新工科建设背景下专业课程实验教学的案例研究

李孝禄 王 旭 许沧粟 朱俊江 李运堂

1.中国计量大学机电工程学院 浙江杭州 310018

2.浙江大学海洋学院 浙江舟山 316021

3.浙江大学能源系 浙江杭州 310013

新工科建设是我国工程教育的改革方向[1]。创新教学方式和技术是新工科建设关键任务中的一环。未来几年，需要更具互动性、智能性和个性化的教学方式与技术，包括建立在信息技术基础之上的探究式、讨论式、参与式教学和混合式学习等学与教的方式与技术。同时，新工科建设重要目的之一就是要培养大学生的创新能力。目前，大学生在大学一、二年级阶段，由于受到中学应试教育造成的“被动”学习习惯、公共课程和学科课程多、理论基础比较薄弱、适应大学生活带来的困惑、离开父母独立生活产生的迷茫等因素的影响，大学生创新能力处于初始阶段[2]。但他们思想活跃、好奇心强、可塑性好[3]。在大学三、四年级进入专业学习阶段，随着年龄的增长、知识的增加、课外科技活动和课程设计的参加等，大学生创新能力处于发力阶段[4]。高年级大学生(大学三、四年级)尽管学完公共课程、学科课程或部分专业课程，但处于学习的“疲劳期”，对学过的知识容易出现遗忘，加之受到就业、学风、考研、出国等影响，其创新能力培养难度增加[5,6]。

实验教学作为培养大学生创新能力的关键教学环节起着加深对理论的理解、提高学习主动性和创新能力的作用[7]。对高年级大学生而言，实验教学还可以帮助学生减轻“学习疲劳”，提高学习兴趣和效率。同时，由于专业实验涉及较多基础知识，可以使学生集成已学知识，激发创新思维。如何设计引起高年级学生兴趣的实验内容、采用激发学生创新思维的教学方法、实施合理的实验教学管理对提高高年级大学生创新能力起着重要的作用。本案例研究对此进行了探索。

1 实验内容

汽车电子技术是车辆工程专业和机械电子工程专业在大学三、四年级开设的一门专业课[8]。该课程知识面广，知识交叉性强，学起来较难[9]。学好这门课程、培养学生动手能力和增强创新能力需要设计好的实验平台及其实验内容[10]。

防抱死制动系统(Anti-braking system，ABS)实验是汽车电子技术的课内实验。该实验平台包括制动主缸、真空助力器、压力调节器、制动轮缸、转速传感器等。由变频交流电机代替发动机驱动车轮转动，踩下制动踏板对车轮制动。实验项目一般包括：(1)ABS制动演示实验，目的是掌握ABS制动系统结构和工作原理；(2)ABS控制过程实验，目的是通过对车轮转速信号、压力调节器执行信号的读取，熟悉ABS工作原理和控制算法；(3)ABS控制系统的设计目的是设计简单的ABS控制器和控制算法，实现ABS工作[9]。前2个实验项目分别为演示和验证实验，第三个实验项目为综合设计实验。这些实验完成后，学生能较好地掌握汽车ABS系统的教学内容。

研究表明，大学生基础知识越多，创新思维能力越强[11]。由于汽车ABS涉及工程流体力学、液压技术、传感技术、检测技术、控制技术和汽车技术的知识，很多基本概念如气阻、气蚀、液压油污染、气液两相流、体积弹性模量、压力波传播速度、压力信号、信号分析与处理、制动摆振等是否可以通过ABS实验使学生理解它们，将多门课程知识进行集成以提高学生的创新能力？答案是肯定的。特别是探究式实验，更能吸引学生(特别是那些学有余力的学生)参与实验和提高实验主动性[12]。因此，本研究将用于科学研究开发的可视化ABS实验系统改造成探究式实验平台，并对实验内容进行设计，编写激发学生创新思维的实验指导书。改造的可视化ABS实验平台如图1所示[13]。在制动管路中安装2个压力变送器，并在两个压力变送器中安装透明石英管，用高速摄影系统拍摄制动管路中气液两相流状态。

新的ABS实验平台仍然可以完成原来的ABS实验平台的实验内容，并设计了新的实验内容。(1)ABS制动管路中气液两相流流型的观察实验，目的是通过观察制动管路中气液两相流流型理解气阻、气液两相流、体积弹性模量、压力波传播速度、压力信号、信号分析与处理、制动摆振、ABS控制算法等基本概念，观察到气阻、液压油污染、气液两相流等。(2)ABS压力波传播速度的测量实验目的是通过测量ABS制动液压力计算ABS压力波传播速度，除了理解上面的基本概念外，还可理解这些概念的内在逻辑性。

图1 改造的可视化ABS实验平台

2 实验教学方法

2.1 问题引导下的探究式实验教学方法

2.1.1 设计探究式问题

针对性和启发性的问题能够促进学生展开思维，提高观察力和领悟能力，提高逻辑推理、演绎思维能力，提高创新思维的流畅和敏捷，是提高创新能力的基础。在“ABS制动管路中气液两相流流型的观察实验”实验指导书中设计探究式问题：(1)实验中观察到哪些流型？(2)制动管路中气泡如何合并？(3)制动管路中气液两相流对制动效能有什么影响？

