滿足學生個性化發展需求的實驗教學研究與課程建設

葛亞明，苗志懷，薛 睿，宋金華，王彬彬，紀 緯

（哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心，廣東深圳 518055）

0 引言

當前科技的發展，給高校提出了高水平建設的要求；學生的個性化發展需求，給高等教育提出了個性化教學的改革。建設滿足學生個性化學習需求的實驗課程，充分調動學生實驗積極性，鼓勵創新、個性化思維融入實驗中，正確與否都在實驗中檢驗，用實驗結果提出問題、分析問題，用理論支撐實驗去解決問題，強調實驗是檢驗理論、探索未知的最佳途徑。很多高校都在加強加大實驗環節的教學學時和教學任務，力求將理論付諸于實踐［1-15］。

充分利用實驗室設備，不斷改進、改良實驗設備，不斷研究開發具有研究性的實驗項目，從競賽、當前研究熱點中提煉實驗項目，從科研項目中提煉科創探索實驗項目，融會貫通各學科知識內容，有針對性地提高學生專注于某一方面的研究能力，引導學生深入一個領域的研究，并在該研究道路上走得很遠。讓學生在實驗中尋找到“為什么要做這個實驗”“做這個實驗的用處是什么”“哪些實驗能作為我延伸學習的基礎”此類問題的答案。

為滿足學生個性化需求角度出發，以實驗設備為中心，結合案例，探討實驗教學視頻共享資源的建設方法，進而延伸實驗設備應用，建設個性化創新實驗課程和企業創新實驗課程以及建立創新類實驗課程教學效果檢驗的評價方法。

1 實驗教學視頻共享資源建設

實驗教學圍繞設備開展，學生首先關注的是如何使用設備，使用中遇到的問題如何解決，實驗任務如何在設備上實現，因此，專注設備的實驗教學資源建設尤為重要。以設備為主角從單設備使用方法、多設備聯合開發、綜合性實驗項目等幾個方面展開實驗教學視頻資源建設。將制作的視頻資源課件發布到MOOC平臺。根據學生學習遇到的問題，不斷更新、完善課件內容。此外，配套各類說明手冊、使用攻略以及常見問題解答指南等。

1.1 單設備使用方法

例1 基礎儀器設備的使用。針對大一學生提出任務，完成一個自制直流電動機驅動電路的測試，需要用到直流電源、任意波形發生器、示波器等基礎儀器，使用基礎儀器給系統提供具有一定功率的電源、占空比可調節的方波、測試經驅動電路輸出的波形。對于大一學生來說，幾乎都沒有使用過這3 種設備，對使用中出現的問題及分析方法更是無從著手，因此，在課件資源建設中，首先給出3 種儀器設備的操作使用講解視頻，再對使用過程中的現象進行分析，讓學生學會根據測試波形分析實驗現象。例如，使用直流電源時，當顯示的電壓比設置的電壓低很多，說明外接電路有短路現象；當顯示的電流為零，說明外接電路有斷路現象，要立即停止供電檢查電路。

例2 專業設備的使用。針對大三學生的控制課程，使用直線電動機一級倒立擺設備。大三學生，經過兩年的各類基礎實驗課程的訓練，軟硬件的上手能力已經很好，因此，在課程資源準備中，除了設備的操作使用方法講解外，還應加入如何使用不同的算法去控制系統，不同算法在系統上實施的可行性，產生的實驗效果分析。例如，用狀態控制方法設計參數，使倒立擺系統達到穩定狀態。倒立擺系統有位置、速度和加速度3 個狀態，可選擇的控制方法有狀態1～3 控制，經實驗驗證，系統只有在狀態3 控制算法下，受到外界干擾時，能自動調節到穩定狀態，而在使用狀態1、2 控制時，系統會在一定范圍內達到臨界的準穩定，也就是在穩定位置有一定幅度的波動，所以，必須要先將直線電動機擺放到中間位置，以備有足夠的調節距離，另外，在扶起擺桿的時候，動作要慢，待擺桿穩定后才放開手，這樣，系統更容易找到穩定點。根據各種實驗現象，再讓學生去反推理論的狀態反饋參數，反復實驗，逐步加深對理論知識的理解。

