測控技術與儀器專業控制類課程群實驗實踐教學改革與實踐

舒雙寶 夏豪杰 潘成亮 張連生 徐昕

摘? 要：控制類課程群是測控技術與儀器專業課程體系的重要組成部分，實驗實踐教學是工程教育的一個關鍵環節。該文分析合肥工業大學測控技術與儀器專業控制類課程群實驗實踐教學現狀及問題，從課程群課程內容體系、課程實驗規劃、多元化的實驗實踐教學、考核與反饋評價機制等環節，提出一系列教學改革措施，建立創新型控制類課程群實驗實踐教學體系。該文所述方法在教學實踐中取得一定的成效，研究成果為其他課程群的教學改革提供很好的參考價值。

關鍵詞：測控技術與儀器專業;控制類課程群;實驗實踐教學;創新能力;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）17-0034-04

Abstract： The control course group is an important part of the curriculum system of measurement， control technology and instrumentation specialty. Experimental and practical teaching is the key issue of engineering education. In this paper， the current situation and problems of the control course group teaching in the measurement， control technology and instrumentation specialty of Hefei University of Technology are discussed. A series of teaching reform measures is put forward， such as the course content system of the course group， the course experiment planning， the diversified experimental and practical teaching， the assessment and feedback evaluation system， etc.， which establishes an innovative control course group experimental and practical teaching system. The proposed methods have achieved certain results in teaching practice， and the research results of this paper provide a useful reference for the teaching reform of other course groups.

Keywords： measurement， control technology and instrumentation specialty; control courses group; experimental and practical teaching; innovation ability; teaching reform

測控技術與儀器專業（以下簡稱“測控專業”）是儀器科學與技術一級學科下的本科專業。儀器科學與技術學科作為一個綜合技術領域的工程性學科，顯著特點是學科的“交叉性”與技術的“集成性”，該學科內容涉及電子學、控制學、光學、機械、計算機科學與技術等方面[1-2]。測控專業從對學生的培養上來說，要求學生專業基礎上知識面寬，通過專業培養能較全面激發學生的創新思維，這也是對學生的工科綜合能力培養提出了一個較高的要求。合肥工業大學儀器科學與光電工程學院測控專業在專業建設上成績顯著，2008年被教育部批準為國家級特色專業，2012年通過教育部工程教育儀器學科首批專業認證，并于2018年再次通過專業認證，有效期均為6年，2020年又獲批為國家一流專業。測控專業在教學過程中以課程群的方式來進行，主要的課程群有機械設計類課程群、檢測技術類課程群、信息處理類課程群和控制類課程群等，并采用一系列相關的課堂教學、實驗、實踐環節完成教學過程。控制類課程群一直是該專業課程體系中一個重要組成部分，學生除需掌握豐富的控制理論知識外，還必須具有一定的實驗和實踐能力[3]，其實驗實踐教學環節尤其重要，教學效果直接影響到學生是否形成學習興趣、能否樹立專業意識以及能否具有基本的工程素質和技能。本文針對國家新工科建設需求，針對目前實際教學中存在的問題，通過控制類課程群教學實踐，著重對課程群實驗實踐教學進行改革和建設，進一步提升學生的工程實踐能力和創新能力。

一? 課程群實驗實踐教學改革背景

控制類課程群的課程特點是內容豐富、理論較抽象、新技術發展快，普遍存在“學生難學，教師難教”的情況[4-5]。針對目前本校專業教學實際情況，主要教學問題現狀表現在以下幾個方面：

控制理論基本課程之間缺乏有效的聯系，其聯系程度還有待進一步加強。目前課程設置中以專業基礎課、專業必修及選修課、專業實踐課的三段課程模式，缺少以培養學生實踐能力為導向的有機整合，課程教學過程中課程之間的相互聯系、內容的先后承接等有待進一步加強。

課程理論知識與實踐環節之間聯系不緊密。課程理論教學與實驗教學有時脫節，學生往往由于缺乏理論與實踐的關聯性的整體考慮，導致不容易將知識系統化，這就造成無法將理論知識和實驗聯系起來，不能夠綜合應用到實際中，從而不能有效培養學生的工程素質和技能。

實驗實踐環節之間缺乏聯系。控制類課程群的實踐教學往往以課程為單位，缺少以工程實踐、創新能力培養為導向的綜合實踐能力環節，造成學生掌握知識零散，難以建立起工程系統的整體概念，從而使得學生對于工程實踐的復雜問題處理不夠靈活。

