理工科院校研究生理實一體化項目式教學法的改革與實踐

劉海洋 侯占峰 宣傳忠 佟鑫 閆建國

摘要：工程技術類課程作為多數理工科院校研究生培養的重要基礎課程，其目的在于加強理論與實踐的融合，全面提升研究生從事科學研究的能力。在實踐教學過程中，該類課程注重將科學研究的關鍵環節融入工程實踐當中，以技術應用和實踐操作為重點內容，強化學生對各實踐教學環節的掌握、理解與應用，使學生全方位掌握從事科學研究的基本方法與過程。本文以“計算機控制技術”為研究目標，采用理實一體化的項目式教學改革理念，探索面向工程應用的全方位綜合一體化教學模式，將科學研究基本過程作為核心和主線貫穿于課堂教學。通過該類課程的教學改革，將為研究生后續順利完成課題研究和從事科學研究工作奠定堅實的基礎。

關鍵詞：工程類課程；研究生培養；理實一體化；項目式教學；科學研究

中圖分類號：C420 文獻標識碼：A

一、概述

工程技術類課程作為研究生培養的重要基礎課程，在教學過程中，如何有效引導學生在提高理論知識水平的同時，提升實踐動手能力和從事科學研究的能力，掌握課題研究的基本方法、過程與規律等，不僅是該類課程需要解決的關鍵性問題，同時也已然成為當前高等院校工科類研究生適應新形勢、新技術發展的當務之急。本文以“計算機控制技術”課程為例，探討理實一體化的項目式教學改革理念，探索面向工程應用的全方位綜合一體化教學模式。

二、課程教學現狀研究

目前，國內多數高等工科院校的自動化、電氣工程、信息工程等專業都開設有“計算機控制技術”課程，該課程理論性和實踐性都很強，著重培養學生的創新能力和工程實踐能力，不但要求學生能夠熟悉計算機控制技術的相關理論知識，而且要求能夠將所掌握的系統分析設計方法熟練地應用到工業控制過程的各種實際場景中。然而，在實際授課過程中，往往只注重理論的分析與推導，或者在內容上以處理器為基礎過分強調計算機控制系統的設計、搭建及相應軟件程序開發，無法將該課程所涉及的理論知識轉化成相應的實踐創新能力，造成理論與實踐嚴重脫節，導致學生在課程結束時仍無法完整掌握系統的設計與分析、搭建與調試、實驗安排與實施、結果的測試與分析等相關內容。

歐美發達國家的高校對計算機控制類課程的教學活動設計與國內高校有著明顯的差異。我國將“計算機控制技術”定位為專業技術基礎課，側重書本知識和理論教育；教學活動的基本模式是教師講、學生聽；教學過程中學生的參與和師生間、學生間的互動很少。國外高校將該課程定位為工程實踐類課程，強調對學生工程實踐能力、表達交流溝通能力和團隊合作精神等綜合素質的培養；學生通過綜合型、研究型實驗過程中的實驗構思、設計、實施和操作等環節，掌握課程知識、培養獨立思考和動手能力。當然，造成這一區別的原因是多樣的。首先，開設該類課程需要提供良好的開放實驗室環境，目前我國多數高校的相關實驗室不能完全滿足實踐教學需求；其次，相較理論教學型課程，實踐類課程需要更多的學時數，必須讓學生有充足的時間思考、研究與實施，但國內該課程的學時數明顯不足；最后，需要在科研和教學方面具有豐富經驗的教授從事教學活動，將科學研究的全過程融入教學過程中。

三、課程改革的內容及目標

本文以“計算機控制技術”為研究對象，提出理實一體化的項目式教學改革新理念，即理論課程結合研究生課題研究實際需求合理安排教學內容，實踐課程采用以典型工程研究項目為依托的基于研究過程的教學方法，理論指導實踐、實踐結合應用、面向工程應用的全方位一體化綜合教學模式，旨在實現以下教學改革目標：

