自動化類本科生實驗教學課程改革探索與實踐

金 晶， 姜 宇， 李丹丹， 張廣瑩， 何 朕

(哈爾濱工業大學控制科學與工程系，哈爾濱150001)

0 引言

國家啟動本科大類招生與大類培養改革［1-2］對本科生培養方案提出了新的修訂要求，各學校各專業結合自身培養方案修訂、專業工程認證等工作，都在進行全面的課程體系梳理，確保培養目標的有效落實，真正推動教學水平和創新人才培養質量的提升［3］。

自動化類專業具有多學科交叉的特點，實施大類招生與大類培養，迫切需要結合專業特點開展面向工程應用的培養方案修訂工作［4］。我校自動化類專業成立教學委員會，參考世界一流大學的人才培養體系，落實“以學生為中心，學生學習與發展成效驅動”的教育理念［5］，開展自動化類本科生培養方案修訂工作。在本科生培養過程中加強數理基礎與專業基礎，加大通識教育力度;去除專業基礎課陳舊內容，注重實用性培養;打造大學分整合的專業核心課，建立支撐自動化類學生能力培養的專業選修課體系;增設創新創業類課程，完善學生培養體系［6］。

本科生實驗教學課程改革是本科生培養方案修訂建設的重要組成部分［7］，為了配合本科生培養方案修訂，突出學生工程實踐能力強的傳統，進一步提升實驗教學地位，自動化類專業依托導航制導與控制國防特色學科專項投資計劃，加速推進國家級飛行器控制實驗教學示范中心的創新實踐條件建設，以高質量的實驗教學內容支撐專業核心課程創新人才培養，為學生的實習、實踐、畢業設計、項目學習、科研活動等創造條件。

實驗教學課程受儀器設備、場地等限制，現有實驗設備無法全面保障“通識教育、專業教育、實踐創新、個性發展”有機融合的新課程體系的實驗教學要求［8］。國家通過“985工程”和“211工程”的實施，搭建了一批具有世界先進水平的科研平臺，但長期以來也存在自成體系、分散重復、效率不高等問題，通過資源整合與共享，對科研平臺儀器設備進行升級和改造，由科研人員自主設計基于項目的專業選修課程實驗教學環節，并在兼顧科學研究的同時進行相關實驗教學指導工作，提高儀器設備利用率，實現高水平科學研究支撐高質量學生培養的目標［9］。

1 現有實驗教學課程體系

傳統的教學課程體系［10-11］由所在專業老師先講授理論課程，再由實驗室老師開展實驗教學工作，單個理論課程對應單個或多個實驗，受實驗設備老化、實驗設備數量和場地的限制，存在實驗課時少、學生多等問題，如表1所示。為了降低每個實驗的時間，實驗課程通常提供了十分詳細的實驗指導書，學生僅需按步驟連線即可查看實驗現象和結果，這種操作型實驗無法調動學生的主觀能動性，也無法滿足學生的能力培養需求，學生創新能力和工程實踐能力培養不足［12-13］。

表1 自動化類本科生專業基礎課程與實驗課程對應關系

在本科生培養方案修訂過程中，將取消、整合、新增部分本科生專業基礎課程為專業核心課程，大幅增加實驗教學的學分和學時，現有實驗課程體系無法滿足大學分整合的專業核心課培養方案的要求，這給實驗教學帶來新的機遇和挑戰。

2 實驗教學課程改革思路

2.1 優化實驗課程體系

根據學科航天國防特色，以精準化和智能化控制為導向，面向控制理論與控制技術、信息處理技術等未來學科發展的主要方向，打造導航制導與控制類、控制理論與控制工程類、檢測技術與自動化裝置類、機器人與智能系統類、系統工程與仿真類等5個自動化類專業實驗課程選修方向，并按方向建立相關實驗課程體系。

按照培養方案修訂后的基礎類實踐課程、專業核心類課程和創新創業類課程，分別建設基礎類、模塊化、系統級、創新型、任務型等多種形式的實驗平臺，進行大學分實驗課程整合，提高實驗課程的數量和質量，強化實踐教學環節。

2.2 更新實驗課程內容

根據時代發展開設新的實驗內容，打造一系列常用軟/硬件的基礎類實驗平臺，更新儀器設備和軟件系統，通過開設基礎類實驗課程，為本科生大類培養奠定實驗教學基礎。

整合現有實驗內容，精煉專業核心類課程對應的實驗課程，將實驗內容全部由操作型實驗向自主設計型實驗轉變。增加多種形式的模塊化實驗和系統級實驗，突出模塊化實驗對專業核心類課程的支撐作用，通過系統級實驗自主設計實驗課程過程。

