工科研究生开放式研究型实验教学方法研究与实践

张延顺 李明 杨琳

摘 要：在卓越工程师教育计划背景下，将多年课堂教学、实验教学和相关科研工作的经验融入到实验教学中，探索培养研究生的开放式、研究型实验教学方法。该方法的主要特点是提供开放式的模块化实验平台，让学生独立设计、完成实验。在实验中，教师由传统的主导角色转变为辅助、引导角色，这种实验教学方法能够实现激发学生热情、导引前沿技术、提供平台和协助完成实验的作用。文章的方法在《惯性导航技术综合实验》课程中进行了教学实践，并起到了较好的效果。

关键词：卓越计划；工科研究生；开放式；研究型；教学实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）04-0011-03

Abstract： Under the background of the excellent engineer education plan， the experience of classroom teaching， experimental teaching and related scientific research work is integrated into experimental teaching， and the open and research-based experimental teaching methods for postgraduate students are explored. The main feature of this method is to provide an open modular experimental platform for students to independently design and complete experiments. In the experiment， the teacher changed from the traditional leading role to the auxiliary and guiding role. This experimental teaching method can achieve the role of stimulating student enthusiasm， guiding cutting-edge technology， providing platform and assisting in completing the experiment. The method of this paper has carried out teaching practice in the course of "Inertial Navigation Technology Comprehensive Experiment" and has achieved good results.

Keywords： excellent engineer education plan； engineering graduate； open； research-based； teaching practice

隨着研究生教育规模的扩大，研究生教育质量成为社会各界关注的焦点之一，而创新能力的培养更成为当前评价研究生教育质量的公认指标。实验教学作为实现研究生创新能力培养的一个有效途径，已经被教育界的专家所认可[1，2]。如何进行实验教学，如何做好实验教学，是高校教师一直探索的问题。在我国“卓越工程师教育培养计划”（简称卓越计划）的带动下，许多高等院校在实验教学方面投入了很大力量，特别是针对培养创新型、实践型工程技术人才提出了许多举措，也取得了一些效果[3，4]。

以北京航空航天大学实施卓越计划、建设工程教育强校为契机，在学校的研究生教育与发展研究专项基金项目和教学改革项目的大力支持下，作者针对工科研究生的特点，并结合多年的教学经验与科研工作成果，进行了研究型创新实验教学方法的探索，在北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教学实验中心的实验条件支撑下，通过学院的研究生课程《惯性导航技术综合实验》开展了教学方法实践，并取得了一定成果。

一、工科研究生创新能力培养现状与问题

卓越计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应社会发展需要的不同类型的工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路，建设创新型国家和人才强国战略服务[5，6]。因此，创新性是研究生培养的一个重要技术指标，同时也是主要的考核指标。相关学者在我国研究生创新能力方面进行了统计与分析[1-8]，从1997年到2010年间研究生培养质量的统计数据表明，研究生的科研条件在逐步提高，文章、专利等成果数量在增加，但与当前技术水平相比，研究生的总体培养质量在下降，特别是研究生的创新能力在下降。现阶段，得益于高校教师科研项目、科研团队等条件的支持，研究生虽然可以获得较高的研究起点，但随着我国研究生的扩招和专业技术的细分，现有的教学培养体制和导师的科研培养模式已经不能完全满足研究生的精细化、个性化和创新性的培养。

文献[9]指出培养研究生的创新能力是一个不断深化教育理论研究和教育实践探索的过程，创新精神和创新意识的培养、个性化知识结构的构建、创新学术性格的塑造和实践能力的锻炼，是培养研究生创新能力的关键。文献[10]从课程教学、实验教学、学术交流、实践活动、外部环境等五个方面就如何加强研究生创新能力的培养做了初步的探讨。实验教学作为培养学生工程能力的有效手段，近年来得到各高校的重视和大力发展[11，12]，由于实验设备配置上的滞后效应，目前多数高校的实验教学条件还处于传统实验教学状态，实验教学的实施过程存在以下问题：

1. 课程设置方面，实验课程常常被作为理论课程的组成部分，一般不单独设置，占课程内容的比例较小，且实践教学环节比较零散，之间缺乏紧密联系，难以形成一个独立的实践教学体系。

2. 实验内容方面，以演示实验和设定实验为主要教学模式，实验的内容和方法比较固化，学生在实践过程中只是被动的观众和操作者，缺乏主观能动性的发挥。

3. 实验设施与条件方面，多数高校普遍在实验设备、实验场地和经费资助上加强了建设力度，但实验条件还达不到尽善尽美，特别是研究生的教学实验条件与资源更显不足。

4. 师资力量配备方面，各高校从事实验教学的工作人员普遍存在职称偏低、专业背景知识不足等问题，限制了实验教学优势充分发挥和实验教学的目的实现。

二、开放式研究型实验教学思路

本文以卓越计划中的学生培养目标为导引，针对研究生实验教学存在的问题，基于作者在课堂教学、实验教学和科研工作的经验积累，进行了工科研究生创新能力培养的教学方法探索。实验教学的基本思路为，将课堂教学与实验教学紧密结合，将科研工作与实验教学深入联系，给学生做前沿技术、最新方法及相关科研课题的讲座，为其进行实验设计提供思路；搭建供研究生进行创新设计的开放式综合实验平台，为学生借助此平台完成综合实验模块创新性组合、实验方案设计与实践提供条件与技术保障。以上实验教学的思想与内容在研究生选修课程《惯性导航技术综合实验》中进行了应用与教学效果评估，取得了较为理想的效果。

