面向測控技術與儀器應用型人才培養的實踐教學環節建設研究

李公法 周興林 陶 波 王 濤 楊 丹 趙梓辰

（[1]武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室 湖北·武漢 430081；[2]武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室 湖北·武漢 430081；[3]武漢科技大學機械國家級實驗教學示范中心 湖北·武漢 430081）

在十九大報告中，習總書記提出“優先發展教育事業，加快一流大學和一流學科建設，實現高等教育內涵式發展”，同年，新工科研究與實踐項目正式啟動。在這一背景下，由學科導向過渡到產業需求導向，這種轉變更是測控技術與儀器專業需要實現的。按照新工科的建設要求，測控技術與儀器專業在培養學生時，應突出學生能力的培養，將能力培養作為學生專業學習的目標。近年來，本科生人數不斷增加，為了保證本科生的培養質量，培養高層次的創新型應用人才是我國高校當前的重要任務，對本科生的培養環節設計應該與時俱進，不僅僅著眼于學科要求，提升綜合實力，培養實踐創新力才能更好地適應時代發展的要求。本文將以測控技術與儀器專業研究人才培養為背景，從實踐教學環節存在的問題、差異化多維一體化的完成創新平臺建設和改革成效三個方面進行探討。

1 實踐教學環節的現狀

近年來，隨著國家“工業4.0”和“中國制造2025”等重大舉措的實施和推進，更加需要加快創新應用型測控技術與儀器的人才培養。測量、控制和儀器儀表是實現中國制造業數字化、網絡化和智能化的關鍵所在。在長期的教學經驗積累的基礎上，我校機械自動化學院于2016年開設測控技術與儀器專業，培養適應我國智能發展需求和富有創新能力的應用型人才。然而，隨著人工智能、大數據等新一代信息技術的飛速發展，傳統的培養過程往往不盡人意，所以亟須在培養模式方面實行全方位差異化培養，在滿足不同時期和不同階段的教育需求下，建設多維一體化的實踐創新平臺。

1.1 學科交叉不夠深入

本科教育階段更加注重專業知識的學習與科研能力的培養，因此出現了專業知識扎實，但知識面不夠廣泛的情況，傳承式的教育方法使得學生缺乏創新力，相對較窄的知識面導致了學生的思維局限性，由于受學科邊界的限制,科學研究時會受限于某一理論和相關方法，創新思維很難得到系統提高。目前，學科的發展趨勢是各學科交叉滲透，多學科融合發展。在本科階段，要圍繞培養需求進行放射式延伸學習，從而拓寬知識面，有效開展實踐創新。

1.2 實踐教學模式不夠豐富

在測控技術與儀器專業中，實驗教學模塊大都是驗證性實驗，以各自課程為主，各個課程之間的理論聯系情況極差，實驗課程之間的聯系更是沒有綜合化。這種單一的驗證性實驗，雖然可以訓練學生動手能力和鞏固相關的理論知識，但是從長遠的角度考慮，這種片面的方案，不利于學生構建系統的、完整的知識框架，對其創新能力的培養也是微乎其微。

傳統的驗證型實踐環節過度依賴于理論課程，為了滿足實驗操作的準確性與規范性，在實驗內容的設計上，往往有著完整且過于詳細的實驗步驟，教師進行演示，學生進行模仿，學生即使不加思考也可以大致達到實驗目的，這樣很容易導致學生的思維“同一化”。與此同時，單一的教學模式，不僅限制了對學生自主學習和創新能力的培養，學生的綜合素質能力也得不到鍛煉與提高。

1.3 實驗平臺搭建不夠綜合化

對測控技術與儀器專業的學生來說，實踐創新能力是不可或缺的，同時也是培養目標之一。因此，搭建信息化、網絡化和智能化的綜合性實踐創新平臺十分重要。測控技術與儀器專業是一個多學科融合交叉的專業，實驗項目集光、機、電、算為一體，學生如果在沒有經過虛擬仿真操作情況下直接進行實踐，很容易操作失誤，導致設備損毀，嚴重還可能造成人身傷害。同時這一因素還會使學生有所顧慮，不敢大膽的動手嘗試，這將大幅度限制了實踐創新能力的培養。

