新工科背景下測控專業實踐體系建設探索

李季 任遠 熊飛麗

[摘 要] 新工科建設對學生創新實踐能力的培養提出了新的要求，而實踐體系為創新能力培養提供保障。根據測控技術與儀器專業實踐能力培養的要求，針對目前國防科技大學測控技術與儀器專業實驗體系存在的問題，對實驗教學體系進行優化重構，建立分層次、模塊化的測控專業實踐培養體系，并通過建設以學生為中心的實驗教學體系、構建全開放的實驗環境、改革考核方式等手段，為學生創新能力和工程素養的培養提供有力支撐。

[關鍵詞] 測控專業;實踐體系;分層次;模塊化

[基金項目] 2018年度國防科技大學校級教育教學研究資助項目“強軍新工科背景下測控技術與儀器專業實驗體系建設探索與實踐”（U2018012）

[作者簡介] 李 季（1979—），女，河南南陽人，博士，國防科技大學智能科學學院智能機械與儀器系副教授，主要從事測控技術與儀器研究;任 遠（1986—），男，湖南望城人，博士，國防科技大學智能科學學院智能機械與儀器系講師，主要從事智能傳感與探測研究;熊飛麗（1963—），女，湖南長沙人，碩士，國防科技大學智能科學學院智能機械與儀器系高級實驗師，主要從事傳感器與測試技術研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）47-0075-04? ? [收稿日期] 2021-05-08

一、引言

隨著人工智能、大數據、云計算等技術的發展，以智能產業牽引的新一輪科技革命和產業革命正如火如荼地進行著，新科技革命、新產業革命正以指數級速度展開，而“新工科”是在此背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是今后我國工程教育發展的新思維、新方式[1，2]。我國正深入推動實施“創新驅動”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略，為在未來全球創新生態系統中占據戰略制高點，迫切需要培養大批擁有更強創新能力的新型工程科技人才。教育部組織開展并形成的“復旦共識”“天大行動”“北京指南”統一了思想，將高等院校的發展帶入了“新工科”的全新階段[3]。“新工科”呼喚新的人才培養方案、培養目標和培養方式。而實驗作為培養學生實踐能力和創新精神的重要手段，在“新工科”人才培養中占據重要地位。通過實驗使學生在獲取知識的基礎上，具有科學探究、主動思考、批判反思和自主創新的能力[4，5]。因此，在“新工科”背景下，探索如何通過實踐體系的改革，使之真正成為學生創新能力培養的主戰場是全國各高校都在積極開展的一項工作。

本文以測控技術與儀器專業實驗體系為研究對象，著眼于我校培養“新工科”人才的需求，探討如何理順專業課程實驗與實驗課程間的關系，建立科學的實驗教學體系，并結合任職需求建設以學生為中心、有利于學生創新能力和工程素養提升的實驗平臺與環境，為提高學生創新能力和綜合素質打下堅實的基礎。

二、我校測控專業實驗體系現狀及存在的問題

作為信息學科的源頭，測控技術與儀器專業主要是培養學生具有信息獲取與處理方面的基本知識和能力，如傳感器設計與應用能力和信息獲取、傳輸、控制等能力。在“新工科”建設中，如何通過優化、重構專業知識體系，建立全過程覆蓋的工程實踐能力培養體系，強化學生工程實踐能力和素質的培養，是首先需要解決的問題[6-8]。對標“新工科”建設要求，分析我校實際情況，目前我校測控專業實驗體系尚存在一些問題。

1.實踐教學環節設置的系統性不強，與專業應用結合不夠緊密，以校內教學為主，未突出專業特色與應用，導致學生在學習階段與工作階段存在缺乏銜接感，不利于學生未來任職能力的提高。

2.專業實驗體系（包括課程實驗和實驗課程）缺少頂層設計，各環節層次不分明，課程實驗和實驗課程的設計以滿足于某一課程的建設為目標，缺少從學生任職需求倒逼學員能力培養而進行的系統性實踐體系設計。而且專業實驗門類多，部分實驗內容重復，這就使得學生在校培養期間缺少對專業知識和技能的總體認知和訓練。

