新工科背景下機電綜合創新實驗課程改革

盧佳佳，李 慧，馮顯英，杜付鑫

（山東大學a.機械工程學院；b.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南250061）

0 引 言

面對國家對創新型人才的迫切需求，如何更好地培養高校學生的創新意識和創新能力，是擺在高等工程教育面前的重大課題。為適應新經濟發展和國家發展戰略，教育部組織討論分別形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”。三次探討統一了思想、達成了“共識”，認同“新工科”的內涵是在人才愈發重要的未來，專業建設與規劃應重點考慮其動態性、靈活性、綜合性和引領性，應著力培養學生的不斷學習能力、創新能力、設計能力和實踐能力［1-4］。實驗室是高校開展創新教育的主要陣地，而實驗教學是“提供獲取知識的手段，培養學生的研究、批評和反思精神，使學生具備自動求知和繼續學習能力”的途徑之一，實驗室與實驗教學是落實“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，以如何培養和提升當代高校學生的創新思維和實踐能力為研究內容，從實驗室的資源配置、實驗教學改革和運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”背景下機電專業的本科生如何開展綜合創新實驗，對高校機電專業實驗教學目前存在的問題進行了調研分析，結合自身實踐經驗提出了機電創新實驗教學的目標和原則，并在此基礎上構建了“新工科”背景下的機電創新硬件平臺及該平臺的運行保障機制，最后介紹了“新工科”改革所取得經驗和成效。

1 機電專業實驗教學存在的問題

在高等教育中，實驗教學是培養高校學生創新實踐能力的主要途徑，是落實實踐育人的關鍵一步。目前工程教育對于當代大學生越來越顯示無適應性。經調研，國內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，設計性、綜合性實驗所占比例低，實驗過程的固化很難讓學生產生探索興趣，發揮其主觀能動性，實驗教學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籌能力培養不足［11-18］。具體就目前機械電子工程專業學生所使用的PLC試驗臺而言，其相關實驗教學學時太少，學生往往淺嘗輒止，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，無法發揮學生的主觀能動性，更不能培養學生的探索性思維。除此之外，實驗教學從屬于專業理論課，教師和學生往往對其不夠重視，實驗考核方式片面，常常局限于簽到、實驗報告和實驗結果等方面，缺乏對實驗探索過程的認可。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，也制約著對學生創新探索能力的培養。除了以上傳統教學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界需要決定的新問題，包括學生自主學習能力、團隊協作能力、國際化視野、工程設計能力、多元文化交際能力、跨學科知識體系等。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 機電創新實驗教學的目標和原則

高校辦學理念決定著學校的長遠發展。解決現存教學問題的關鍵是提升理念，實驗教學理念是實驗教學的指導綱要，創新實驗教學應建立在以學生為本，知識傳教、能力培養、素質提高相互協調發展的育人理念和以能力培養為核心的實驗教學觀念的基礎之上，并設立有利于培養高校學生動手實踐能力和創新創造能力的實驗教學項目。基于項目引導的實驗室開放，能夠有效地促進實驗室資源的開放共享，同時要及時更新先進設備，全面提高實驗教學水平。為實現以上目標，創新實驗教學的改革應遵循下面3項原則：

（1）探究性學習。探究性學習是以實際問題作為突破點，啟發學生質疑并發現問題，引導學生調查、研究相關資料，鼓勵學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，交流問題的原理，從中獲得知識和掌握方法。在探究性學習模式中，教師和學生共同參與，相互平等，并鼓勵學生發揮主觀能動性，大膽地獨立探索。探究性學習是培養學生研究性思維的有效方法，不僅有利于培養學生的團隊協作能力，還有利于學生自主意識與掌控研究過程能力和學術交流能力的提升。

（2）強調創新。創新不僅僅是對學生的要求。一個創新的實驗教學體系還體現在教學模式上的創新、實驗室管理的創新和硬件平臺上的創新。現在的實驗教學模式主要的問題就是“按部就班”進行，學生在其中容易思維僵化，創新意識難以形成；良好的實驗室管理運行機制能夠保證實驗室的正常運行，最大限度地發揮實驗教學資源效益，提升資源的價值；前沿的硬件平臺不僅能拓寬學生的思維和視野，激發學生和教師的創新意識和動力，還能推動學科的不斷發展。

（3）開放共享。開放共享能夠激發創新實驗室的活力。基于創新實驗室的建設目標，整合優質實驗資源，建立開放共享運行機制，設計開放性綜合創新實驗，不僅提高了實驗室資源的重復利用率，也為學生營造了一個自由探索的實驗環境，充分發揮其創新創造活力。