2 差異化多維一體化的實踐創新平臺建設

針對上述問題，基于我校的冶金特色和智能制造對測控的需求，培養測控技術與儀器專業學生的“卓越”素質，機械自動化學院建立了差異化多維一體化的實踐創新平臺（見圖1）。

圖1：差異化多維一體化的實踐創新平臺建設

2.1 提出明確階段規劃

2.1.1 實踐方向清晰化

在不同階段，需要將知識問題實例化，將相關知識與實際問題充分融合，盡可能使其情景化，因為同一問題在不同環境下，表現也會有所不同。在實踐教學環節的安排上，要以整合優質教育資源為目的；高校應著重考慮學生的興趣方向，設計與之相匹配的實踐環節。學生可以參與教師的實際課題，借此提高查找學術資料、提煉科學問題并提出解決方法的科研實踐能力。

與此同時，在實踐教學環節可以引入3D打印技術，得益于3D技術的快速呈現優勢，實踐者的方案可以及時得到具體反饋，正因如此，學生也更愿意去嘗試制定個性化方案，進而營造更加良好的教學氛圍。與此同時，在建模期間會有一定的材料消耗，這一因素對學生綠色思維的培養也會有一定的提高。

2.1.2 校企結合，多學科交叉實踐

跨學科實踐創新與解決實際問題是21世紀重要的學習能力。一個學科往往與多個學科發生聯系。目前的研究隊伍大多數是在行政體系的約束下建立的，不同學科的研究課題有時也會密切相關，但是由于所屬不同行政院系，在交流上難免會有不便，這對于科學技術的發展十分不利。因此，課題組的成員需要不同專業，在科研實踐中，團隊成員合作交流，在已有的知識儲備上，通過這種方式，學習新的知識。

與此同時，應該加強校企之間的合作，為學生提供貼合實際和前沿的實踐機會，例如面對企業課題，不同階段的學生可以相互結合，明確分工，解決企業面臨的問題和挑戰，使所學知識得到更好的實踐。

2.2 差異化多維實踐教學

2.2.1 全方位培養差異化

以優化人才培養體系為目標，在理論知識傳授與實踐教學環節中，融入差異多維的培養理念。針對學生的興趣程度和個人職業規劃的不同，進行差異化多維一體的實踐教學；為滿足不同學生的培養目標，授課教師應以社會需求為引線，面對不同的項目，采用偏向理論知識或工程應用的方法解決問題。將項目需求貫穿于理論和實踐的教學應用中，使學生實現由被動接受到主動探索的轉變。

與此同時，積極開展實踐教學，增加研究性實驗所占的比例，盡可能減少老師的示范工作，鍛煉學生的自主性和創造能力，促進實踐教學與科研實踐的更好結合。針對所學的某一知識，進行自主思考，并結合實驗室設備獨立設計實驗，可以將其作為檢驗學生動手能力的指標，同時還可以更好地幫助學生理解基礎知識，掌握基本實驗技能。通過建設科研實驗室，不但使學生的動手能力、分析和解決問題的能力得到了大幅提高，還是進行實踐創新探索的重要途徑。

2.2.2 充分利用科研競賽

測控技術與儀器專業和工程實踐有著緊密的聯系，對于學生來說，由于比賽涉及范圍廣泛，各種要求與標準各不相同，因此能夠更為全面的提升自己的實踐能力。除技術專長外，業界還要求畢業生具備廣泛的專業技能，包括溝通、團隊合作、領導才能和創新能力。面對不同的賽題，既鍛煉了創新能力，又可以憑借比賽來夯實相關的專業理論知識，提高團隊協作能力，積累豐富的比賽經驗，錘煉科研功底。學生可以在比賽中發現不足，使科研實踐能力得到有效的提高。

在實踐教學中，應高度關注所采取的教學行為，考慮是否能促進學生主動參與。考慮到一些學生擔心自身能力不足，對比賽望而卻步的現象，為滿足學生多樣化的學習要求，將比賽納入相關課程，由教師將比賽內容進行充分理解，并從中篩選、簡化出符合基礎學生的內容，讓學生以小組為單位進行討論，開展實踐設計，從而增加專業的趣味性，引發學生的思考，在這一過程中還可以鍛煉學生的科研實踐和撰寫材料的能力。

