自动化专业探究性实验教学的改革和实践

赵久强， 冯毅萍， 曹 峥

(浙江大学 控制科学与工程学院， 浙江 杭州 310027)

0 引言

《教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》(教高[2016]2号)中明确指出了部分高校在教育教学和人才培养方面存在的一些问题，例如教育教学理念相对滞后、机制不够完善、内容方法陈旧单一、实践教学比较薄弱等[1]。实验教学作为本科实践教学环节的重要组成部分，如何与时俱进，抓住机遇，创新改革，充分发挥其在拔尖创新人才培养方面的重要作用，已成为其改革和发展的主要目标和方向[2,3]。探究性(研究性)教学作为一种新的教学观念，以认知理论为基础，反映了一定的教育目的和价值观念[4-6]。因此，合理配置各类资源，创新和改革本学科高效实用的教学内容和教学方法，增加综合性、探究性实验内容，促进各个学科之间的交叉学习，优势互补，切实提高大学生的自主学习、独立研究和创新实践能力具有十分重要的意义。

1 自动化专业探究性实验改革与实践

秉承“以学生为本，传授知识、能力培养、素质提高、协调发展”教育理念，我校自动化实验教学中心积极开展实验课程体系的改革和建设，实行分层次实验教学模式，广泛开展以启发、探究、讨论和参与为主体的探究性实验平台的建设[7,8]。目前已初步形成以培养学生创新能力、实践能力和综合能力为目标的自动化综合探究性实验教学体系，形成了创新、自主、合作、联动的实验教学特色。具体表现在以下几个方面。

1.1 合理设置实验内容

探究性实验重点关注的是培养学生的主体意识、创新意识、实践意识以及综合素养，使学生能够在实验过程中发现研究的乐趣和科学的魅力[9]。自动化专业探究性实验内容和方向的设置主要遵循以下几点原则：①所设置的实验环节具有可行性和典型性，既能兼顾学生所学的理论知识体系、实验室条件和学生已掌握的实验技能，也能体现自动化前沿技术的典型成果和应用。这就要求在实验室建设的过程中，要不断关注和吸取最先进、最前沿和最具代表性的技术和设备，结合实际教学中的需要，取其精华，合理选择和改进实验装置，这样才能打造适合学生需要的自动化专业探究性实验平台。②能够与基础实验平台具有联动性。基础实验平台上综合了自动化领域各个课程的基本实践内容、研究工具和研究方法，例如过程检测与传感技术实验、微机原理与接口实验和控制仪表与装置实验等已初步培养了学生的观察能力、分析和解决问题能力以及实验数据处理分析能力，在此基础上开展自动化专业探究性实验将会更加有助于学生自主完成实验的各个环节。③探究性实验必须留有足够的探索空间，使得学生能够更好地发挥自己的创新能力，更好地将本学科的知识应用到创新领域和工程实践领域。④探究性实验平台所涉及的领域尽可能广，在探究性实验平台的建设过程中，不仅关注自动化领域与传统流程控制领域的结合，而且积极推进自动化领域与农业、电气、计算机和机器人等领域的交叉结合，形成覆盖面更广的研究热点。

目前，我校自动化实验教学中心开展的“自动化综合实验”课程中典型探究性实验项目有生产流水线加热温控系统、植物工厂大型实验、基于Quanser和Matlab的多容水箱液位控制系统、先进换热装置控制实验、立体车库的控制方案实验、机械臂的控制研究、智能机器人和我校智能制造实验室相关研究等十余项。另外，学生也可以根据自身的特色，结合科研实验室的具体条件，自行选题组队进行研究。自动化探究性实验的教学活动使学生对专业前沿知识有了更深层次的了解，且加强了相关学科知识之间的交叉融合。

1.2 以学生为中心，丰富教学方式方法

自动化专业探究性实验典型的特点之一就是强调“以学生为中心”，充分发挥学生在探究性实验过程中的主体性[5]。因此，从顶层设计到具体实施的过程中，贯穿着培养学生的主体意识，使学生积极认真地投入并参与到自动化专业探究性实验的整个教学活动中。

1)预先设置“大课”

为更好的帮助学生形成正确的的主体意识，顺利有序地开展实验内容，在实施自动化探究性实验之前，会组织一次关于探究性实验的“大课”。所谓“大课”，要求参加实验的全体学生出席，课上，教师会讲解当下自动化以及相关领域前沿的技术和应用热点，帮助学生拓宽思路，形成举一反三的功效；讲解该实验的目的和意义、课程特点、任务要求、具体实施安排和注意事项等；最后，教师会重点展示近几年来部分优秀成果，使学生对自动化探究性实验有一个比较清晰地认知，转变角色，更好地投入到后续的实验中去。

2)学生自主选题和分组

针对自动化实验教学中心开展的典型探究性实验项目，学生可以自主选择，在实验室开放时间段针对选择的实验项目进行深入讨论学习。选择同一实验项目的学生可以自由结合组成4～5人的研究小组，选定一位学生作为本小组组长，负责协调本小组的各项事务，起到穿针引线的作用。组内每个成员分工合作，共同完成实验项目。为了增加探究性实验选题的灵活性，在实验条件允许的情况下，允许部分小组拟定自己的研究对象和研究内容，并鼓励学生参与到科研实验室的研究环节中。

3)查阅相关文献

学生自主分组和选题之后，需要根据所选实验项目，查阅相关文献，了解当前国内外相关的研究成果和研究热点。在此过程中，特别强调培养学生探究性实验的科研思维和学术规范，使学生形成一种“阅读文献-理论条件-实验环境-新的方案”的基本思维方式。