因此，在國家新工科建設背景下，“以學生為中心”，進行控制類課程群實驗實踐教學改革勢在必行。

二? 課程群實驗實踐教學改革措施

針對上述實際教學中存在的問題，根據測控專業人才培養目標，結合控制類課程教學實際情況，課程組教師在教學過程中不斷研究與探索，從課程群教學內容設計與教學方法、課程實驗教學改革與設計、實踐創新環節學生創新能力的培養、考核制度與反饋評價等環節入手進行教學改革，主要改革措施如下。

（一）? 明確課程群建設目標，整合、優化教學內容，提升教學方法

根據測控專業“工程基礎厚、工作作風實、創業能力強”的人才培養特色，培養工程應用型、創新型信息技術領域測量控制與儀器儀表類的高級專門人才的目標，控制類課程群主要包括專業基礎課（信號與系統、自動控制原理）、專業必修和選修課（控制技術與系統、精密運動控制、過程控制技術、可編程控制器、虛擬技術與儀器、DSP原理與應用、FPGA技術及應用）和實踐課程（測控系統綜合設計、生產實習、畢業設計），共12門課程，具體控制類課程群的課程關系圖如圖1所示。本課程組教師以新工科建設為背景，以學生能力培養為導向，以課程主講教師為龍頭，由主講教師和實驗課教師組成課程教研組，組織課題組教師進行調研、討論，將控制類12門課程融為一體，討論課程之間的相互銜接關系，并使課本知識與社會接軌，從而制定合理的課程教學大綱和實驗計劃等。同時教學內容及時反映學科領域的最新科技成果，強調教學內容與工程技術最新進展相結合，體現社會發展對人才培養提出的新要求。

目前課程群內全部課程都已應用多媒體進行教學，并結合雨課堂教學方式，進行全方位教學模式的改革。教學方式也從傳統的填鴨式教學，變成了多種途徑的互動教學方式。在實際課程教學中，增大案例教學比例，激發學生的創新思維意識和創新能力。在原理性較強的課程中，通過專門的習題課（可以不占用課堂時間）對作業、制作等進行訂正和答疑;對于工程技術性較強的課程，作業可以選用不同的形式，如設計報告、工程應用、科技制作等。立德樹人的建設成效是高校工作的一個根本標準。課程組教師在實際教學中，加強對課程思政內涵的理解，探尋課程思政的有效實施方式，選擇經典控制類課程思政教學案例，加強課程思政建設。通過對典型控制課程思政案例的講解，在教學中融入課程思政，加強學生的思想教育，培養其具有高尚的思想品質和職業道德，從而才能培養成為合格的社會主義建設者和接班人。

（二）? 課程群理論課程的實驗教學改革與實踐

課程群中既有專業基礎課，也有專業必修選修課。在基礎課程教學中安排常規實驗教學，實驗內容和教學內容緊密聯系，實驗針對課堂教學的重要知識點來設計與安排，目的是對課堂教學內容進行驗證，加深對課堂教學內容的理解，該類實驗主要是以基礎驗證性實驗和綜合性實驗為主。如在自動控制原理課程中，在課堂教學過程中引入Matlab仿真軟件Simulink進行控制系統實驗，使學生能直觀地看到不同控制系統在不同參數變化情況下的運行結果及性能指標比較，加深學生對理論知識的理解，有效調動學生的學習積極性和探究欲望。如可編程控制器課程安排4個學時的實驗，采用課內實驗的方式進行，使學生深刻理解基于PLC控制具體的實現，提升學生的工程化實踐能力。在FPGA技術及應用課程安排了8個學時的實驗，使學生掌握VHDL語言的程序設計，并利用實驗工具箱結合Altera公司的EP3C器件進行程序設計和開發，熟練使用EDA工具。在DSP原理與應用這門課程安排8個學時的課程實驗，通過實驗開發板教學，使學生能對DSP2000、5000系列產品有基本的應用，并能根據實驗需求進行程序設計和開發。其他各門課程也都根據實際教學需要，開設與布置相關實驗環節。

以控制原理為基礎，以基本元器件、測量儀器與設備等為主線，指導學生設計驗證性實驗和創新性實驗，這樣既能按照教學要求完成多門課程所必需的基本教學實驗，又能為學生提供自行設計、構建多種復雜控制系統的條件。比如，在基礎實驗基礎上，開發基于Matlab的系統設計、系統辨識、系統控制的研究型實驗，以直流電機、步進電機為平臺開展各種PID改進算法的算法驗證，可以將理論結果和實際效果進行對比，設計并不斷優化系統性能，要求學生運用所學知識進行分析綜合，從而使學生提高動手能力和知識綜合運用的能力。