3.課程實驗體系中驗證性實驗項目較多，學生容易以完成規定操作過程為目標，按照實驗指導書設計好的步驟加以重復，并設法將實驗結果向實驗教學內容規定的結論靠攏，缺乏實踐的主動性和創新意識，不利于學生綜合實踐能力和創新精神的培養。

因此，本文根據測控技術與儀器專業學生能力培養多層次的需求，探討如何通過頂層設計，打通專業實踐培養體系各個環節，設置符合新工科培養需求的專業實驗體系，并構建服務于學生任職能力培養的實驗環境，以學生為中心全面培養學生的實踐創新能力和工程素養。

三、測控技術與儀器模塊化專業實驗體系構建

由于測控技術與儀器專業課程門類眾多，涉及光學、機械、電子、控制等多領域知識，實踐環節通常包括課程實驗和實驗課程、綜合設計、專業實踐等。在原來的培養方案中，部分課程定位不清楚，內容陳舊，甚至不同實驗課程內容之間存在一定重復。基于此，對測控技術與儀器專業培養方案中的課程實驗、實驗課程、課程設計等實驗教學內容進行梳理、修改和完善，將學員創新實踐能力的培養分為四個層次，由低到高，逐步推進，打通實踐環節各門課程之間的聯系，并按照信息獲取、信息處理、信息傳輸、測試系統四個模塊重新設置實驗體系，對實驗課程內容進行改革和優化，使實驗課程體系的設置能夠給學生更大的自主空間，充分激發學生的學習興趣，實驗課程對學生的訓練可以實現從簡單到復雜、從基礎到設計應用、從驗證到創新循序的漸進式培養。

根據測控專業學生的培養目標，將實踐環節對學生能力的培養分為四個層次。

1.基礎能力：主要培養學生具有元器件識別、簡單電路分析、設計、測試、故障調試、焊接等能力。這一部分主要是結合理論課程的學習，通過電工與電路基礎實驗、電子技術基礎實驗、計算機硬件技術基礎實驗等課程實驗來實現。在完成上述課程實驗的基礎上，通過電工電子實踐項目夯實基礎，在深入掌握電工電子基本理論和基本實驗技能的基礎上，進一步培養綜合運用所學知識分析實踐項目要求、設計制作電路并解決問題的能力。

2.專業技術實踐能力：主要目的是培養學生具有傳感器識別、設計、信號轉換、調理、信息處理、傳感器特性測試、誤差分析與數據處理、光學系統調試、測試等專業基本技能。這部分主要通過傳感器與檢測技術實驗、誤差理論與數據處理實驗、光學測量實驗、信號系統與控制實驗、嵌入式系統設計實驗、測試系統與儀器實驗專業實驗環節來實現，在此基礎上，通過測量技術實踐項目、計量技術實踐項目和儀器與系統實踐項目的訓練，使學生掌握傳感器測量系統設計的總體思路和方法，培養基于單片機和虛擬儀器的應用系統分析和設計能力，增強學員對計量技術在工程領域中應用方法的把握。

3.綜合實踐能力：主要是使學生具備綜合運用所學知識，設計面向實際應用的測控系統或儀器的能力，包括需求分析與方案設計、測控電路設計、儀器設計等。這一部分是通過測控系統與儀器綜合實踐項目來實現。

4.工程應用能力：這是學生走向任職崗位前的重要步驟，主要通過與校外企業合作共建實習基地，構建校企聯合培養面向未來發展的創新人才的育人模式。建立校企及院系協同育人機制，由企業選派工程實踐豐富的企業技術人員為學生講課，學生在最后一學期到企業進行實習，打通學生從學校走向任職崗位的最后一環。

在這四個能力層次中，專業技術實踐能力和綜合實踐能力的培養主要依托測技術與儀器專業實驗室來實現。基于此，我們將相關實驗和實踐課程劃分為信息獲取、信息處理、信息傳輸和測試系統四個模塊來進行課程和實驗環境的建設。由此所形成的專業實驗體系結構如圖1所示。