將最先進的、具有啟發性的、體現課程內涵的實驗內容引入創新創業類課程中，整合現有科研平臺設置系列創新型實驗平臺、任務型實驗平臺等實驗教學模塊，促進科研成果轉化為實踐教學內容。

2.3 改革實驗教學方法

面向基礎類實踐課程，實現理論課與實踐教學緊密銜接，授課模式由先上課再實驗轉變為邊上課邊實驗的模式，突出“做中學”理念［14］，實現實驗教學基礎知識的融會貫通。

面向專業核心類課程，突破傳統單一課程對應單一實驗的教學模式，制定一套“面向應用、虛實結合、自主設計、注重創新”的大學分實驗教學新體系，堅持實踐不斷線的原則，將實驗教學穿插在理論教學的過程節點中，支撐專業核心課程建設。

面向創新創業類課程，考慮學科各類校級和國家級競賽所需的知識基礎和技能，按團隊分工進行個性化培養，不斷提升實踐教學活動的綜合度和挑戰度，強化學生的團隊合作能力與創新創業實踐能力。

2.4 加強實驗課程過程管理

根據學生的理論課程學習情況，面向專業選修課程實驗需求、科技競賽需求以及畢業設計課題需求，由導師(大三導師制)有針對性地選擇不同形式的實驗內容和方案，以達到個性化培養的目的。

全面實現開放式實驗室，設計翻轉課堂的實驗教學模式，提前發布實驗教學資源，學生采用團隊與個人相結合的方式進行分組，自主設計與實現實驗過程，再通過在線師生互動指導，虛擬平臺自測練習［15］，預約實驗操作，現場指導答疑等教學過程，提高學生積極性和實驗教學效果。

3 實驗教學課程改革實施方案

自動化類本科生實驗教學課程體系改革以飛行器控制實驗教學中心為依托單位，緊密圍繞自動化類專業核心課程體系，建立貫穿理論教學的實驗教學課程，打造軟/硬件基礎類實驗課程，擴展創新創業實踐課程，注重對工程實踐能力和創新創業能力培養。

飛行器控制實驗教學中心［16］于2006年成立，2009年被教育部批準為國家級實驗教學示范中心。中心進一步整合了哈工大-大疆創新實驗室、哈工大-開立科技聯合實驗室，哈工大-航天科技汽車電子技術聯合實驗室等單位，現有專兼職人員39人，其中，高級職稱33人，中級職稱6人，博士89%，實驗教學用房面積3 680 m2，各種實驗設備1 600余臺套。

按照新的自動化類本科生課程與實驗課程規劃，對現有實驗教學設備和科研平臺進行整合，建立了新的實驗教學課程體系。如圖1所示。

圖1 本科生實驗教學課程體系

面向基礎類實驗課程，打造基礎類軟硬件實驗平臺。軟件平臺涵蓋Android、Ubuntu等系統級軟件課程和C++、Python、Java等語言級軟件課程，硬件平臺涵蓋DSP、單片機、FPGA，PLC等課程，采用邊上課邊實驗的授課模式，為學生打牢實踐應用軟硬件基礎。

面向專業核心類課程，分別打造模塊化實驗平臺和系統級實驗平臺，模塊化實驗平臺重點開展執行器、傳感器、控制器模塊等演示實驗和集成實驗。系統級實驗平臺重點開展運動控制、激光穩定、倒立擺、溫控系統等自主設計實驗，采用按理論教學課程節點穿插實踐教學的授課模式，加深學生對課程的理解，提升學生工程實踐能力。

面向創新創業類課程，分別打造創新型實驗平臺和任務型實驗平臺。創新型實驗平臺重點開展與學科科研方向密切相關的ROS機器人操作、Verasonic超聲實驗、veDYNA車輛動力學仿真、STK衛星仿真系統等實驗，為學生開展任務型實驗奠定基礎。任務型實驗平臺依托學生自主管控的“紫丁香二號”微納衛星等高水平的科研平臺，主要面向參加國家級科技競賽的本科生，開設無人機、智能車、衛星控制任務等實驗課程，為學生提供從設計、組裝、測試到生產實驗的全過程試驗條件，培養學生的創新能力。

4 結語

實驗教學是自動化類本科生創新能力和工程實踐培養中的一個重要的環節，實驗教學課程改革不僅需要突破傳統的教學模式，還必須依托于高水平的科研成果向實驗教學轉化，通過開發與課程內容緊密相關、具有高質量的綜合性實驗，才能建立起實踐性與設計性強、突出綜合能力與創新能力培養的實驗教學體系。