（三）? 創新性實驗實踐環節的設計與優化

在完成理論課程實驗的基礎上，更多的是讓學生參加綜合實踐活動，重視學生創新思維和獨立操作能力的培養。創新性實驗實踐主要方式有課程內的創新性實驗，以課程設計、生產實習和畢業設計為主的開放探索性實驗實踐，以科研項目驅動的科研創新實踐、以企業需求為引導的校企合作實踐項目，以學科競賽為引導的學生實踐能力培養等。

創新性實驗實踐主要是加強學生綜合能力與創新能力的培養，在學生完成課程的基礎驗證性和綜合驗證性實驗時，要求學生把在理論課和普通實驗學到的知識和技能，綜合運用在所研究的開放性實驗課題中。課程設計重在理論知識的鞏固和實踐能力的培養，畢業設計則要拓寬專業知識面，生產實習與畢業實習重在加強工程實踐，實現課堂教學與社會需求的無縫連接，給與學生自主選擇題目和研究設計內容的機會。測控系統綜合設計與畢業設計是綜合考察學生掌握知識的能力，也是一個開放性的實驗環節，可以結合教師科研項目或校企合作課題進行不斷研究，使實驗具有靈活性和開放性，目的是培養學生的知識整理、問題處理和判斷能力。生產實習以及畢業設計期間，可以考慮安排專家、學者等開展“控制理論及應用”系列的專題講座，使學生及時了解學科發展動態，及時把握先進思路，這樣能有效地使學生拓展實際的思維控制，從實際出發，從應用出發，來設計自己的實踐項目內容。充分發揮學院教師的科研項目和科研成果優勢，鼓勵本科生積極投入到教師的科研中來，在科研實踐中培養實踐能力，加強學生創新思維和獨立操作能力的培養。積極與企業相結合，構建產學研實踐基地，這樣既拓展了實驗室資源，也開拓了學生的專業視野，緊密結合現代工業應用和市場需求。以學科競賽為引領，使學生積極主動進行各種創新設計，培養學生學習興趣，如智能車競賽、科技創新設計大賽、光電設計大賽和傳感器設計大賽等。

（四）? 支撐平臺建設

為更好地實現實驗實踐教學，要加強支撐平臺建設，具體包括師資隊伍建設和實驗實踐基地建設。

加強教師的師德師風建設，把思想政治建設放在首位，使教師具有良好的個人素質。加強教師對課程思政內涵的理解，探尋課程思政的有效實施方式。加強教師團隊建設，鼓勵教學的傳幫帶，開展教師的交流與合作。鍛煉、培養教師的教學研究和科研能力，緊密跟蹤學科前沿，不斷學習和使用新的教學方法及教學手段，并且將科研和教改成果應用在教學實踐中，提升教學效果。加強教師的實踐工程能力培養，鼓勵教師與企事業單位或科研院所開展聯合研究，解決工程技術問題，增加教師的實踐經驗。

加強實驗室資源和實驗儀器設備建設。目前學校已有公共實驗室、測控技術中心實驗室、大學生科技創新基地2個、專業實驗室以及校企合作實踐基地。其中測控中心實驗室是安徽省示范實驗實訓中心，本學院現有測量理論與精密儀器安徽省重點實驗室、現代測試與制造質量工程安徽省高等學校重點實驗室、機器視覺實驗室等科研基地，這些為學生實踐環節的開展提供了重要的實驗平臺。學院聯合數十家行業領軍技術企業，開發智能車、無人機、光電設計等平臺，支撐了學生創新創業實踐、校企人才培養合作以及學科競賽，主要的合作企業有北京兆易創新科技股份有限公司、美國泰瑞達公司、沁恒微電子RISC-V聯合實驗中心等，依托大學生創新實踐基地，與企業共建聯合實驗室。

（五）? 構建合理有效的考核制度和反饋體系

建立合理的學生成績考核制度。在控制類課程群中理論課程包含有課程實驗環節，采用“作業成績+隨堂測試成績+考試成績”的方式來評定學生的最終成績，不同的課程這三部分的權重可以有著不同的設置，在達到40學時的課程中，還增加期中考試環節，這也改變了以往以學生期末考試為主的考核方式，注重學生平時的綜合表現。控制課程群實驗實踐起著連接理論知識與工程應用的橋梁作用，如果是學科競賽或產學研項目，可以以獲獎等次或項目完成度等方式來考核。總之，對于實踐教學可以采用靈活的考核方式。

