基于便携式实验箱的控制综合实验教学方法改革研究

褚 菲 ，云 霄 ，莫双双 ，尤富强

（1.中国矿业大学信息与控制工程学院 江苏 徐州 221116;2.东北大学信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 110819）

随着科技革命与产业变革的深入发展，国家和企业对大学生的需求不仅仅是掌握单一学科的传统型人才，更希望获得有多门学科交叉融合发展，有系统思维的专业型人才[1-2]。高校应更加重视培养学生解决工程问题的能力，不断完善和提升实验教学内容，把具有实际应用背景的工程课题引入课程实验，使学生在教学实验中掌握基本方法、技能，锻炼解决本学科领域中工程问题的能力。本文在基于便携式实验箱的控制综合实验教学经验的基础上，提出了一系列探索创新，以提升专业性实验教学的效果和质量，锻炼学生创新、实践的能力，实现创新型人才培养目标。

1 课程的现状

近年来，随着5G、物联网、大数据、人工智能、云计算等新技术新兴产业的迅猛发展，国家和企业对新型人才的需求十分迫切。与此同时，我国创新型人才的结构存在不足，缺乏世界级别的科技大师、领军人才和尖子人才，且工程技术的人才培养与实际生产和创新环节脱节[3-4]。因此，党的十九大报告提出创新驱动发展战略，培养具有国际水平的战略科技型人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队。2017 年，教育部在新工科建设中先后奏响了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，启动和部署新工科建设。随后，出台《教育部、工业和信息化部、中国工程院关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0 的意见》，从理念、结构、模式、质量、体系等方面全面深化工程教育改革[5-7]。经过新工科研究者与实践者的探索，新工科的改革已经取得了成效，形成一些可推广的新工科建设模式，达成新工科人才培养的共识。

“基于便携式实验箱的控制综合实验”是基于STC 单片机平台设计，以加热铜块和直流伺服电机为被控对象进行开发，是一门在高校自动化、电气工程及其自动化等专业的课程体系中旨在培养学生创新能力和提高专业素养的实验课程，是理论与实践密切结合的有效环节[8]。传统实验课程多为基础验证性实验且实验内容之前关联性不强等，该课程又不同于传统实验课程，是基于项目教学的综合实验教学方法，以完成实验内容和解决问题的多维互动式实验教学[9]。通过基于项目教学的综合实验方法的训练，学生可以体验到从组织安排到完成实验的过程，从而可以培养创造性实践和解决问题的能力。

2 教学过程中存在的问题

2.1 学生对实验教学的重要性认知不足

传统的实验课大多附属于理论课中，一般为6 或8 个学时，实验课占比少，使学生养成了一种重视理论课程而忽视实验课程的思维。另外，受应试教育目标的影响，学生在写实验预习报告时，只是将实验目的、原理、步骤、注意事项等主要部分根据实验指导书进行誊抄，没有了解实验中被控对象的结构、工作原理及实验操作的步骤。同时，纸质版教材是一种静态的阅读体验，对于实验操作部分叙述太单调，仅有文字和图片，缺少现代电子教材文字图片数字化、仿真及模拟的优势，使学生对实验缺乏足够的关注，结果造成对实验操作的参与度极低。对实验教学的重要性认识不足，使得学生投入的精力较少，不利于学生个性的发展和创新力的培养。

2.2 实验的考核模式单一，反映不了真实成绩

传统实验考核工作流于形式，模式单一，不仅影响实验考核，也影响教学过程。教师对学生考核评价大多数是在实验课程结束后进行，主要是根据学生的预习报告、出勤率和实验报告进行综合评定。这种考核方式缺乏实验细节观察、缺少学生个性化培养，也难以满足工程认证中“以人为本，以学生为中心”的人本主义教育思想的目标要求。

2.3 过分依赖现有的资源

由于项目驱动的综合性实验复杂，涉及的程序较多，为了免去学生编写烦琐的底层程序，进而对系统建模、参数的整定及控制器的验证与设计更加专注，程序大多数由实验平台的程序包所替代，因此在实验过程中很多程序无须学生亲自动手，只需要按照指导书的步骤调整参数，而学生在操作实验中不用理会其中的底层程序原理，也能得到想要的结果。很显然这种教学模式降低了实验的难度，结果使学生对实验系统过程缺乏整体的认识，理解仅停留在调整参数上，不考虑其中的原理，导致学生的创造能力得不到提升。

2.4 实验的内容单一，缺乏研究性设计实验

大多数教师在实验开始之前，简单地对实验目的、实验原理、操作步骤、数据分析等进行说明，学生只需要按照实验指导手册提供的实验，并按照一定步骤按部就班地完成操作，最后完成实验报告的撰写。缺少利用系统开发具有特色的实验，使得整个实验体系过于形式化，忽视学生的主体作用。实验体系的僵化，学生缺少理论结合实际的研究性环节，不利于强化对理论知识的认识。

