基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗教學方法改革研究

褚 菲 ，云 霄 ，莫雙雙 ，尤富強

（1.中國礦業大學信息與控制工程學院 江蘇 徐州 221116;2.東北大學信息科學與工程學院 遼寧 沈陽 110819）

隨著科技革命與產業變革的深入發展，國家和企業對大學生的需求不僅僅是掌握單一學科的傳統型人才，更希望獲得有多門學科交叉融合發展，有系統思維的專業型人才[1-2]。高校應更加重視培養學生解決工程問題的能力，不斷完善和提升實驗教學內容，把具有實際應用背景的工程課題引入課程實驗，使學生在教學實驗中掌握基本方法、技能，鍛煉解決本學科領域中工程問題的能力。本文在基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗教學經驗的基礎上，提出了一系列探索創新，以提升專業性實驗教學的效果和質量，鍛煉學生創新、實踐的能力，實現創新型人才培養目標。

1 課程的現狀

近年來，隨著5G、物聯網、大數據、人工智能、云計算等新技術新興產業的迅猛發展，國家和企業對新型人才的需求十分迫切。與此同時，我國創新型人才的結構存在不足，缺乏世界級別的科技大師、領軍人才和尖子人才，且工程技術的人才培養與實際生產和創新環節脫節[3-4]。因此，黨的十九大報告提出創新驅動發展戰略，培養具有國際水平的戰略科技型人才、科技領軍人才、青年科技人才和高水平創新團隊。2017 年，教育部在新工科建設中先后奏響了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，啟動和部署新工科建設。隨后，出臺《教育部、工業和信息化部、中國工程院關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0 的意見》，從理念、結構、模式、質量、體系等方面全面深化工程教育改革[5-7]。經過新工科研究者與實踐者的探索，新工科的改革已經取得了成效，形成一些可推廣的新工科建設模式，達成新工科人才培養的共識。

“基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗”是基于STC 單片機平臺設計，以加熱銅塊和直流伺服電機為被控對象進行開發，是一門在高校自動化、電氣工程及其自動化等專業的課程體系中旨在培養學生創新能力和提高專業素養的實驗課程，是理論與實踐密切結合的有效環節[8]。傳統實驗課程多為基礎驗證性實驗且實驗內容之前關聯性不強等，該課程又不同于傳統實驗課程，是基于項目教學的綜合實驗教學方法，以完成實驗內容和解決問題的多維互動式實驗教學[9]。通過基于項目教學的綜合實驗方法的訓練，學生可以體驗到從組織安排到完成實驗的過程，從而可以培養創造性實踐和解決問題的能力。

2 教學過程中存在的問題

2.1 學生對實驗教學的重要性認知不足

傳統的實驗課大多附屬于理論課中，一般為6 或8 個學時，實驗課占比少，使學生養成了一種重視理論課程而忽視實驗課程的思維。另外，受應試教育目標的影響，學生在寫實驗預習報告時，只是將實驗目的、原理、步驟、注意事項等主要部分根據實驗指導書進行謄抄，沒有了解實驗中被控對象的結構、工作原理及實驗操作的步驟。同時，紙質版教材是一種靜態的閱讀體驗，對于實驗操作部分敘述太單調，僅有文字和圖片，缺少現代電子教材文字圖片數字化、仿真及模擬的優勢，使學生對實驗缺乏足夠的關注，結果造成對實驗操作的參與度極低。對實驗教學的重要性認識不足，使得學生投入的精力較少，不利于學生個性的發展和創新力的培養。

2.2 實驗的考核模式單一，反映不了真實成績

傳統實驗考核工作流于形式，模式單一，不僅影響實驗考核，也影響教學過程。教師對學生考核評價大多數是在實驗課程結束后進行，主要是根據學生的預習報告、出勤率和實驗報告進行綜合評定。這種考核方式缺乏實驗細節觀察、缺少學生個性化培養，也難以滿足工程認證中“以人為本，以學生為中心”的人本主義教育思想的目標要求。

2.3 過分依賴現有的資源

由于項目驅動的綜合性實驗復雜，涉及的程序較多，為了免去學生編寫煩瑣的底層程序，進而對系統建模、參數的整定及控制器的驗證與設計更加專注，程序大多數由實驗平臺的程序包所替代，因此在實驗過程中很多程序無須學生親自動手，只需要按照指導書的步驟調整參數，而學生在操作實驗中不用理會其中的底層程序原理，也能得到想要的結果。很顯然這種教學模式降低了實驗的難度，結果使學生對實驗系統過程缺乏整體的認識，理解僅停留在調整參數上，不考慮其中的原理，導致學生的創造能力得不到提升。

2.4 實驗的內容單一，缺乏研究性設計實驗

大多數教師在實驗開始之前，簡單地對實驗目的、實驗原理、操作步驟、數據分析等進行說明，學生只需要按照實驗指導手冊提供的實驗，并按照一定步驟按部就班地完成操作，最后完成實驗報告的撰寫。缺少利用系統開發具有特色的實驗，使得整個實驗體系過于形式化，忽視學生的主體作用。實驗體系的僵化，學生缺少理論結合實際的研究性環節，不利于強化對理論知識的認識。