建立合理的課程教學反饋機制，具體示意圖如圖2所示。以學生為中心，通過制定詳細、具體、可衡量的評價指標，形成評分表，結合學生的實驗報告、設計報告等在該項指標上的表現，通過滿意度程度給出量化分數，從而計算出達成度評價結果。通過學生能力培養達成度的評價和反饋結果，獲得課程目標達成評價。根據每學期課程教學情況，及時了解學生的學習成效，通過將教學過程建立在與培養目標一致的基礎上，及時調整教學內容、更新教學方式等，做到持續改進，不斷改進和提高教學水平和質量，從而形成可檢測可控制的閉環教學體系。

三? 教學實施與實踐成果

結合新工科建設背景，以學生能力培養為導向，優化控制類課程群教學內容和教學方式。根據新工科建設發展需求，結合合肥工業大學測控專業教學實際情況，構建優化合理的控制類課程群教學內容和體系，綜合考慮各門課程的內容分配和銜接，對實驗實踐環節的深化研究，完成各課程教學計劃、教學大綱的編寫。通過改革研究，使課程間相互配合更合理、更具柔性。采用靈活多樣的課堂教學方法，激發學生的學習興趣;同時加強課程思政建設，培養合格的社會主義建設者和接班人。

多方式、多途徑實驗實踐環節的建立，提高了學生的綜合能力。本改革充分發揮研究型大學學科優勢，遵循由易到難、由淺入深、循序漸進的教學規律，按照基礎驗證性、綜合驗證性、獨立創新性三個層次進行實驗實踐環節設計。加強師資隊伍和實驗實踐基地建設，結合科研、教改項目以及大學生創新創業實踐項目，指導學生參加各種學科競賽，使學生不但具備良好的動手能力，更增強其分析問題、研究問題的能力。2021和2022年，本課程群教師指導學生參加各類創新創業訓練計劃項目20余項，指導學生參加多種學科競賽，獲得全國大學生智能汽車競賽、中國傳感器創新創業大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽和大學生光電設計競賽等省級以上獎項20余項。學生通過參加學科競賽，在實踐中不斷提升學生的實踐動手能力，學生的綜合水平也有所提升。

可持續發展的教學反饋體系。教學過程建立在與培養目標一致的基礎上，通過學生能力培養達成度評價和反饋結果，不斷優化教學內容，對課程考核體系和教學的持續改進。通過完善的教學反饋體系，根據當前學生教育、社會迅速發展的新形勢，經過教學實踐，不斷完善充實課程體系，深化課程改革，建立適應專業培養要求的教學方法，學生的考核結果和課程達成度都有一定程度的提高。

四? 結束語

對測控專業控制類課程群實驗實踐教學進行改革，突出學生在掌握控制原理基礎知識的前提下，注重加強學生創新能力和實踐能力的培養。本文針對目前實際教學中存在的問題，結合測控專業控制類課程教學的實際情況，課程組教師在教學過程中不斷研究與改革，探索出以學生能力培養為目標的創新性實驗實踐教育教學體系，能有效幫助學生在創新能力培養的過程中促進對專業知識的掌握，提升學生的學習主動性，提高工程實踐能力和創新能力，從而成為走向社會的高素質人才。本文研究經驗及成果為其他課程群的教學改革提供了一個很好的參考價值。

參考文獻：

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[3] 白潔，曹建安，湯曉君，等，工程教育認證背景下測控專業課程實驗教學方法探索與改革[J].高教學刊，2021（30）：113-116.

[4] 鄭玉航，宋海濤，夏朝輝，等，適應新工科建設的測控專業實踐教學體系探索[J].高教學刊，2022（14）：49-53.

[5] 舒雙寶，夏豪杰，劉文文，等，測控專業控制類課程群建設與實踐研究[J].大學教育，2018（8）：55-57.

基金項目：安徽省教育廳教研項目“測控專業控制類課程實驗實踐教學的綜合改革與優化”（2020jyxm1498）;安徽省教育廳教研項目“集成電路測試課程產教融合協同育人模式與實踐”（2021jyxm1205）

第一作者簡介：舒雙寶（1981-），男，漢族，安徽舒城人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為機器視覺、計算機測量與智能控制技術。