新工科背景下自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)踐

吳家榮，廖義奎，馬伏花，韋峻峰，王擎宇

（廣西民族大學(xué) 電子信息學(xué)院，廣西南寧 530006）

為適應(yīng)新工科背景對(duì)人才培養(yǎng)的需求，具有扎實(shí)理論知識(shí)基礎(chǔ)、較強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力、敢于創(chuàng)新的高端綜合型人才是未來(lái)人才的培養(yǎng)目標(biāo)[1-4]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為工科專(zhuān)業(yè)的必修環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的重要方式之一，其與理論教學(xué)相比具有更豐富的內(nèi)容、更鮮明的直觀性和更加突出的創(chuàng)新性及綜合運(yùn)用性，對(duì)培養(yǎng)全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的高端創(chuàng)新型人才具有現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。

自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)作為工科主要專(zhuān)業(yè)之一，在工程應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[7-8]。學(xué)生不僅要對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，更要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[9]。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隨著高校課程的改革、課時(shí)的縮減等因素，導(dǎo)致難以提升教學(xué)質(zhì)量[10-11]。隨著教育教學(xué)改革的不斷深化，如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)授課內(nèi)容，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力及激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，是高校推進(jìn)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的重要研究方向[12-14]。

1 存在問(wèn)題的原因

針對(duì)以上問(wèn)題，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中不斷對(duì)授課學(xué)生進(jìn)行調(diào)查分析及評(píng)價(jià)總結(jié)。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)現(xiàn)：學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了很多自動(dòng)化課程知識(shí)，同時(shí)也在實(shí)驗(yàn)室完成了很多相對(duì)應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)，但在各種競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)、研習(xí)周、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)等知識(shí)綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)中，所呈現(xiàn)出來(lái)的知識(shí)綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)還是有所欠缺，其原因主要有以下幾方面。

1.1 重理論輕實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式“以知識(shí)為本位”，強(qiáng)調(diào)以教材為中心、以教師為中心、以課堂為中心。教學(xué)過(guò)程以原理知識(shí)為主，應(yīng)用技術(shù)少有提及，課堂上注重基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)，忽略對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力的培養(yǎng)。部分教師將實(shí)驗(yàn)課當(dāng)成理論課，大量講解教材知識(shí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，過(guò)多占據(jù)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等環(huán)節(jié)均未深入理解，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不合理

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大量使用實(shí)驗(yàn)箱，其開(kāi)發(fā)能力較弱，僅能完成一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的具體實(shí)現(xiàn)方法、設(shè)計(jì)原理了解較少。有些學(xué)校每個(gè)學(xué)年均開(kāi)設(shè)研習(xí)周，其中包含實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)物制作環(huán)節(jié)，但由于學(xué)生平時(shí)實(shí)踐能力較弱，缺乏經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)元件損壞或電路板燒壞等情形。為了避免這種情況的發(fā)生，有些教師以實(shí)驗(yàn)箱代替進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的驗(yàn)證，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

1.3 知識(shí)綜合應(yīng)用受限

自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)往往與某一門(mén)理論課程相對(duì)應(yīng)，如自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容通常僅與之相對(duì)應(yīng)的理論課程相關(guān)。學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，僅能實(shí)現(xiàn)原理性、概念性、理論性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生雖然在操作過(guò)程中能學(xué)到一些該課程的理論知識(shí)，卻難以與其他課程相關(guān)聯(lián)。此外，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中很少就某個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及與之相關(guān)聯(lián)的其他課程知識(shí)進(jìn)行過(guò)多講解，導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用存在很大的局限性。

鑒于以上情況，基于廣西民族大學(xué)對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程的定位及新工科對(duì)人才培養(yǎng)的總體要求，構(gòu)建一套“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)—課外實(shí)驗(yàn)”階梯式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革與實(shí)踐，旨在增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)、培養(yǎng)其創(chuàng)新精神、提高其實(shí)踐能力，形成一套適合教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的有機(jī)整體。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系構(gòu)建

2.1 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)和提升實(shí)踐動(dòng)手能力為目標(biāo)，將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)兩個(gè)培養(yǎng)層次，不同層次采用不同的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐方式。

2.1.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)層次中，將仿真軟件引入自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將抽象知識(shí)模塊化、系統(tǒng)化、直觀化，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、自我提高的動(dòng)力，促使學(xué)生轉(zhuǎn)變被動(dòng)學(xué)習(xí)狀況，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)，如直流變換器控制系統(tǒng)的仿真等，以達(dá)到對(duì)概念性、理論性實(shí)驗(yàn)的理解，這也是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)階段。