学生在直径为4 mm的制动管路中观察到放大的泡状流、塞状流、弹状流和环状流，感到很新奇。如在问题(2)“制动管路中气泡如何合并？”的回答中，将拍摄的视频分割成等时间间距的连续图片，如图2所示。有学生发现气泡合并的时间短、速度快，气泡合并后有振动现象。有学生发现小气泡是球形，大气泡是椭圆形；一些学生通过查找资料，建立数学模型求解气泡合并时间，得出合并时间是毫秒级的，与实验吻合。

图2 制动管路中气泡合并过程

学生通过观察、查找资料并思考、讨论一系列的探究过程，对基本概念的理解变得深刻。这样，在学习汽车电子技术课程的知识过程中整合了以前学过的知识，概念更加清楚且概念相互之间产生有机联系，达到了知识的整合效应、共享效应、协同效应、聚集效应和倍增效应，知识集成能力明显提高。

2.1.2 设计发散式问题

设计发散式问题，有利于培养发散思维(辐射思维)。实验指导书中不强调问题之间的相互关系，也不追求问题的唯一正确答案，培养学生就同一问题从不同角度思考，提出不同的答案。在“ABS压力波传播速度的测量实验”实验指导书中设计发散式问题：(1)制动管路中为什么会产生气液两相流？(2)液压油为什么产生污染？(3)为什么会产生制动摆振？

在回答问题(1)“为什么会产生气液两相流？”中，有的学生认为制动液含气是进入了空气，有的认为气是制动液本身产生的，有的认为是制动液中水受热变成气体。教师要求拿出依据，学生通过查找资料后给出答案。教师再给出针对性强的文献[14]，这样大家认识到气液两相流产生的复杂性，并认识到信息素质能力的重要性。在回答问题(3)“为什么会产生制动摆振？”中，根据测量的制动液压力学生一般根据压力波动结合制动过程给出了回答，这是正常的思维过程。但有的学生从车辆振动、制动盘不平、轮胎变形等角度回答，从不同角度的回答锻炼了发散思维能力。

2.2 采用“预习—实验—查找资料—讨论”的实验教学模式

根据实验指导书，学生先预习实验需要掌握的基础知识。借助互联网预习知识点。如通过百度百科查询气阻、气液两相流的流型等专业词汇。实验前，结合问题在BB平台上提前观看录制的实验过程和实验现象；实验时，相互配合，注重观察，对观察到的实验现象鼓励学生重复实验。结合设计的探究式问题和发散式问题要求学生在数字图书馆上查找至少一篇相关文献，尝试进行回答问题。并要求实验小组成员讨论。最后，教师将不同观点放在BB平台上供学生参考，鼓励提出不同观点。

采用“预习—实验—查找资料—讨论”的实验教学模式，有利于实验的完成和提高知识集成能力，激发创新思维。

3 实验教学管理

3.1 自愿选做

由于实验条件的限制、学生水平和意愿的不同，实验采取自愿选做的方式。一些对汽车感兴趣、准备从事科研和学有余力的学生积极参加实验。实验完成后，鼓励参加实验的学生将实验视频和其他实验资料与未参加实验的学生交流，包括同寝室同学间的交流、班级QQ上的交流。实验过程中，邀请相关课题的研究生参加，并进行讨论。每届大约有三分之一到一半的学生参加了实验。

3.2 合理分组

由于实验需要操作、记录、拍摄和观察，每组为5人。学生自愿分组，协同配合。实验过程中，同学们认识到团队协作的重要性。交流过程中，感受到不同思维方式的碰撞，认识到多角度全方位看问题的必要性。这样，营造了宽松的思维氛围，促进了学生对知识点的贯通，激起了学生的好奇心和求知欲。当学生遇到困难和思维障碍时，教师给予及时、适当的指点或相互之间帮助，使学生创新能力得到提高。

3.3 运用教育信息技术

近年来教育信息技术，如BB平台、QQ等即时通信工具、慕课(MOOC)和手机教学迅速发展，对实验教学作用很大[15]。将通知、实验大纲、实验指导书、实验视频等放在BB平台、QQ或手机里，学生感到学习和沟通很方便，并能充分利用碎片化的时间。

3.4 科学考核方式

小组把推荐成绩标记在实验报告背后。一个实验小组共5人，一般要求1个学生为优秀、2个学生为良好或中等，其余2个为中等或及格，未参加或未完成的学生为不及格。教师根据实验小组推荐成绩、小组表现、学生回答问题和讨论情况综合评定成绩。这种考核方式比较公平，激发了学生主动性。

4 结语

将用于科学研究开发的可视化ABS实验系统改造成探究式实验平台，并对实验内容进行设计，编写激发学生创新思维的实验指导书。设计出激发高年级学生兴趣的探究式实验，实验内容包括较多已学课程的知识点。采用激发学生创新思维的教学方法，包括设计探究式问题和发散式问题、采用“预习—实验—查找资料—讨论”的实验教学模式。实施合理的实验教学管理，包括自愿选做、合理分组、运用教育信息技术和科学考核方式。在新工科建设背景下，本研究为受到就业、学风、考研、出国、学习松懈、知识遗忘等因素影响的高年级大学生的创新能力培养提供借鉴和参考。