3 新工科機電創新硬件平臺構建

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

總體思路是以西門子1200PLC等實驗臺為基礎，以柔性制造機電系統為綜合創新實驗對象，從電氣元件選型、電氣圖設計、氣動液壓設計、PLC編程與調試、機器人編程、機器人與PLC協同、伺服運動控制、基于人工智能的機器視覺等方面建立綜合實驗項目。學生通過西門子PLC實驗臺鍛煉基本編程能力，具備電氣設計和PLC編程能力之后，將柔性制造中心分成若干工位，一組學生分別負責柔性制造中心的一個工位，然后加入機器人、3D打印機和視覺實驗臺之后，最后開展綜合創新實驗。整個實驗教學過程中，重視引導學生學習研究實驗本身的思想內容，重視傳授給學生掌握實驗所體現出的創造性思維過程，增強學科前沿知識的拓展，激發學生探究創造的興趣。硬件平臺構建思路及硬件基礎分別如圖1、2所示。

圖1 機電綜合創新實驗硬件平臺構建思路

圖2 機電綜合創新實驗教學平臺硬件基礎

4 實驗教學平臺開放運行保障機制

4.1 交叉聯合運行機制

目前高校實驗室普遍存在兩種狀況，①實驗教學資源雖然充足，但分布在不同的學院中，各個學院獨立運行管理，無法實現資源共享或不便于共享，造成資源浪費，且重復利用率低；②實驗室教學功能相對單一，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科性和學科交叉性，打破按學科設立使用實驗室的傳統管理模式，與其他學院功能相關的實驗室一起建立聯合實驗室。

以本文構建的實驗教學平臺為例，機器視覺實驗臺不僅可以應用于機電學生的相關實驗，計算機科學學院的學生也可以利用該平臺做圖像處理、計算機軟硬件方面的實驗；固高科技伺服運動平臺和柔性機械臂等實驗器材還可以給控制工程學院的學生做運動控制相關的實驗教學。

4.2 設計開放性創新實驗

學生對未知事物的興趣和專業能力增長需求是其參與工程實踐與創新訓練的動力，實驗教學應能吸引學生參與進來，在學生還沒有設計學習問題的能力時，幫助其設計有效的實際問題，引導啟發學生進行創新實踐。依托機電創新硬件平臺，通過設計開放性創新實驗吸引不同層次的學生以不同的方式參與創新教育。

為激發學生創新思維，培養學生綜合創新能力，將實驗項目分為學生選做項目和課程給定項目兩大類。以柔性制造機電系統為實驗對象，從電氣元件選型、電氣圖繪制、氣動設計、PLC編程與調試、機器人編程、機器人與PLC協同、基于人工智能的機器視覺等方面建立綜合實驗項目。

4.3 開放實驗室，啟發創新

實驗室是培養學生創新實踐能力的場所。開放實驗室，既滿足了學生對動手實踐的課外要求，提高教學質量，實現素質教育，又提升了實驗教學資源的價值，避免資源浪費，也是培養高校學生工程實踐能力，培養創造型人才的有效途徑。

為了保證實驗室的開放共享，學院專門制定了實驗室開放管理辦法，為學生營造了良好、寬松的學習環境。機械、電氣、控制學院三年級本科生，分成若干個小團隊，每個小團隊自由組合4～6人。由于人數較多，課程安排不同，結合全天候開放方式準許學生自選時間，特別是對實驗不成功的學生允許他們在給定的時間段內重做。

4.4 完善教學評價體系，加強教學質量監控

人才的培養質量需要完善的教學評價體系和質量監控體系來保證。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節，建立了一套完整、科學、可操作的實驗課程績效評價體系，監測教學質量和教學水平。

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

5 實驗教學改革成效

通過實踐，本文所提出的機電專業實驗教學改革取得了一定的經驗和改革成效。

（1）解決了專業實驗教學課附屬于專業理論課的問題；在“理論適度”基礎上通過“工程項目應用案例強化”奠定學生基本理論和應用能力。

（2）開放性實驗摒棄了以老師為中心，實驗指導書為模板的驗證性教學模式。發揮學生的主觀能動性，激發學生的探索興趣，體現創新意識，反映綜合素質，使實驗室真正成為培養學生綜合素質，創新能力的基地，機械、控制、電氣等工程學院本科生以及其他專業對機器人有探索興趣的在校生均能從中受益。

（3）首次提出由小團隊模式向大團隊模式過渡的實驗教學模式。

6 結 語

我國高校要加快步伐建設和發展新工科。一方面，要積極組建和發展一批新的工科專業，另一方面，要繼續對現有工科專業進行創新改革。本文總結分析了機電專業實驗教學存在的問題，并提出了實驗教學改革的目標和原則，構建了新工科機電創新硬件平臺，主要通過實驗室交叉聯合運行機制，設計開放性創新實驗，開放實驗室，建立教學評價體系，加強教學質量監控，在實踐教學中實現新工科背景下創新創業型人才的教育，早日促進我國從工程教育大國走向工程教育強國。