2.3 實踐環節虛實綜合化

信息技術如此發達的今天，如果不使用信息和通信技術，這是對資源的浪費。近幾年，本著“虛實結合、相得益彰”的原則，虛擬仿真技術已被多所高校應用到理論實踐教學中。機械自動化學院具備良好的行業合作基礎和完備的軟硬件條件，我院目前擁有國家級機械實驗教學示范中心，冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，機械傳動與制造工程實驗室，湖北高校省級示范實習實訓基地、博士后創新實踐基地，能夠為平臺的開展提供充足的保障。

2.3.1 開展智能測控虛擬仿真實驗

考慮到實際實驗的多種限制，為保證實踐教學與學生安全，設計開展虛擬仿真實驗，可以實現實驗者與虛擬實驗環境的可視交互，幫助學生進一步理解復雜的科學問題，同時為教師提供一個全新的智能實驗教學平臺，使人才培養模式更加網絡化、差異化、科學化。例如在減速器的設計上，學生先是進行理論計算，然后依照裝配的流程，依次將計算出的參數輸入到NX軟件中，借助軟件，學生可以將得到的數據很快的實例化，通過這一虛擬交互環節，大大提高了學生的學習興趣，在實踐教學上也可事半功倍。

在疫情期間，為了滿足實踐教學要求，同時解決實驗條件不足的問題，采取開展虛擬仿真實驗的方法，進行“云實驗”，借用人機交互等方法模擬實驗場景，可以達到實驗多樣化，同時也具備很好的可控性。

2.3.2 開放科研實驗室

由于課堂時間有限，積極性高和基礎好的學生，在完成課內實驗后，很難有機會進行自主實驗。所以在滿足正常實驗教學的基礎上，開放科研實驗室是很有必要的。同時結合互聯網搭建實驗室網絡預約系統，鼓勵學生跨學科自主選題進行研究，學生可在實驗前通過平臺預習、進行虛擬仿真，并預約實驗室進行自主實驗。

在虛擬實驗過程中，教師與學生可以進行線上的互動指導，實驗結束后，指導教師可以根據學生的實驗操作過程和學習態度進行打分，同時學生也可以對教師的指導方法進行評價，以實現對實驗教學的反饋修正。

3 教學成效

調查結果表明，建設此實踐創新環節的舉措是行之有效的。學生在學習上的主動性得到了增強，對相關知識的理解也更加的透徹，幾乎每一名同學都可以找到適合自己的學習實踐模式。通過自主設計實驗，學生有機會驗證自己的想法，由被動接受開始向主動學習轉變。我院學生獲國家級、省級大學生創新創業訓練計劃項目14項，在中國大學生起重機創意大賽、美國數學建模大賽、亞太區數學建模大賽等省級及以上科技競賽中成績突出。發表論文30多篇，專利的質量也有了顯著提高，獲得授權發明專利20多項。

與此同時，實踐環節實現系統化，對學生工程素養的提升有了很大的幫助。實驗由簡入繁，由基礎到綜合，循序漸進，不僅實際動手能力得到了鍛煉，學生的思維創新能力也有了很大的提高。在不同階段下，差異化多維一體實踐創新平臺的建設，讓每一名學生都能得到更好的培養，使其在畢業時具備更好的綜合素質，更具競爭力。

4 結束語

本文以測控技術與儀器專業為背景，針對本科生教育階段的培養需求，提出了基于不同研究領域和階段，以培養創新型應用人才需求為目標的實踐創新環節。通過建設科研實驗室，形成科研與教學相互作用和轉換的良性循環，同時鼓勵學生自主選題，實現差異化教學，提高大學生整體實踐水平，使優質的教育資源得到整合，人才培養體系得到進一步優化。教學實踐表明，這一差異化多維一體實踐創新平臺的建設，更好地促進了本專業人才的培養，主要體現在學術科研和科技競賽上，獲批專利和比賽獲獎人數有著顯著提高，工程實踐能力、創新能力和團隊協作精神都得到了很好的鍛煉。通過建設研究實踐教學環節，實現應用型人才培養，滿足產業需求導向的需要。