對于工科的學生來說，課程大綱中除了C 語言，幾乎沒有觸及其他的軟件，實驗課程中使用到的軟件，均需學生自學，建設的共享資源，能夠彌補這一點。由于資源是以實現一個完整的實驗項目為導向去講解軟件的操作與使用，將使用該設備的軟件架構描述清清楚楚，清晰標注需要學生編寫的軟件代碼部分，提示調試中出現的錯誤如何應對，讓學生通過這樣的資源全程學習，可以應對實驗任務，并能有效地掌握軟硬件知識。

例3 ROS 移動機器人控制的軟件資源建設。ROS（Robot Operating System）是機器人操作系統的簡稱，是用于編寫機器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構，在Linux系統下使用，學生首先需要熟悉Linux系統，再熟悉ROS，這一類的學習資源在B站上有一些經典的資料，可以提供給學生自學。以移動機器人的建圖導航為實驗案例進行資源建設，首先測試底盤串口、雷達、攝像頭等硬件。以筆記本電腦為主控制器和操作臺，讓筆記本電腦通過USB 串口方式找到這些硬件，并使用筆記本電腦分別測試移動機器人底盤運動及數據、雷達數據、攝像頭數據，以此了解移動機器人各個硬件組成部分是否正常；接下來，利用鍵盤或遙控手柄控制移動機器人在實驗場地運動，對場地進行地圖構建，這部分讓學生了解使用激光雷達建圖的方法，熟悉軟件關鍵代碼的架構；最后，使用Rviz軟件打開建好的地圖，找到移動機器人在實驗場地的確切位置，給定目標點讓機器人運動，此部分內容讓學生了解避障、路徑規劃的關鍵代碼，指導學生可以在哪里修改代碼，使用自己的優化算法去規劃機器人運動路徑。學生熟知這一過程后，會有一個整體的概念，捕捉到涉及的知識點后，再根據需求去尋找更為具體的知識點進行補充。

1.2 綜合性實驗項目開發

開發綜合性實驗項目就是拋開以某一門課程的實驗需求為目的來使用設備，而是以設備能做哪些實驗，能應用到哪一知識領域為目的來開發設備，提高設備利用率吸引學生接觸設備，使用設備。

以直流伺服系統設備實驗項目開發為例，分別開發了力矩環模式下和速度環模式下的時域分析、根軌跡分析、頻率特性分析、PID校正、根軌跡校正、頻域法校正、狀態反饋控制等實驗項目；從系統分析角度開發了不同轉動慣量下PID 參數的調整、干擾對位置環和速度環的影響、系統的建模與分析等實驗項目，其中，力矩環實驗迎合了機械專業的需求，速度環實驗滿足了自動化專業的需求，系統分析實驗給系統建模與仿真課程提供了可行性，可對系統進行辨識與建模。

1.3 多設備聯合開發

為了尋求設備使用或開發的多樣性，探索多種設備之間的綜合交叉使用渠道，在實驗過程中，充分利用實驗室設備，將設備的功能開發到極致，為學生的課題研究、大作業等實踐環節提供一種思路和方法。

以dSPACE公司的數據采集與控制設備的應用開發為例，開發了XY 平臺、埃夫特機器人、四旋翼飛行仿真系統。XY平臺和埃夫特機器人屬于運動控制范疇，運動軌跡規劃、速度規劃在算法上可以通用，四旋翼飛行仿真系統使用的電動機及驅動機構與XY平臺和埃夫特機器人類似，從電動機控制方法上可以相互借鑒。另外，數據采集與控制設備被稱為是一種萬能的控制器，開發不同的設備，只需解決接口以及算法設計問題，免去了學習不同專用軟件所花費的冗長時間。