（1）將理論課與實踐課的教學內容相融合，加強理論與實踐相結合的緊密程度；結合研究生課題主要研究內容，總結共性部分，提煉具有典型代表性的綜合性工程應用案例，以項目式的授課方式推進理論與實踐教學內容的實施；積極啟發并引導學生對新技術、新知識的探究與應用能力的培養，鍛煉學生對科學問題的思考、分析與解決能力。

（2）轉變授課內容的重點，以學生課題研究為導向，由注重理論分析轉向新技術的應用與工程項目的具體實施；將科學研究的主要環節作為重點內容融入具體工程實踐項目當中，以技術應用和實踐操作為重點內容開展教學工作，通過加強實踐應用環節的訓練強度，強化學生對各實踐教學環節的理解、掌握與應用。

（3）完善課程評價體系，構建能夠涵蓋共性和差異性的綜合性評價模式，降低理論知識掌握程度的考核比重，采用過程考核與創新考核并重的綜合評價機制，以激發學生動手實踐的積極性和主動性，注重學生在項目實踐過程中的動手能力、自主學習能力及分析和獨立解決工程問題能力等方面的綜合表現，積極引導學生創新性與獨創性地解決實際工程問題。

四、課程改革的基本過程與方法

（一）課程改革的技術路線

課程改革與實施的具體研究路線如圖1所示。

（二）課程改革的主要內容

（1）以學生課題研究需求為導向，以培養科研水平與能力為目標，構建以工程實踐為主、理論教學為輔的創新型項目式課堂教學模式；將課程的理論知識重新進行整合，將科研項目的研究成果與教學內容相結合，面向基于工程實踐的與案例教學相結合的目標和知識體系進行教學設計。

（2）將理論與實踐的授課內容與學生的課題研究緊密有效銜接，將傳感器技術和虛擬仿真技術融入課程的學習中，加大傳感器應用方面的實踐教學內容，提高虛擬仿真技術在計算機控制系統中的應用比例，讓學生邊學習理論知識邊實踐，全面提升學生的學習興趣、系統設計能力以及從事科學研究的基本能力與素養。

（3）結合學生課題研究需求，總結、提煉研究課題的共性部分，有針對性地對實踐教學內容進行重新設計，將原有的驗證性實驗改為設計型、綜合型和研究型實驗項目；設計滿足大部分學生課題研究需求，充分體現工程項目研究全過程的綜合性典型應用案例，增設動態測試實驗內容，從項目提出、需求分析、方案論證與實施、測控系統設計搭建、控制策略研究與分析、數據分析與處理、實驗過程實施與指導以及結果分析等多方面綜合提升學生從事科學研究的整體能力與素質。

（4）結合課程需求與實踐教學改革目標，研制綜合性實踐教學設備；探索具有創新性的理實一體化綜合考評體系，將原有單一依托實驗報告的考核方式轉變為項目實施過程、完成度、創新性、操作與匯報、實驗報告與現場答辯的綜合考評模式；將面向應試學習轉變為面向工程實踐與應用的學習，全面提升學生的團隊協作創新能力、語言溝通表達能力以及學習的積極性和主動性。

（三）課程改革的主要研究方法

1.課程研究與實踐的思路

采用項目式案例教學與基于研究過程相結合的系統化教學法，針對控制系統中的電路設計、信號采集與數據處理、分析等問題，主要采用圖2所示的教學思路和方法。

授課時采用“工程項目提出－項目需求分析－方案論證與實施－項目測控系統設計搭建－計算機控制策略研究與分析－實驗過程實施與指導－項目驗收與結果分析”的教學過程。

首先，教師設計、提出以解決實際工程問題為目標的典型應用案例，并給出系統設計需要實現的具體參數要求與功能目標；其次，開展課堂討論，分析實現項目各項需求的可執行方案與項目實施過程中存在的技術難點，引出工程問題與系統構建的相關性，繼而探討工程問題的解決方法，制訂具體的實施方案；再次，對實施方案進行系統設計，選擇合適的傳感器、執行器與核心控制器等，組建測試系統，教師幫助學生判斷組建測試系統的正確與否；然后，對系統設計方案中設計的相關理論知識進行學習與分析，并對數據采集的處理與分析方法和計算機軟件等進行討論學習；最后，通過搭建完整的計算機控制系統進行測試驗證，對試驗測試標定、數據處理分析、性能參數確定等過程進行全面準確地研究分析，強化項目實施過程中涉及的相關理論知識。

