新工科背景下机电综合创新实验课程改革

卢佳佳，李 慧，冯显英，杜付鑫

（山东大学a.机械工程学院；b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南250061）

0 引 言

面对国家对创新型人才的迫切需求，如何更好地培养高校学生的创新意识和创新能力，是摆在高等工程教育面前的重大课题。为适应新经济发展和国家发展战略，教育部组织讨论分别形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”。三次探讨统一了思想、达成了“共识”，认同“新工科”的内涵是在人才愈发重要的未来，专业建设与规划应重点考虑其动态性、灵活性、综合性和引领性，应着力培养学生的不断学习能力、创新能力、设计能力和实践能力［1-4］。实验室是高校开展创新教育的主要阵地，而实验教学是“提供获取知识的手段，培养学生的研究、批评和反思精神，使学生具备自动求知和继续学习能力”的途径之一，实验室与实验教学是落实“新工科”这一重大、专项和前瞻性的“国家行动计划”的两个重要举措。因此，全国各高校在“新工科”背景下，以如何培养和提升当代高校学生的创新思维和实践能力为研究内容，从实验室的资源配置、实验教学改革和运行管理等方面均做了初步的实验和实践，并取得了一定的成效［5-10］。

本文主要研究了在“新工科”背景下机电专业的本科生如何开展综合创新实验，对高校机电专业实验教学目前存在的问题进行了调研分析，结合自身实践经验提出了机电创新实验教学的目标和原则，并在此基础上构建了“新工科”背景下的机电创新硬件平台及该平台的运行保障机制，最后介绍了“新工科”改革所取得经验和成效。

1 机电专业实验教学存在的问题

在高等教育中，实验教学是培养高校学生创新实践能力的主要途径，是落实实践育人的关键一步。目前工程教育对于当代大学生越来越显示无适应性。经调研，国内高校大多实验课程受实验课时的限制形成以验证性实验为主，设计性、综合性实验所占比例低，实验过程的固化很难让学生产生探索兴趣，发挥其主观能动性，实验教学模式只重视单元知识，缺乏对整体知识框架的梳理与融会，工程化思维和总体运筹能力培养不足［11-18］。具体就目前机械电子工程专业学生所使用的PLC试验台而言，其相关实验教学学时太少，学生往往浅尝辄止，无法深入探究，且演示型、验证性实验比例高，模拟性实验无实物依托，无法发挥学生的主观能动性，更不能培养学生的探索性思维。除此之外，实验教学从属于专业理论课，教师和学生往往对其不够重视，实验考核方式片面，常常局限于签到、实验报告和实验结果等方面，缺乏对实验探索过程的认可。同时实验室开放程度较低，实验教材更新缓慢等问题不仅造成实验室资源的浪费，也制约着对学生创新探索能力的培养。除了以上传统教学方式形成的问题之外，还面临着一些由新时代的需求和行业界需要决定的新问题，包括学生自主学习能力、团队协作能力、国际化视野、工程设计能力、多元文化交际能力、跨学科知识体系等。这些新的问题正是世界各国在未来工程教育改革中极为重视的问题。

2 机电创新实验教学的目标和原则

高校办学理念决定着学校的长远发展。解决现存教学问题的关键是提升理念，实验教学理念是实验教学的指导纲要，创新实验教学应建立在以学生为本，知识传教、能力培养、素质提高相互协调发展的育人理念和以能力培养为核心的实验教学观念的基础之上，并设立有利于培养高校学生动手实践能力和创新创造能力的实验教学项目。基于项目引导的实验室开放，能够有效地促进实验室资源的开放共享，同时要及时更新先进设备，全面提高实验教学水平。为实现以上目标，创新实验教学的改革应遵循下面3项原则：

（1）探究性学习。探究性学习是以实际问题作为突破点，启发学生质疑并发现问题，引导学生调查、研究相关资料，鼓励学生尝试解决问题的方法。通过实验实践，思考解析问题，证明已知理论、求证实验假设，交流问题的原理，从中获得知识和掌握方法。在探究性学习模式中，教师和学生共同参与，相互平等，并鼓励学生发挥主观能动性，大胆地独立探索。探究性学习是培养学生研究性思维的有效方法，不仅有利于培养学生的团队协作能力，还有利于学生自主意识与掌控研究过程能力和学术交流能力的提升。

（2）强调创新。创新不仅仅是对学生的要求。一个创新的实验教学体系还体现在教学模式上的创新、实验室管理的创新和硬件平台上的创新。现在的实验教学模式主要的问题就是“按部就班”进行，学生在其中容易思维僵化，创新意识难以形成；良好的实验室管理运行机制能够保证实验室的正常运行，最大限度地发挥实验教学资源效益，提升资源的价值；前沿的硬件平台不仅能拓宽学生的思维和视野，激发学生和教师的创新意识和动力，还能推动学科的不断发展。

（3）开放共享。开放共享能够激发创新实验室的活力。基于创新实验室的建设目标，整合优质实验资源，建立开放共享运行机制，设计开放性综合创新实验，不仅提高了实验室资源的重复利用率，也为学生营造了一个自由探索的实验环境，充分发挥其创新创造活力。