1.4 探索類研究課題開發

教學的目的就是為了應用，學生在以后的工作崗位或研究領域，能夠用到實驗教學中的相關內容，是實驗教學的最高目標。因此，在實驗教學資源建設中，開發一些研究性的實驗項目，為學生提供一種使用實驗設備進行科學研究的思路。

以動態捕捉系統設備開發使用為例，該系統用于捕獲任何可運動的物體的位姿，獲得角度和位置信息，多用于無人機、機器人、無人車等運動物體姿態的捕捉。動態捕捉系統可以作為其他系統的位置傳感器，如調試無人機，拋開視覺傳感器，利用動捕獲的位姿信息，實時控制無人機的飛行，動捕系統會記錄此次飛行過程的數據信息；通過解算動捕記錄的數據信息，拋開動捕系統，使用攝像頭作為反饋，控制無人機的飛行，通過調節PID參數，使無人機的飛行準確性達到與動捕系統的位姿相吻合。做了一個無人機投放物品到行進中的車上的研究案例，用到的實驗室設備有動捕系統、無人機、移動機器人，無人機的位姿數據由動捕系統實時提供，電腦實時解算該數據，并控制移動機器人運行，無人機追蹤移動機器人進行投放物品。

2 個性化創新實驗課建設

創新實驗課是為滿足學生個性化需求開展的一門可修創新學分的課程，課程建設的內容要區別于課內實驗，面向有自主研究能力、有精力深度學習的學生，選課不限制學生的專業。創新實驗課課題大都來源于各個專業方向的研究熱點，或者是從教師科研項目中提煉的子任務以及從各類競賽中凝練的高于競賽研究深度的課題。

創新實驗課的開展，給本科生提供了一條通往創新的探索之路，教師提供方向指引、研究思路、研究方法以及必要的設備和耗材，與學生定期開展小組討論，共同解決遇到的問題，推動學生獲得一定的高于本專業大綱要求的技能。課程的內容隨著一屆一屆學生發現的問題以及學生的感興趣點，逐步更新和完善。

以無人駕駛智能車設計與控制創新實驗課建設為例［16］，課程最初以智能車競賽為切入點，并融入當前無人駕駛汽車控制的研究熱點，構建了無人駕駛車機械結構設計、ROS 軟件的開發、交通環境識別、避障、車輛編隊控制5 個實驗子模塊。車模機械結構設計采用阿克曼、全向輪結構、差速輪結構，機械結構設計得好壞決定了控制效果的優劣，在學生選課面試環節，有意識讓學生軟硬件偏好的互補搭配成立研究小組，各有專攻；ROS 軟件的開發，是需要全體學生掌握的內容，以授課和實驗相結合的方式進行；交通環境識別和避障，學生可二選一，以課題研究形式進行。交通環境識別，以攝像頭為主要傳感器去識別車道線、紅綠燈、路邊標識物等；避障，以激光雷達為主要傳感器去構建地圖，規劃路徑，避開障礙；車輛編隊控制，作為全體選課學生配合完成的項目，車輛間交互信息或車輛間相互協助，完成規定的隊形或指定的任務。

選定ROS 移動機器人作為課程的前期學習基礎研究設備，使用該設備，學生不僅可以了解硬件基本架構，還可以熟悉ROS下各類傳感器消息的獲取與信息處理、信息發布等。學生在熟悉了這些硬件、軟件的基礎后，開始自行研制機械結構，自制車模，再將軟件移植到新制車模上反復調試，最后達到課程的預期目標。此外，利用動態捕捉系統獲取數據，可方便完成車輛編隊的控制。

課程選課采用面試方式，我校很多專業，在大一年級就開設動手實踐課程以及大一立項，經歷這樣的實踐訓練，會有一批學生脫穎出來，他們對此類創新實驗課程需求最大，選此類課程的人數也比較多。但創新實驗課是小眾化的授課方式，建議選課人數不超過設備的配備數，能夠保證1 人1 臺設備，確保每個人都能完整地做完課程要求的任務。