三、《惯性导航技术综合实验》实验教学方法与实践

（一）教学方法

惯性导航技术（包括惯性器件技术和导航定位技术）涉及惯性空间、地球物理特性和复杂的数学变换等知识内容，具有抽象、理解困难的特点，因此，本课程实验教学的目标为力求提高学生的动手操作能力和综合实验设计能力。学生通过设计与完成实验，能够得到对惯性器件输出信号物理意义的深入直观认识，能够掌握惯性导航算法，并能通过设计实验对导航算法进行验证，最终实现独立设计、开发惯性导航系统的能力培养，本文提出的开放式研究型实验教学方法与惯性导航技术相关课程的特点及课程教学目的契合度较高。

开放式研究型实验教学是一种新颖的教学观和教学理念。它以促进学生的个性发展为宗旨，以改变学生被动接受知识的教学方式为着眼点，通过构建一种开放的、互动的学习环境，引导学生自主地学习知识，认识客观世界，积极主动地进行实验方案设计并自主完成。在开放式研究型实验教学方法中，教师的主要作用为激发热情、前沿导引、提供平台和协助完成。相较于传统的实验教学，开放式研究型实验教学中教师的角色有了重大转变，由传统的主导角色转换为引领、讨论与协助者的辅助角色。实验教学过程中，教师不再是简单的指导操作，而是更多地介绍专业背景、前沿技术与方法，并结合自己的科研经验与成果，帮助学生深入了解专业知识的原理、应用与前沿技术，从而激发出其科学研究的欲望，帮助学生接受到更前沿的知识和先进的思想，促使个人的积极性得到极大发挥。

本文提出的开放式研究型实验教学方法将侧重于让学生在开放的综合实验平台上自由进行实验方案设计、独立完成各自的实验，帮助学生充分发挥创造性，提高学生分析问题、解决问题的能力，通过本实验教学方法训练，为研究生下一步的科研工作开展打下良好动手能力、创新思维、科学探索精神等方面的良好基础。

（二）教学实验平台

为开展开放式研究型实验教学，实验教学中心为学生提供了综合实验教学平台，如图1所示，综合实验教学平台主要由USB_PCL6045B控制子系统、运动滑轨、MEMS惯性测量器件及组件、数据采集与处理系统组成。

其中，USB_PCL6045B控制子系统用于控制驱动器实现运动滑轨的运动控制，运动滑轨（包括直线运动滑轨和旋转滑轨）在电机带动下产生直线和旋转运动，固定在运动滑轨上的惯性测量单元（也可以只有加速度计或陀螺仪）敏感滑轨的运动，并对运动参数进行测量，测量的运动参数与设定的运动参数进行比较即能验证惯性导航原理、导航定位算法和滑轨控制方法。

基于此平台，通过數据采集与处理系统产生不同的运动滑轨运动状态（可进行直线运动、旋转运动组合），测量运动信息既可以采用完整的惯性测量单元，也可以采用单个陀螺仪与加速度计。将上述各种设备和不同方法组合起来，学生可以根据需要自行设计多种实验。

（三）教学实验效果分析

综合实验平台主要承担《惯性导航技术综合实验》课程中的惯性导航系统运动轨迹规划与设计实验、惯性导航系统动态实验和惯性导航系统半物理仿真实验三部分内容，现已在北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院研究生《惯性导航技术综合实验》课程教学中进行了教学实践。

实验教学过程中，学生分为8组，每组的组长负责组织本组学生进行方案讨论、组内任务分工。实验相关的基础知识与前沿技术在讲座中进行集中教学，实验设计与实践则分组进行。这样，每组会有不同的实验方案、实验数据，且均为独立设计与完成。

学生应用控制界面可以任意设定运动滑轨的运动参数和状态。程序设定的运动参数是利用惯性测量单元（惯性器件）进行运动误差评价的基准。利用惯性测量单元中X轴加速度计输出信号计算导轨横向移动距离，则会得到一组运动参数误差实验数据如图2所示。

图2中，横轴是采样点数，系统采样率是100Hz，所以横轴对应的时间是50秒。图中三条数据曲线从下至上分别对应加速度计的输出数据、利用加速度计数据计算的速度误差和位置误差。惯性测量单元安装误差、MEMS加速度计误差导致了较大速度误差和位置误差。图2数据显示了惯性系统的误差随时间累积，且器件误差越大累积的误差越大，这与基本原理相符。通过实验学生能对惯性导航相关知识有深入、直观的理解。

四、结束语

相较于老师为学生演示实验过程，或按实验指导书机械执行的确定性实验教学方式，本文提出的开放式研究型实验课程中，学生的积极性与参与性明显提高，形成了一种组内合作、组间竞争的良好气氛；实验方案设计过程中相互讨论，对实验本质有了深入认识，同时也培养了提出科学研究思路和方法的能力，而实验方案的开放性设计，则激发与汇聚成实验方案的创新性。这样，开放式研究型实验教学为学生营造了一种开放、活跃、积极、和谐的研究气氛，学生在实验过程中能够充分发挥自己的主观能动性与创造力，利用实验平台提供的软、硬件条件，独立完成了创新性工作，使自身的科学实践能力得到锻炼与提高。

本文所提出的开放式研究型实验教学方法对工科研究生培养具有普适性，可在各学科中进行推广，另外，本文提出的教学方法也可在高年级本科生实验教学中应用。

参考文献：

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