3 新工科机电创新硬件平台构建

依托机械工程国家级实验教学示范中心、电力电子节能技术与装备教育部工程研究中心、机械工程学院机械电子工程研究所、控制科学与工程学院自动化研究所，两学院的力量形成了实验教学改革的雄厚基础。通过整合现有的实验室资源和引进先进的实验器材，实验室现有西门子1200PLC实验台10台，基于西门子PLC的柔性制造中心，KUKA六自由度机器人1台，康耐视视觉实验台6台，固高科技伺服运动平台XY型2台，单轴1台等。2018年实验室建设项目计划购买机械臂2～4台，实验中心计划与深圳越疆公司共建越疆魔术师系列高端一体化STEAM综合教育平台。借助以上硬件平台，可展开一系列基础实验项目。除此之外，实验室还搭建了机光电液一体化柔性实训系统，涵盖PLC编程、测试与控制技术、组态编程、工业总线、传感器、机械制动、气动、机器人等课程。通过此实训系统平台，可开展比较大型的综合创新实验项目。

总体思路是以西门子1200PLC等实验台为基础，以柔性制造机电系统为综合创新实验对象，从电气元件选型、电气图设计、气动液压设计、PLC编程与调试、机器人编程、机器人与PLC协同、伺服运动控制、基于人工智能的机器视觉等方面建立综合实验项目。学生通过西门子PLC实验台锻炼基本编程能力，具备电气设计和PLC编程能力之后，将柔性制造中心分成若干工位，一组学生分别负责柔性制造中心的一个工位，然后加入机器人、3D打印机和视觉实验台之后，最后开展综合创新实验。整个实验教学过程中，重视引导学生学习研究实验本身的思想内容，重视传授给学生掌握实验所体现出的创造性思维过程，增强学科前沿知识的拓展，激发学生探究创造的兴趣。硬件平台构建思路及硬件基础分别如图1、2所示。

图1 机电综合创新实验硬件平台构建思路

图2 机电综合创新实验教学平台硬件基础

4 实验教学平台开放运行保障机制

4.1 交叉联合运行机制

目前高校实验室普遍存在两种状况，①实验教学资源虽然充足，但分布在不同的学院中，各个学院独立运行管理，无法实现资源共享或不便于共享，造成资源浪费，且重复利用率低；②实验室教学功能相对单一，只能为己所用，为课堂所用，开放程度低，无法满足本院及外院学生的对实验实践的要求。要解决这样的问题就需要考虑跨学科性和学科交叉性，打破按学科设立使用实验室的传统管理模式，与其他学院功能相关的实验室一起建立联合实验室。

以本文构建的实验教学平台为例，机器视觉实验台不仅可以应用于机电学生的相关实验，计算机科学学院的学生也可以利用该平台做图像处理、计算机软硬件方面的实验；固高科技伺服运动平台和柔性机械臂等实验器材还可以给控制工程学院的学生做运动控制相关的实验教学。

4.2 设计开放性创新实验

学生对未知事物的兴趣和专业能力增长需求是其参与工程实践与创新训练的动力，实验教学应能吸引学生参与进来，在学生还没有设计学习问题的能力时，帮助其设计有效的实际问题，引导启发学生进行创新实践。依托机电创新硬件平台，通过设计开放性创新实验吸引不同层次的学生以不同的方式参与创新教育。

为激发学生创新思维，培养学生综合创新能力，将实验项目分为学生选做项目和课程给定项目两大类。以柔性制造机电系统为实验对象，从电气元件选型、电气图绘制、气动设计、PLC编程与调试、机器人编程、机器人与PLC协同、基于人工智能的机器视觉等方面建立综合实验项目。

4.3 开放实验室，启发创新

实验室是培养学生创新实践能力的场所。开放实验室，既满足了学生对动手实践的课外要求，提高教学质量，实现素质教育，又提升了实验教学资源的价值，避免资源浪费，也是培养高校学生工程实践能力，培养创造型人才的有效途径。

为了保证实验室的开放共享，学院专门制定了实验室开放管理办法，为学生营造了良好、宽松的学习环境。机械、电气、控制学院三年级本科生，分成若干个小团队，每个小团队自由组合4～6人。由于人数较多，课程安排不同，结合全天候开放方式准许学生自选时间，特别是对实验不成功的学生允许他们在给定的时间段内重做。

4.4 完善教学评价体系，加强教学质量监控

人才的培养质量需要完善的教学评价体系和质量监控体系来保证。将全班分成若干小组，通过多样化的评价方法和多层次的考评环节，建立了一套完整、科学、可操作的实验课程绩效评价体系，监测教学质量和教学水平。

机械综合创新实验课程成绩考核内容包括：①实验报告（或提交的实物）评价：分别对各模块的成果进行评价，以保证后续实验的顺利进行；②阶段性作业评价；③实验过程中的研讨评价。

5 实验教学改革成效

通过实践，本文所提出的机电专业实验教学改革取得了一定的经验和改革成效。

（1）解决了专业实验教学课附属于专业理论课的问题；在“理论适度”基础上通过“工程项目应用案例强化”奠定学生基本理论和应用能力。

（2）开放性实验摒弃了以老师为中心，实验指导书为模板的验证性教学模式。发挥学生的主观能动性，激发学生的探索兴趣，体现创新意识，反映综合素质，使实验室真正成为培养学生综合素质，创新能力的基地，机械、控制、电气等工程学院本科生以及其他专业对机器人有探索兴趣的在校生均能从中受益。

（3）首次提出由小团队模式向大团队模式过渡的实验教学模式。

6 结 语

我国高校要加快步伐建设和发展新工科。一方面，要积极组建和发展一批新的工科专业，另一方面，要继续对现有工科专业进行创新改革。本文总结分析了机电专业实验教学存在的问题，并提出了实验教学改革的目标和原则，构建了新工科机电创新硬件平台，主要通过实验室交叉联合运行机制，设计开放性创新实验，开放实验室，建立教学评价体系，加强教学质量监控，在实践教学中实现新工科背景下创新创业型人才的教育，早日促进我国从工程教育大国走向工程教育强国。