麦克马斯特大学实验课程考核体系分析与借鉴——以控制系统导论为例

张 乐， 赵晓东， 郭云飞， 樊 冰， 孔亚广

（杭州电子科技大学a.自动化学院；b.国有资产与实验室管理处，杭州 310018）

0 引 言

实验是学生学习知识技能的必要途径之一，高等学校实验课程是学生验证理论知识，理解和运用科学原理的重要实践过程，学生通过理论学习-动手实验-结果分析这一基本过程，实现在实践中学习的教育目标［1-2］，一方面在实践中巩固所学理论知识，另一方面提升解决实际问题的能力。在面向学习产出目标的新工科人才培养模式中，实验环节对学习效果认证的指标点具有支撑作用。高质量的实验课程体系设计不但包含实验内容的合理安排和教学过程的有效组织，还包括恰如其分的实验教学考核体系，即如何评价实验教学的效果，如何评估学生通过实验教学环节所达到的学习效果，合理的考核评价制度能够对学生的学习产生积极的导向作用，是达到实验课程培养目标的有力保障。

1 国内外高校实验课程考核方法概述

国内外高校在实验课程的设置上，一般都采用理论课时与实验课时相结合的方式，对于一门专业课程，通常在理论知识学习之后安排与知识点相对应的实验教学内容［3-6］。在对实验课程的考核方法上，国外的大学表现出多元化的特点。美国麻省理工学院［4］的模拟电子实验导论课程将考核成绩细分为：家庭作业占10%，小测验占15%，实验操作占25%，项目设计占50%，项目设计部分占比最大，体现了该校非常重视对学生设计能力的培养。UC Berkeley（University of California，Berkeley）大学［5］数据结构课程中，实验内容占课程总成绩的40%，其中设计部分占35%，重视对学生解决问题和创新能力的考核。而爱丁堡大学［5］还规定口头报告占实验成绩的20%。澳大利亚的伍伦贡大学［7］重视对学生综合实践能力的考核，课前预习仅占总成绩10%，实验操作考试占60%，实验报告部分仅占30%，实验课程还以研究小组的形式完成一些小项目，将资料查找，设计操作和分析过程纳入总评成绩，全方位培养学生综合素质。同时，国外许多高校都非常重视安全和诚信教育，将其视为科学素养的培养中必不可少的一部分。

国内许多高校近年在实验教学内容和教学方法的设计上都进行了优化改革［8-12］。实验课程考核体系也有不同程度的创新。比如复旦大学［4］模拟与数字电路实验考核成绩中，实验报告的平时实验成绩（包含预习和课堂纪律）占80%，期末考试20%。南开大学［7］的环境化学实验每次课前5 min请学生口头表述上次实验内容，作为实验成绩的参考部分。中国科技大学［13］和延边大学［14］也改变以往实验报告“一锤定音”的考核方式，将实验预习，实验操作，实验报告和实验考试联合起来完成对学生实验能力的核定，前者采用10～12 min的PPT汇报进行实验答辩考核，后者将实验预习提高到与实验报告同等重要的位置，各占总成绩的40%。四川大学［15］采用分类考核的方法，分别对8年制和5年制的学生采用不同的权重进行实验课程的成绩考核。成都医学院［16］考核评价指标包含了实验技能，学习过程以及创新能力几部分内容，兼顾学习态度动机，以及发表论文，申请专利等成果。总的来说，我国高校实验课程考核体系在传统以实验报告为主的考核基础之上，更多地加入了过程性的考核因子，使得考核更全面。但从考核指标来看在过程性考核得分点的量化方面还需要进行科学的细化。

2 麦克马斯特大学控制系统导论实验课程考核方法

麦克马斯特大学是一所富有创造力和革新精神的加拿大顶尖学府，学校因开创了问题驱动教学法，影响了整个北美教学体系［17］。学校的控制系统导论课程是电气与计算机工程学院的一门专业课程，共设1位主讲教师和6位助教，其中实验教学环节分为控制系统简介（Introduction），系统辨识（System Identification），比例控制（Proportional control），前导控制（Lead control）和滞后控制（Lag control）5个主题，共30课时，如表1（资料来自该校教学文档）所示，由助教进行指导和考核。实验教学考核方法的相关资料由课程大纲、实验评估说明、实验要求3部分构成。

表1 控制系统导论实验课程安排

课程大纲规定了实验课程在整门课程考核中所占的权重如表2（资料来自该校教学文档）所示，并列出诚信规范以及安全操作要求。实验评估说明文档对实验过程评估原则做共性的描述，比如分组要求，预习报告和实验报告完成要求，助教进行现场考核提问的具体方式，以及对延迟提交预习报告的分段惩罚条款等。实验要求文档针对每个具体实验提出了考核指标，比如需要解答的题目，需要完成的实验操作，以及需要提交的文档等，每项附有详细的评分标准。

表2 控制系统导论实验课成绩不同环节的权重

该校将问题驱动的教学方法广泛运用于实验教学过程中，通过高质量的问题设计，一方面评估学生课前预习和实验过程的达标情况，另一方面使学生在问题的引导下，进行由浅入深的思考，寻找解决问题的方法并进行分析验证。