2.課程研究與實踐的具體過程

課程研究與實踐實施過程主要包括以下幾個環節：

（1）任務安排：合理安排學生分組和實驗項目的分配；提供多個典型實驗設計項目，學生根據課題研究需求和設計能力選擇合適的項目。

（2）理論教學：根據學生選擇情況，教師需要在課堂上對各設計項目的設計目的、技術參數、設計要求、實驗過程和數據處理等方面的要求和實施過程進行相關理論知識的講解與分析。學生則需針對所選的設計項目查閱相關資料，初步制訂設計方案，分割設計任務。

（3）小組研討：各小組提交初步設計方案及實驗進度安排，同時和指導教師探討設計過程中存在的問題；指導教師對設計方案進行審查指導，形成合理可行的最終設計方案，并幫助引導學生解決存在的問題。

（4）項目實踐：對項目設計中的測試系統搭建、實驗測試等環節進行理論指導和實踐指導。首先，學生根據設計方案和相關理論授課內容實現系統搭建，然后，在教師的指導下完成傳感器的標定、數據采集與分析、計算機軟件設計與調試、性能參數確定等過程，逐步完成整個項目的設計任務。

（5）實踐過程綜合評價：根據學生在試驗設計過程中的具體表現（如電路設計、系統搭建與調試、實驗實施、實驗完整性、獨立解決問題的能力、實踐動手能力等）、計算機控制系統的運行情況、項目設計要求的完成情況及實施過程的創新性等對小組的平時成績進行全面綜合評價。

（6）答辯匯報：該環節要求所有成員均能基本掌握試驗的全部內容；學生需要對設計的方案、過程、結論等進行全面講解與分析，教師則根據學生在項目設計過程中承擔的主要任務，對每個成員提出若干問題進行現場作答；根據學生的匯報與回答情況對小組的團隊協作和語言表達與溝通能力進行綜合評價。

（7）報告批改：對學生提交的項目設計報告進行批改。依據實驗報告的規范性與完整性、實驗數據的準確性與可信度、數據處理與分析的合理性及實驗結果分析的準確性等對學生的研究資料的整理、分析與表述等能力與課程達成度進行全面評價，同時對課程的改革效果進行綜合評價與分析。

結語

本文以“計算機控制技術”課程為研究目標，探索理實一體化項目式教學法的改革與實施方法，對教學內容進行重組，通過提煉典型的綜合性工程案例，將從事科學研究的基本方法和完整工程項目的實施過程融入研究生教學的各個環節，強化理論知識與工程實踐相結合能力的鍛煉。該課程改革具有以下特點：

（1）轉變研究生教學思想，以提升研究生基礎科研能力和獨立實施課題研究過程為目標，注重技術應用與工程實踐相結合的教育教學改革思路。

（2）將科研項目的研究成果與教學內容相結合，開展理實一體化與基于項目研究過程的系統化教學法相結合的課程實施方案的探索與實踐，以保證課堂教學容量、提高教學質量。

（3）將新理念、新知識和新技術引入實踐教學體系，以典型工程應用案例為引導，提升學生在技術應用、方案制訂與實施、測控系統設計與搭建、數據分析與處理等方面的整體能力。

（4）探索創新性綜合評價體系，對學生能力的培養不單單局限于理論知識的掌握程度和應用熟練程度，加強對學生動手能力、分析問題和獨立解決工程問題的能力等綜合表現的評價力度，體現創新性與獨創性的重要性。

作者簡介：劉海洋（1985－），男，河南南陽人，博士，副教授，研究方向：環境控制工程與裝備智能化研究。

通訊作者：宣傳忠。