的有效評估方法。

二、面向機電控制學科的開放性創新實驗平臺

創新實驗方案的設計要求讓學生建立起系統設計的思想，從創新的角度出發，按照系統功能選擇部件，進行接口設計、數據調試、結果評價、使整個控制系統的方案實現過程接近于工程實踐。

1.開放性創新實驗平臺的搭建。針對《機電控制技術》課程，讓學生完整地了解測量與控制的原理和方法，使學生對各個控制部件、測量部件、控制系統有感性的認識，通過自己設計方案、自己動手搭建硬件，自己編寫軟件等方式，學會分析問題和解決問題。《機電控制技術》開放性創新實驗平臺主要包括三大部分：硬件平臺主要是指實驗所需的各種器件，例如各種控制對象、傳感器、控制器件，各種接口器件以及實驗過程中要用到的各種工具器件。軟件工具平臺包括各種編程軟件、設計用工具軟件、控制軟件、檢測軟件等。例如C語言，PLC編程軟件及組態軟件等。信息平臺包括創新實驗課程指導網站，將實驗中所用的各種器件和工具的說明書、實驗軟件的學習文檔、實驗要求等相關文檔放在網站上，充分利用網絡資源的共享優勢，開創引導式、啟迪式的自學模式。

2.開放性創新實驗方案的設計。開放性創新實驗方案的設計需要考慮到如下幾個方面：①開放性。這種開放性要求實驗在時間、內容、設備上的全開放。時間上的開放性是指學生只要在允許的時間之內，都可以隨時來實驗室進行實驗。內容的開放性是指在完成實驗目標的要求下，允許學生對實驗內容進行選擇。設備的開放性是指允許學生對實驗設備進行選擇組合來完成自己的實驗目的。在課程中一個具體的控制問題可以描述為：傳感器測量控制對象的信息，利用一定的控制方法，通過控制器件實現對象的控制。開放性實驗平臺提供了多種配置，學生可以自由選擇、自由組合，并且可以比較各種方法的優缺點。例如：不同的控制對象：電水壺、AVG小車、吹風機等。不同的傳感器：可配置溫度傳感器、速度傳感器、力傳感器等。不同的控制器件：低壓電器、可編程邏輯控制器、單片機、數字信號處理器、嵌入式控制器。②層次性。在實驗目標制定、實驗硬件的配置和實驗結果考核方面要有一定的層次性。難易不同的目標和不同的硬件配置可以體現實驗的復雜程度，同時也是對學生不同能力的衡量。舉例來說，同樣選擇控制水溫，學生還可以選擇不同的控制器，選擇單片機硬件稍簡單些，選擇PLC的話就稍復雜一些。在控制方法上也可以有所不同，如果只是簡單的開關控制，程序就比較簡單，如果選擇PID或者其他方法程序就復雜一些。這種不同的組合搭配設計大大增加了學生實驗操作的柔性，也激發了學生進行比較、探索的能力。③課內實驗和課外學習的結合。開放性創新實驗并不是一次完成的，學生在實驗過程中會遇到很多問題，一次實驗后，學生會帶著問題重新回去查閱資料，尋求解決之道，為下一次實驗做好準備。④注重創新能力的培養。學生通過自己組織實驗平臺，構思實驗方案，進行詳細的實驗設計和不斷的修正，最終實現實驗目標。這一過程中要注重鼓勵學生的求異思維，鼓勵學生的新想法，新思路，培養其創新的能力。

3.開放性創新實驗效果的評估。開放性實驗效果的評估，要擯棄普通實驗根據實驗數據的誤差大小，實驗曲線的吻合程度等進行打分的方法，需要對學生參與實驗的積極性、實驗方案設計的合理和創新性、實驗結果等進行綜合的考量。以水溫控制為例，為了兼顧一般性，又能突出某些優秀學生的創造能力，可采取遞階打分的形式，例如對于水溫控制問題，如果控制水溫在60℃不變，按照控制水溫偏差大小可給予基本分數，在此基礎上，學生可選擇增加難度，控制水溫在40℃至70℃之間做周期不變正弦變化，根據控制溫度跟蹤誤差進行加分。繼續增加難度，控制水溫在之間40℃至70℃做變周期的正弦變化，根據溫度跟蹤誤差進行加分。

三、開放性創新實驗的實施效果

該實驗平臺在上海交通大學機械與動力工程學院本科2009級以后進行了初步的試點，目前已經完成三屆，每年參與該平臺的實驗人數大約在300名左右。學生在實驗過程中表現出了很大的積極性。每次實驗后，課程組都對實驗效果進行了調查和問卷，并要求學生將對實驗的建議和意見寫入報告或問卷中，以期得到學生積極的反饋。有同學在實驗心得中提到：“這是第一次只有實驗器材的情況下，獨立設計實驗，沒有完整方案，甚至沒有接線圖，一切都靠自己摸索前進，但這種挑戰同時也磨練了我們的自學能力和動手能力……”。根據調查問卷的統計結果，該平臺得到了學生的肯定，大約88.36%的學生認為該實驗平臺對創新能力的培養有幫助，有91.48%的同學對這種新穎的實驗方式給予了很高的評價，推薦該課程的比例達到了98.75%。

四、結論

開放式創新實驗在實驗內容、實驗設備、實驗方式方法、實驗時間和實驗難度等方面體現了充分的自主性，也體現了以“學生”為本的實驗設計精神，對于培養學生的實踐能力、創新能力、分析問題和解決問題的能力方面具有非常重要的作用。開放式實驗教學是一種新生事物，其發展過程處于方興未艾階段，目前仍有各種問題，例如實驗室的管理、實驗效果的評估等，還需要不斷探索與研究。

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收稿日期：2016-12-05

基金項目：本論文受上海市教委重點課程建設項目（B1-0224-16-004-004）資助