例如，在闭环系统辨识实验中，首先提出该实验需要在实验课时内完成的任务，具体包含了需要回答助教的7个问题，2个实验操作内容，以及1项文档撰写任务。给定伺服系统的线性时不变模型进行拉氏变换后的传递函数为：

式中：A为增益；Tm为时间常数。

反馈系统框图如图1所示。

图1 反馈系统框图

需要通过实验的方法估算A和Tm。实验过程中学生要完成的问题有：①提供模型G（s）阶跃响应的完整推导；②该阶跃响应是否有界？证明你的答案；③当H（s）＝1时，闭环传递函数的通用表达式推导等，每个问题都有相应的分值且具有逻辑关系。实验操作环节，需要展示实验结果并阐述实验过程给助教，才能获得相应的分值。最后撰写一份关于如何运用实验方法解决某实际问题的报告。这种将实验环节的考核指标量化到每一个学习节点中的做法，使学习过程更扎实，更能清楚实验目的和解决问题的过程。

此外，课程大纲中还明确列出安全规范和诚信教育要求，以及对于违反学术诚信原则的惩处措施，具体包括成绩为零、在成绩册中标注学术不端备注、以及停课开除等。

3 构建量化的全过程实验考核体系

我校实验课程现行考核方法沿袭了国内传统的以实验报告为主，口头答辩为辅的模式。老师一方面根据学生撰写的实验报告是否规范，对实验目的，实验流程的描述是否清楚，以及实验结果是否正确，另一方面在实验结果展示时进行随机提问，考查学生是否真正理解实验原理来综合评定实验成绩。提问过程一般没有量化标准，由老师主观判断打分。总的来说，已有的考核体系主要关注实验结果，而对学习过程考核比较笼统，科学素养方面的要求不够明确。

为使实验教学过程能够兼顾形成性评价和结果评价，对实验过程进行了阶段性成果评估和效果反馈，注重实验技能、创新能力、和科研诚信素养等综合素质的培养。分析和借鉴麦克马斯特大学实验课程考核体系的优点，通过对实验3个阶段进行指标量化考核，让教师动态掌握学生的在各阶段的任务达成度，更加有针对性地指导教学过程。通过完善考核内容，将操作规范和诚信素养要求贯彻于实验考核过程，培养德才兼备的高素质人才，形成了实验课程全过程量化考核体系（见图2）。

图2 实验课程全过程量化考核体系

该考核体系具有下列优点：

（1）问题引导，提高了学生的自主学习效率。遵循学生认知规律，面向学生的自主学习活动设计考核指标，比如实验前导阶段，设置与实验内容相关的铺垫性问题，旨在启发学生对理论知识或关键参数的回顾和思考。通过将实验课程前导阶段明确纳入考核成绩，以具体问题引导学生明确实验课程所需要的知识准备，改变了传统的实验课程预习环节流于形式，学生仅提前阅读实验指导书，甚至到了实验课堂才开始边看指导书边做实验的状态。课内实验环节，设置难度渐增的问答或计算题，穿插于实验过程之中，引导学生边思考边实践，由浅入深地进行实验活动，达到以实验验证理论，以理论解释现象，进而以理论指导和设计新的实践活动的目的。

（2）指标量化，提升了考核的可操作性。为提高对学习过程考核的可操作性，设计了易于执行的量化评分表，以学生学习进程为线进行量化评分。实验考核量化制度将实验过程进行难度分解，更加容易帮助学生发现学习知识的遗漏点和薄弱环节，而且提高了实验课程成绩评定的客观性和可操作性。表3所示为自动控制原理课程的线性系统的时域分析实验量化考核内容。

表3 线性系统时域分析实验量化考核表

（3）内容完善，扩展了考核的维度。新的实验考核体系在考核的内容上，融入了实验安全、科学诚信以及相关伦理原则的考核元素。在实验之前安排安全和诚信教育，在实验课程的动手实践过程和实验报告撰写过程中都有关于学生个人诚信的考量，一旦发现有违反学术诚信的行为，实行一票否决制度，取消该实验课程资格和成绩。

在考核的时段上，贯穿了从课前预习到课后报告的完整学习过程，考核评价包含实验前导环节，课内实验操作和课后实验报告3个阶段，老师以具体考核要点为线指导实验过程，不仅以最终的实验结果作为完成实验的唯一标准，能够比较客观地评估学生的学习过程和效果。

4 结 语

实验课程是教学活动中的重要内容，是与理论课程互为支撑的实践过程，高质量的实验课程需要完善可行的考核体系作为保障，通过总结国内外实验课程体系的改革成果，着重以麦克马斯特大学控制系统导论为例分析其考核细则，通过与本校同类课程的比较，构建了新的实验课程考核体系，该体系考核内容更加完善，考核过程易于执行，得到了国家一流课程教学专家的认可和采纳，并将在新一轮的自控原理实验课程中进一步实践和完善。