在以上直流變換器控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)中，教師首先為學(xué)生講解直流變換器的工作原理，讓學(xué)生學(xué)會(huì)建立直流變換器的數(shù)學(xué)模型及分析控制系統(tǒng)的性能。仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括直流變換器控制系統(tǒng)的輸入輸出波形觀測(cè)、參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響等。教師指導(dǎo)學(xué)生在仿真軟件上搭建直流變換器的控制系統(tǒng)模型，要求學(xué)生自行選擇合適的電路參數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。同時(shí)，教師要記錄學(xué)生在仿真過(guò)程中所遇到的疑點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于學(xué)生共同存在的問(wèn)題，教師組織學(xué)生通過(guò)分組討論的形式對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，必要時(shí)及時(shí)集中解答，對(duì)于個(gè)別問(wèn)題可采用一對(duì)一答疑的方式進(jìn)行解決。

2.1.2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)。本層次實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生自主制作出一個(gè)實(shí)際的直流變換器控制系統(tǒng)，并加以驗(yàn)證。根據(jù)以上基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)建立的仿真系統(tǒng)，要求學(xué)生搭建相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研制直流變換器控制系統(tǒng)的原理樣機(jī)。通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力及激發(fā)學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)際的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生進(jìn)入下一層次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

在以上實(shí)際直流變換器控制系統(tǒng)制作中，要求學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案列出電路元器件，并自行查閱元器件資料，了解電路元器件的結(jié)構(gòu)及功能。此外，要求學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)使用的電路元器件進(jìn)行選型及分析，盡量讓學(xué)生獨(dú)立完成直流變換器原理樣機(jī)的成品，達(dá)到提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的目的。最后，通過(guò)測(cè)試、調(diào)試完成直流變換器控制系統(tǒng)的制作并分析處理所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 課外實(shí)驗(yàn)

課外實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以科技類(lèi)競(jìng)賽為主、以科研項(xiàng)目為輔。課外實(shí)驗(yàn)分為綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)兩個(gè)培養(yǎng)層次，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識(shí)應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)。

2.2.1 綜合性實(shí)驗(yàn)

參加科技類(lèi)競(jìng)賽是培養(yǎng)學(xué)生綜合知識(shí)應(yīng)用能力的重要途徑，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定良好基礎(chǔ)。科技作品的制作與實(shí)現(xiàn)往往涉及多門(mén)課程的知識(shí)。教師鼓勵(lì)學(xué)生參加 “挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽、中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等科技類(lèi)比賽，旨在培養(yǎng)學(xué)生將專(zhuān)業(yè)所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力，發(fā)揮學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在綜合性實(shí)驗(yàn)中，教師首先需要和學(xué)生商定作品的選題，進(jìn)而要求學(xué)生利用課外時(shí)間查閱相關(guān)資料和制定實(shí)施方案，并在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行作品的創(chuàng)作。在學(xué)生創(chuàng)作過(guò)程中，教師和學(xué)生要及時(shí)溝通，對(duì)于學(xué)生反饋的難題，教師需及時(shí)作答，并修改或更換實(shí)施方案。此外，在競(jìng)賽時(shí)間外，教師需對(duì)實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行不定期更新，便于學(xué)生平時(shí)訓(xùn)練，進(jìn)一步提升學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。

2.2.2 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目研究，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效方式。學(xué)生通過(guò)參與教師科研課題進(jìn)行一定的科研基礎(chǔ)訓(xùn)練，能有效激發(fā)科研創(chuàng)新興趣，加快創(chuàng)新意識(shí)的形成。對(duì)于加入教師科研項(xiàng)目并在實(shí)施中取得一定科研成果的學(xué)生，教師要加以獎(jiǎng)勵(lì)，從而激發(fā)學(xué)生的鉆研熱情及營(yíng)造鼓勵(lì)更多學(xué)生參與課題的良好氛圍。

在實(shí)驗(yàn)中，教師向?qū)W生公布科研課題的研究方向，學(xué)生則以個(gè)人或團(tuán)隊(duì)的形式加入，師生雙方均具有雙向選擇的權(quán)利。教師需對(duì)加入的學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)參與課題的目標(biāo)、意義、重點(diǎn)和難度有一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生如何獲取期刊文獻(xiàn)及學(xué)術(shù)成果資料、如何撰寫(xiě)學(xué)術(shù)論文等方式提高學(xué)生的科研能力。學(xué)生則以教師的科研課題為契機(jī)，獨(dú)立或共同完成科研課題中的部分工作，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析、學(xué)術(shù)論文撰寫(xiě)與優(yōu)化等。

以上各個(gè)實(shí)驗(yàn)層次在實(shí)施過(guò)程中均注重學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)，教師通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、面對(duì)面交流等方式了解學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中知識(shí)與能力的把握程度，經(jīng)常檢驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施效果，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)施方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于新工科背景，對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程構(gòu)建了一套“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)—課外實(shí)驗(yàn)”遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在廣西民族大學(xué)2019、2020 級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐表明：與前幾屆自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生相比，所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系能使學(xué)生對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣有所提升，參加科技類(lèi)競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)成績(jī)有所突破，發(fā)表學(xué)術(shù)論文的學(xué)生數(shù)量有所增加，有效提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。