基于便携式实验箱的控制综合实验虽然在一定程度上有培养学生解决复杂过程问题的能力，但由于以上总结的各种不足，导致学生对整个过程缺乏思考，影响了学习的积极性，实践技能也无法得到锻炼。为了更好地开展基于便携式实验箱的控制综合实验课和提高实验课程的教学质量，提出了对此实验教学方法的改革研究。

3 基于便携式实验箱的控制综合实验教学改革措施

3.1 巧妙融入思政元素，提升文化自信

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[10]。为认真贯彻落实习近平总书记重要讲话精神，将思政教育融入专业实验课程中，实现立德树人的最终目标[11]，在课程开始时结合某个时政内容做一些引导，将课程思政中的“思政”内容与实验的背景、内容，巧妙自然地结合在一起，使学生在无形之中受到思政教育。在实验课程教学中巧妙融入思政元素，既能够以较快的速度将学生引入本堂课程内容当中，又润物细无声地将爱国主义教育与爱国情怀融入专业知识，使学生适应未来新兴产业和新经济需要，成为胸怀科技报国理想，勇担民族复兴大任，共创人类美好未来的卓越工程人才。

3.2 充分发挥主导调控作用，提高对实验重要性的认识

纸质实验指导书对实验操作部分的叙述太单调，仅有文字和图片。而随着互联网的发展普及，电子书方便快捷，信息容量大，并且体现形式更加丰富，可以有图片、声音、影像等。为了培养出适应现代高等教育发展要求的创新型人才，满足工程认证中“以人为本，以学生为中心”的人才培养要求，因此，对实验教材进行改革设计，将便携式计算机控制实验资料通过电子教材发放。老师在开课前需要把学生资料包拷贝给学生，包括实验设计手册，演示视频，学生安装软件包等。学生在上实验课前根据实验操作手册与演示视频的要求认真预习，了解便携式实验系统所需软件以及实验系统的整体结构，熟悉实验中被控对象的结构、工作原理、操作的步骤及复习与本实验相关的理论知识，最后形成支撑实验的预习报告。根据预习情况，老师首先讲解该实验可以满足的社会需求以及其应用价值，从心理上激发学生的学习兴趣，然后聚焦实验的重点、关键点和注意点，使学生对理论知识的认知从感性过渡到理性。其次，使学生了解该课程在教学体系中的作用，明确该实验课程的重要地位等，充分发挥好主导调控作用，提高学生对实验课的重视。另外，需要制订相应的实验教学考核与成绩评定的标准，进行综合的评定。实验考核的内容包括：实验预习、实验操作（包括选做实验）、实验态度和表现、实验记录、实验报告等。需要特别注意的是，只上交实验报告，未参加实验其他环节，实验成绩是无效。

3.3 形成分层次教学，增加自主创新实验的力度

增加研究性实验，形成分层次教学。立足于学生的实际情况，针对不同层次学生的接受能力，在实验内容上，除了5 个必做的实验项目外，还提供2 个选做实验项目，学生可以结合实际情况，选择实验的内容。必做实验是系统模型辨识实验和基础性实验。系统辨识实验是通过实验加深对被控对象的理解以及体会参数变换对系统的影响，基础性实验是通过实验了解控制系统的组成，以及PID 参数各项参数的作用等。选做部分主要引入了研究性实验设计教学内容，其目的是自行开发设计算法并实验，完成对控制系统的仿真分析及实时控制研究。在实验过程中老师对学生提出的问题不必及时给出解决办法，要善于鼓励不同小组之间合作，给予学生发表意见的机会，激发学生的科研热情和创新思维。

3.4 创造有利条件，实现实验室开放式管理

由于实验过程中的突发状况，导致实验的进度慢或实验结果不满意，允许学生可以重新进行实验，同一个实验也可以实验多次，充分利用资源解决实验过程中导致结果不理想的问题，锻炼学生分析、解决问题的能力；另外，还可以发挥一下实验资源优势，在完成必做和选做实验的同时，鼓励学生参考相关资料，提出其他实验的想法，自主设计完成实验，从而由综合性实验转变为设计性实验。设计优秀作品可以借鉴作为下一年的选做实验，让学生充分体验开发的乐趣，也使课程内容处于前进更新的状态。

4 结语

基于便携式实验箱的控制综合实验作为高校自动化、电气工程及其自动化等专业课程体系中的核心课程，对学生提高应对工程项目能力，成为高素质工程科技人才具有十分重要的作用。针对该实验课程中存在的学生认识不充分、过分依赖现有资源、实验内容单一等一系列问题，提出了相应的改革措施，从而更好地锻炼学生观察、分析和解决问题的能力，培养学生的创新精神，在后期的实践教学过程中，也取得了一些反馈与教学效果。但随着对专业型的高素质应用人才需求不断增加，培养适应社会需求的专业型人才，还在不断探索的过程中，仍需要进一步完善。