3 校企合作式企業創新實驗課建設

實踐教學與企業相結合，能無縫地將企業的需求與教學內容相貼合，讓學生懂得學有何用，學該如何用，以應用促進實踐教學的發展，推動學生實踐成果的產出，理論與實踐相結合，在實踐中深化理論教學內容，激發學生學習理論的熱情和興趣。

企業創新實驗課是以企業工程師主講、實驗教師輔助的創新實驗課程，該課程的教學大綱、教案、講課資料、教學日歷均由負責該課程協調的實驗教師協助完成，再經學校審核及對企業主講工程師的試講評定后，方可開出此課程。此類課程建設的目的是與企業深度接觸，讓學生所學更接近未來的工作應用，更重要的是填補學生授課大綱之外的、使用又很頻繁的知識，而這些知識適合以一個硬件平臺為基礎去展開學習。

以機器人創新綜合實踐企業創新實驗課的建設為例，課程以智能物流分揀為應用背景，提煉出6 個實驗項目進行授課——基于激光雷達的SLAM 算法及實踐、基于激光雷達的路徑規劃算法及實踐、基于MoveIt！的機械臂編程以及定點物體抓取、使用python構建神經網絡模型、基于卷積神經網絡的印刷體識別、模擬物流分揀。這些授課內容在學生的教學大綱中是沒有的，但是這些方法是當前控制移動機器人使用最為廣泛的方法，也是行之有效的方法。設備采用企業提供的移動機器人作為底盤，加裝學?，F有的三自由度機械臂。

課程建設過程中，授課內容、授課學時、講解環節與實踐環節的時間分配、授課的方式方法、考核評價標準是非常關鍵的部分，需要與企業講師不斷溝通，細化教學文件，反復試講，尋找到一種最為適合的方案，并預測學生在學習過程中會遇到的問題，做出預案，以備授課時應對。這一環節需要實驗教師專門對接，協助反復修改教學材料。授課過程中，實驗教師全程跟蹤，輔助授課，對于講授過程中學生難以理解和掌握的內容，會做出相應的教學方式、方法上的調整。此外，企業講師在課后答疑環節也很重要，及時給學生答疑解惑，讓實踐環節能順利地進行。

4 實驗效果檢驗的評價方法

創新實驗課注重的是實踐環節，目的是讓學生會用設備的同時，能完成教師布置的小任務及大作業任務，因此，評價重點包含幾個環節：課內小任務考核、大作業中期考核、大作業期末考核、答辯環節及研究報告。

課內小任務考核，為了讓授課內容比較集中，采取全天授課方式，上午集中講解，下午布置小任務，讓學生自行完成，并當場記錄成績，此部分占30%。

大作業考核，大作業是在授課結束之后布置的綜合性任務，考查學生對課程整體的理解與應用情況，分中期和期末兩次進行考核，占比40%。學生在完成大作業期間，教師根據學生需求安排多次答疑，以促進學生的完成度。

答辯環節是考查學生對課程整體認識度和理解度的重要一環，學生在表述過程中，重點關注邏輯思維、對知識理解的深度、對遇到問題的解決方法、對課程的評價以及對課程延伸拓展的期望等，并按照這些方面分項打分，占比15%。

研究報告占比15%。要求學生以發表文章的格式去撰寫研究報告，旨在鍛煉學生的寫作能力，并學會將自己學到的知識轉變成知識成果，訓練富有嚴謹性、科研性的思維。

5 結語

目前，已經在MOOC 平臺上建設了一門綜合性的課程——自動化專業實驗課程綜合，將自動化專業實驗涉及的設備使用方法、可開發的實驗項目、應用案例等以視頻形式共享給學生，要求學生課前預習一遍相關視頻，節省了授課時的講解時間，同時，更提高了學生對設備的使用效率和熟悉程度。創新實驗課和企業創新實驗課的開展，滿足了學生個體化需求，促進了一部分學生積極投入競賽、科研、各類立項等工作中，同時，這些學生也帶動了一部分未參加此類課程的學生加入到創新學習中。