基于創新融合的新工科實驗平臺建設和教學改革

摘" 要" 采取繼承與創新、交叉與融合的主要途徑，對專業的實踐教學環節進行改革。開發綜合創新實驗平臺，設計實踐項目和內容，構建循序漸進和持續化的實驗體系和教學模式。實踐效果表明，該平臺的使用和教學模式改革，有助于學生工程思維培養，大大提高了工程應用能力和創新能力，提升了測控專業的人才培養質量。

關鍵詞" 新工科；實驗平臺；實踐教學

中圖分類號：G642.423" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）05-0101-03

0" 引言

隨著新一輪科技革命的快速發展，對工科類專業人才的培養提出了更高的要求，社會發展亟須具備國際競爭力的實踐型、創新型和綜合型人才[1]。而工程實踐能力、創新能力的培養，實驗教學占據核心地位。但受傳統工科的限制，教學理念、教學內容和手段、實驗設備等不能及時更新，實踐環節的教學并不理想。主要問題體現在四個方面：

1）各專業課程驗證性實驗多，綜合創新類少；

2）各課程實驗局限于實驗室教學使用，工程應用類少；3）各實驗設備相對獨立，內容單一，利用率較低；4）各實驗設備從廠家購置居多，功能相對固定，可擴展性和二次開發性差[2]。

針對這些問題，測控專業在工程教育認證中不斷地探索、嘗試和改進。本平臺的建設重點從傳統工科入手，在繼承中創新、在內容上交叉融合，以OBE教育理念為引領，以學生工程實踐能力與創新能力培養為目標，完成專業型綜合實驗平臺的建設，構建新工科背景下的實踐教學體系，探索實踐教學的新模式[3-4]。

1" 多課程融合創新實驗平臺的建設思路

該綜合實驗平臺是針對核心專業課程檢測儀表、控制儀表和虛擬儀器進行設計。檢測儀表現有8套檢測儀表綜合實驗裝置，基于工業以太網的西門子PLC；控制儀表實驗室有10套綜合實驗裝置，控制對象元件全部來源于工業現場；虛擬儀器實驗室有NI的設備18套，多信號類型的研華模塊和數據采集卡共20套。項目建設的基本方案分兩步：1）升級儀表實驗室的控制箱，實現基于工業以太網模式、RS485模式、現場總線模式、傳統模擬式數據傳輸模式；2）采用基于虛擬儀器的設計軟件LabVIEW，開發上位機軟件，實現對三個實驗室不同設備的數據采集、分析和顯示等功能[5]。

根據上面的思路，設計的控制儀表和虛擬儀器實驗室框架如圖1、2所示（檢測儀表和控制儀表類似）。各實驗室的設備數據通過工業以太網模式、RS485通信模式、現場總線模式等等，傳輸到其他現場或者設備。

在綜合實驗平臺，采用圖形化的編程語言LabVIEW設計綜合管理軟件，既可以實現設備的管理同時也實現了數據采集和通訊。因此新實驗平臺打破原有的設備獨立、功能單一、工程性應用少和缺乏二次開發的缺點，是新工科背景下對傳統工科的更新升級。

2" 構建交叉與融合、循序漸進的實驗體系

實踐環節是工科類專業課程的核心環節，也是新工科人才培養的關鍵環節，實踐項目和內容的設置非常重要。設計的實驗內容既要覆蓋基礎課程和專業知識，又要與工程實際問題相結合[6-7]。按照本專業的人才培養目標和工程背景，遵循知識的系統性、進階性，筆者所在教學團隊設計了多學科交叉、循序漸進的實驗教學體系，包括課程實驗、課程設計、工程實訓和創新實驗等實踐項目。通過對實踐教學內容的精心設計和不斷優化，使多課程融合的實驗平臺在實踐教學體系中起到“承上啟下”的作用。“承上”是指將前期專業課程所學知識和技能有機融合在一個實際工程問題中，并從系統工程的角度，培養學生綜合應用這些知識和技能分析、解決實際工程問題的能力；“啟下”是指為后續的實踐環節（比如競賽和畢業設計）奠定堅實的工程知識基礎，也為將來走上工作崗位做好過渡。實驗教學體系如圖3所示。

3" 以OBE教育理念為引領構建的實踐教學

模式

實踐環節的教學應在項目內容和能力訓練設計上體現新工科的要求，包括方案構思、設計過程、具體實施和運行四個方面。同時，實踐環節的教學評價以OBE教育理念為引領，以成果輸出為導向制定評價標準[8]。

3.1" 以工程實訓為例的實踐教學過程

以工程實訓為例，設計任務是根據控制對象設計控制柜，教學目標是讓學生掌握儀表設備的工藝流程，根據控制要求實現控制柜的硬件設計（畫圖和接線）和軟件設計。控制對象是換熱器、壓力罐或三容水箱設備。

實施過程為：1）分組和合理分工，熟悉設備，熟悉工程標準和技術規范，結合目標要求提出系統設計方案；2）教師對方案的可行性進行指導和評

價；3）根據設計方案完成電氣原理圖繪制、控制柜的接線和調試；4）軟件編程和整機調試。其間教師負責答疑指導，并對學生的實際動手能力、分析解決實際工程問題能力進行評價記錄。實驗教學過程中實驗室采用全開放管理模式[9]，學生可自主安排實驗時間，但要求每位學生的工作時間不得少于25學時。最后現場驗收學生的設計成果，根據接線規范和正確性，軟件運行是否順利，功能是否齊全等多方面進行評價。最終按照方案設計占 10%、實驗過程和演示占60%、答辯占10%和報告占20%的比例給出成績。

構建的實驗體系，涉及的知識非常豐富，既有基礎也有擴展，既有工程性也有創新性，歸納整個實驗體系涵蓋的知識點如圖4所示。利用實驗平臺訓練可以考核學生的能力如圖5所示。

3.2" 學生實踐結果

基于該實驗平臺的教學已經進行了兩輪，大部分學生提交了專業性強的優秀作品，展示部分學生實驗結果如圖6所示。學生的表現說明實驗平臺和實驗項目的實施對于學生培養起到了積極的作用，學生的綜合能力和創新能力得到了提高。

4" 結束語

多課程融合的實驗平臺建設，采用繼承與創新思路，設置了交叉與融合、循序漸進的實驗項目，是新工科背景下為培養綜合、實踐和創新類人才的目標而構建。

其特點有：1）實驗內容的綜合性、靈活性：各門課程的內容之間有一定的交叉，學生對同一專業不同課程的知識有系統性理解；2）實驗內容的工程性、復雜性：在專業知識的基礎上，融入了工業現場環境的復雜要求，出現問題有不同的解決方式，大大鍛煉學生工程現場解決問題的能力；3）實

驗平臺的二次開發性和可持續性：采用工業級模塊化和功能化的獨立器件，同時預留不同的接口，完全開源化，在此基礎上可以進行功能擴展和后續研究，靈活方便。

平臺的多課程融合性和以OBE理念而更新的教學模式，大大激發了學生的積極性，明顯提升了教育質量。授課效果證明該平臺的使用確實可以培養學生的工程思維，激發創新力量，具備解決復雜問題的能力，做到課程教學改革中“兩性一度”的要求，實現新工科背景下人才培養的新目標。

5" 參考文獻

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