在實驗項目的設置上，通過將一個大的系統分成上述四個模塊，由學生在不同學習階段完成相應的內容，分層推進，使得學生在完成專業學習的同時，實現一個完整系統的設計、測試、分析與改進，專業實踐能力得到全面提升。

這種分層次的體系結構緊扣測控專業學生工程實踐能力培養的核心，從點到面、從基礎到專業再到任職，循序漸進、螺旋式上升，全面推進學生實踐能力和綜合素質的提高。而模塊化的專業實踐體系則有利于進一步厘清各環節之間的關系，在頂層設計上實現課程內容統一布局，消除不同課程或環節之間存在的重復，從模塊到系統，使學生在進階式訓練的過程中不但使創新實踐能力得以提升，對專業認知更加清晰，而且有利于任職能力的培養。

四、以學生為中心的實驗教學體系

“新工科”背景下的人才培養，要突出產出導向，在學生的培養上堅持“以學員為中心”，實踐環節的設置應該從“要學生做”轉變為“學生想做、學生要做”。基于此，除了在實踐體系和課程內容設置上引導學生敢于創新、勇于實踐之外，在教學方法與手段以及實驗室環境建設方面也要突出“以學生為中心”。（1）實踐項目設置上突出產出導向，針對培養學生認知能力的需求，構建復雜戰場環境監測系統、典型裝備測控系統等實驗平臺。（2）在教學方法上，將項目教學法、研究型教學法等教學方法和手段引入專業實驗課程，引導、鼓勵學生自行設計、自主自由完成實驗內容。在綜合性實踐環節，除了教師建議的選題之外，鼓勵學生自主選擇感興趣的項目，并在教師指導下開展實驗。（3）加強實驗室的創新環境建設，完善實驗室軟硬件條件，引進先進的、能夠體現專業特色的儀器設備與軟件開發平臺，建設自主實驗室，并由教師進行指導，實行全開放，只要學生在校園網上完成注冊，就可以隨時到實驗室進行實踐，實現想做就做、想做能做。（4）將實踐教學與課外學科競賽、大學生創新項目等相結合，以賽促學、以賽促創，實現創新人才培養目標。鼓勵學生將實踐課上的作品完善、升級，通過參加虛擬儀器設計大賽、物聯網大賽、大學生創新項目等課外實踐活動或者與畢業設計相結合，課堂內外雙管齊下，培養學生學以致用、勇于創新、敢于實踐的精神，讓創新能力在實際中得到進一步的鍛煉。

五、測控技術與儀器專業實驗過程性考核體系

實踐能力的培養貫穿實踐課程的始終，實踐課程的考核不能像理論課程一樣通過一次考試一錘定音[9]。因此在測控專業實驗課程的考核中，改變以結果作為實驗成績評價標準的做法，加強對實驗過程的考察和學生綜合素質的考評。以儀器與系統實踐項目課程為例，學生在選定實踐項目以后，需要根據項目要求確定整體設計方案并論證方案的可行性，然后設計硬件電路和軟件框圖，完成軟硬件的調試，根據結果撰寫實踐報告并進行答辯。教師對課程考核的內容及評分標準如表1所示。

從表1可以看出，過程性實驗評價體系涵蓋了對學生設計方案的能力、自主完成實驗的能力、發現問題和解決問題的能力以及對實驗結果的分析能力的考察以及科學撰寫實驗報告、團隊合作、口頭辯述等綜合素質的考察，能更全面地反映學生創新實踐能力的強弱和綜合素質的高低。

六、結語

分層次、模塊化的專業實踐體系涵蓋基礎實踐、專業實踐、綜合實踐、工程應用等能力的培養，各環節之間的關系更加清晰，系統更加完善合理。同時通過構建以學生為中心的實驗教學體系和實驗環境，培養學生對專業的認知和應用能力，幫助學生適應從學校到工作崗位的變化，滿足學生任職需要。這一體系更有利于“新工科”下全面培養學生的創新實踐能力和工程素養。

參考文獻

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