基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗雖然在一定程度上有培養學生解決復雜過程問題的能力，但由于以上總結的各種不足，導致學生對整個過程缺乏思考，影響了學習的積極性，實踐技能也無法得到鍛煉。為了更好地開展基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗課和提高實驗課程的教學質量，提出了對此實驗教學方法的改革研究。

3 基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗教學改革措施

3.1 巧妙融入思政元素，提升文化自信

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調：要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[10]。為認真貫徹落實習近平總書記重要講話精神，將思政教育融入專業實驗課程中，實現立德樹人的最終目標[11]，在課程開始時結合某個時政內容做一些引導，將課程思政中的“思政”內容與實驗的背景、內容，巧妙自然地結合在一起，使學生在無形之中受到思政教育。在實驗課程教學中巧妙融入思政元素，既能夠以較快的速度將學生引入本堂課程內容當中，又潤物細無聲地將愛國主義教育與愛國情懷融入專業知識，使學生適應未來新興產業和新經濟需要，成為胸懷科技報國理想，勇擔民族復興大任，共創人類美好未來的卓越工程人才。

3.2 充分發揮主導調控作用，提高對實驗重要性的認識

紙質實驗指導書對實驗操作部分的敘述太單調，僅有文字和圖片。而隨著互聯網的發展普及，電子書方便快捷，信息容量大，并且體現形式更加豐富，可以有圖片、聲音、影像等。為了培養出適應現代高等教育發展要求的創新型人才，滿足工程認證中“以人為本，以學生為中心”的人才培養要求，因此，對實驗教材進行改革設計，將便攜式計算機控制實驗資料通過電子教材發放。老師在開課前需要把學生資料包拷貝給學生，包括實驗設計手冊，演示視頻，學生安裝軟件包等。學生在上實驗課前根據實驗操作手冊與演示視頻的要求認真預習，了解便攜式實驗系統所需軟件以及實驗系統的整體結構，熟悉實驗中被控對象的結構、工作原理、操作的步驟及復習與本實驗相關的理論知識，最后形成支撐實驗的預習報告。根據預習情況，老師首先講解該實驗可以滿足的社會需求以及其應用價值，從心理上激發學生的學習興趣，然后聚焦實驗的重點、關鍵點和注意點，使學生對理論知識的認知從感性過渡到理性。其次，使學生了解該課程在教學體系中的作用，明確該實驗課程的重要地位等，充分發揮好主導調控作用，提高學生對實驗課的重視。另外，需要制訂相應的實驗教學考核與成績評定的標準，進行綜合的評定。實驗考核的內容包括：實驗預習、實驗操作（包括選做實驗）、實驗態度和表現、實驗記錄、實驗報告等。需要特別注意的是，只上交實驗報告，未參加實驗其他環節，實驗成績是無效。

3.3 形成分層次教學，增加自主創新實驗的力度

增加研究性實驗，形成分層次教學。立足于學生的實際情況，針對不同層次學生的接受能力，在實驗內容上，除了5 個必做的實驗項目外，還提供2 個選做實驗項目，學生可以結合實際情況，選擇實驗的內容。必做實驗是系統模型辨識實驗和基礎性實驗。系統辨識實驗是通過實驗加深對被控對象的理解以及體會參數變換對系統的影響，基礎性實驗是通過實驗了解控制系統的組成，以及PID 參數各項參數的作用等。選做部分主要引入了研究性實驗設計教學內容，其目的是自行開發設計算法并實驗，完成對控制系統的仿真分析及實時控制研究。在實驗過程中老師對學生提出的問題不必及時給出解決辦法，要善于鼓勵不同小組之間合作，給予學生發表意見的機會，激發學生的科研熱情和創新思維。

3.4 創造有利條件，實現實驗室開放式管理

由于實驗過程中的突發狀況，導致實驗的進度慢或實驗結果不滿意，允許學生可以重新進行實驗，同一個實驗也可以實驗多次，充分利用資源解決實驗過程中導致結果不理想的問題，鍛煉學生分析、解決問題的能力；另外，還可以發揮一下實驗資源優勢，在完成必做和選做實驗的同時，鼓勵學生參考相關資料，提出其他實驗的想法，自主設計完成實驗，從而由綜合性實驗轉變為設計性實驗。設計優秀作品可以借鑒作為下一年的選做實驗，讓學生充分體驗開發的樂趣，也使課程內容處于前進更新的狀態。

4 結語

基于便攜式實驗箱的控制綜合實驗作為高校自動化、電氣工程及其自動化等專業課程體系中的核心課程，對學生提高應對工程項目能力，成為高素質工程科技人才具有十分重要的作用。針對該實驗課程中存在的學生認識不充分、過分依賴現有資源、實驗內容單一等一系列問題，提出了相應的改革措施，從而更好地鍛煉學生觀察、分析和解決問題的能力，培養學生的創新精神，在后期的實踐教學過程中，也取得了一些反饋與教學效果。但隨著對專業型的高素質應用人才需求不斷增加，培養適應社會需求的專業型人才，還在不斷探索的過程中，仍需要進一步完善。