4)开题答辩

在查阅文献资料之后，要求学生以小组为单位撰写开题报告，其中主要包括查阅文献的基本情况、发现的主要问题、提出的初步解决方案和预期目标、所用的实验设备和后续的工作计划等，与此同时，每个小组的成员根据自身的特长和小组之间的协调安排撰写个人工作计划，上述工作主要以学生为主体完成。教师组织各个小组进行开题答辩，重点依据对开题报告的可行性分析和实验室现有的条件，对小组提交的开题报告进行讨论和审定，确定最终的合理方案。

5)具体实施

此后，学生根据确定的方案开展分组实验。除教学计划安排的时间，实验室全天候向学生开放，这样既充分提高大型实验设备的利用率，也能使得学生合理安排时间，做好规划，在时间比较宽松的条件下充分发挥自身的主观能动性和创新思维能力。在实验的过程中，鼓励学生在保证安全的前提下勇于创新，不怕失败，对于实验设备无法满足创新需要的情况，鼓励学生采用虚拟仿真实验替代，即采用虚实结合的实验方案，最终达到满意的实验效果。与此同时，教师在整个实验实施过程中起到宏观调控的作用，及时了解学生的实验进度，确保各项任务正常进行[5,9]。

6)中期检查

在实验开展的中期阶段，组织学生进行中期汇报。采用的方式是：选择同一实验项目或者相近课题的各个小组一起集中讨论，每个小组组长总结本小组的实验进度、小组成员的工作、目前取得的实验效果、遇到的问题以及相应解决方案等。在此期间，教师与学生进行深入交流探讨，学生参与整个讨论环节，充分体现了“启发式、探究式、讨论式和参与式”的教学模式。

7)结题答辩

实验结束后，要求学生撰写最终的实验报告并提交，实验报告应简明扼要的陈述整个实验过程，包括问题的提出、详细的实验设计和步骤、实验过程中用到相关技术、实验现象和结果等。最后，运用相关的理论对最终的实验现象进行分析。教师组织最终的结题答辩，各个小组进行交流汇报、成果展示和创新总结。最后，教师根据考核指标和每位学生在小组中的表现给予评定。

8)成果整理及产出

教师鼓励并指导部分创新成果特别突出的小组进行成果产出，撰写相关论文、申请专利和软件著作等，充分肯定学生在探究性实验中所发挥的自主性、积极性和创新性。

1.3 改善考核方式方法

常规的实验考核方式是教师根据实验情况和实验报告给出相应成绩。这种单一考核模式过分强调实验报告的书写水平，并且很难辨别学生是否抄袭，缺乏对学生的过程化、多元化和动态化的客观评价[4,5]。因此，在考核方式的改革方面，我们重点把握以下原则：①重点考察学生发现问题、分析问题、解决问题的能力；②重点考察学生在实验过程中的创新性思维；③重点考察学生提出的新问题、新观点、新思路和新方法；④重点考察学生在各个小组合作中的贡献量。

教师根据每位学生在整个实验过程的各个环节中的表现，综合上述因素最终客观地确定学生成绩。

1.4 推进信息技术在教学中的应用

为了推进实验教学信息化管理，提升教学信息化服务的质量和效率。我们开发了探究性实验过程信息管理系统，实现学生探究性实验全过程的信息化和透明化，主要包括实验选题、开题答辩、研究讨论、结题答辩等环节。同时，依托该系统，实现教学资源与学习信息的互联互通，并形成了过程化、多元化和动态化的客观评价体系。

2 自动化专业探究性实验教学效果

我校自动化专业探究性实验教学自实施开始，每年服务本科学生约140人次，取得了良好的效果，以生产流水线加热温控系统实验项目为例，如图1所示。该系统是典型的工业流程生产装置，广泛应用于钢铁、纺织、汽车、医药等领域，是一个复杂的多变量系统，具有大滞后、强耦合等特点。实验项目利用可模拟工业履带式加热炉(退火炉)的生产流水线温度控制装置，采用半实物仿真技术，通过常规PID及智能模糊控制理论，设计多变量控制器，实现流水线加热炉预热、高温、降温三个工作过程的自动控制，使学生对工业现场控制过程有更直观的了解，实验效果明显。利用该系统目前可以开设的具体实验内容包括：工艺流程实验、对象特性实验、PID控制实验、自整定PID控制实验、模糊控制实验等，学生不仅可以通过先进的实验设备，完成实验项目，而且可以发挥自身的专业优势和学科优势，设计、开发和实现更高层次、效果更优的系统项目，图2和图3为学生自主设计开发的实验系统展示。

图1 生产流水线加热温控系统实物图

图2 学生自主设计开发的实验系统主界面展示图

3 结语

自主探究和合作交流的实验教学模式是培养学生发现新问题、提出新观点和新思路，并且找到新方法解决实际问题的有效途径之一。探究性实验的教学改革正是适应了学生多方面发展的需要，体现了以学生为主体的教学模式，能够充分发挥实验教学在拔尖创新人才培养方面的作用，已成为实验教学改革和发展的导向标。

图3 学生自主设计开发的实验系统功能界面展示图

[1] 教育部. 教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见.北京:中华人民共和国教育部,2016, http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7056/201607/t20160718_272133.html.

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[3] 韦娟,刘乃安,李晓辉. 面向专业认证的实践教学体系构建与评价[J].南京：电气电子教学学报,2016,38(5):110-112.

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[5] 梁文耀,陈武喝.基于创新能力培养的自主性实验教学改革探讨[J].上海：实验室研究与探索,2012,31(8):289-291.

[6] 吴腾,吴润. 基于“实践平台”探索实践教学改革[J]. 天津：实验室科学,2016,19(6):99-101.

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[9] 陈灵,彭成红.加强研究性实验教学提高学生创新能力[J]. 上海：实验室研究与探索,2010,29(8):202-204.