理工科院校研究生理实一体化项目式教学法的改革与实践

刘海洋 侯占峰 宣传忠 佟鑫 闫建国

摘要：工程技术类课程作为多数理工科院校研究生培养的重要基础课程，其目的在于加强理论与实践的融合，全面提升研究生从事科学研究的能力。在实践教学过程中，该类课程注重将科学研究的关键环节融入工程实践当中，以技术应用和实践操作为重点内容，强化学生对各实践教学环节的掌握、理解与应用，使学生全方位掌握从事科学研究的基本方法与过程。本文以“计算机控制技术”为研究目标，采用理实一体化的项目式教学改革理念，探索面向工程应用的全方位综合一体化教学模式，将科学研究基本过程作为核心和主线贯穿于课堂教学。通过该类课程的教学改革，将为研究生后续顺利完成课题研究和从事科学研究工作奠定坚实的基础。

关键词：工程类课程；研究生培养；理实一体化；项目式教学；科学研究

中图分类号：C420 文献标识码：A

一、概述

工程技术类课程作为研究生培养的重要基础课程，在教学过程中，如何有效引导学生在提高理论知识水平的同时，提升实践动手能力和从事科学研究的能力，掌握课题研究的基本方法、过程与规律等，不仅是该类课程需要解决的关键性问题，同时也已然成为当前高等院校工科类研究生适应新形势、新技术发展的当务之急。本文以“计算机控制技术”课程为例，探讨理实一体化的项目式教学改革理念，探索面向工程应用的全方位综合一体化教学模式。

二、课程教学现状研究

目前，国内多数高等工科院校的自动化、电气工程、信息工程等专业都开设有“计算机控制技术”课程，该课程理论性和实践性都很强，着重培养学生的创新能力和工程实践能力，不但要求学生能够熟悉计算机控制技术的相关理论知识，而且要求能够将所掌握的系统分析设计方法熟练地应用到工业控制过程的各种实际场景中。然而，在实际授课过程中，往往只注重理论的分析与推导，或者在内容上以处理器为基础过分强调计算机控制系统的设计、搭建及相应软件程序开发，无法将该课程所涉及的理论知识转化成相应的实践创新能力，造成理论与实践严重脱节，导致学生在课程结束时仍无法完整掌握系统的设计与分析、搭建与调试、实验安排与实施、结果的测试与分析等相关内容。

欧美发达国家的高校对计算机控制类课程的教学活动设计与国内高校有着明显的差异。我国将“计算机控制技术”定位为专业技术基础课，侧重书本知识和理论教育；教学活动的基本模式是教师讲、学生听；教学过程中学生的参与和师生间、学生间的互动很少。国外高校将该课程定位为工程实践类课程，强调对学生工程实践能力、表达交流沟通能力和团队合作精神等综合素质的培养；学生通过综合型、研究型实验过程中的实验构思、设计、实施和操作等环节，掌握课程知识、培养独立思考和动手能力。当然，造成这一区别的原因是多样的。首先，开设该类课程需要提供良好的开放实验室环境，目前我国多数高校的相关实验室不能完全满足实践教学需求；其次，相较理论教学型课程，实践类课程需要更多的学时数，必须让学生有充足的时间思考、研究与实施，但国内该课程的学时数明显不足；最后，需要在科研和教学方面具有丰富经验的教授从事教学活动，将科学研究的全过程融入教学过程中。

三、课程改革的内容及目标

本文以“计算机控制技术”为研究对象，提出理实一体化的项目式教学改革新理念，即理论课程结合研究生课题研究实际需求合理安排教学内容，实践课程采用以典型工程研究项目为依托的基于研究过程的教学方法，理论指导实践、实践结合应用、面向工程应用的全方位一体化综合教学模式，旨在实现以下教学改革目标：

（1）将理论课与实践课的教学内容相融合，加强理论与实践相结合的紧密程度；结合研究生课题主要研究内容，总结共性部分，提炼具有典型代表性的综合性工程应用案例，以项目式的授课方式推进理论与实践教学内容的实施；积极启发并引导学生对新技术、新知识的探究与应用能力的培养，锻炼学生对科学问题的思考、分析与解决能力。

（2）转变授课内容的重点，以学生课题研究为导向，由注重理论分析转向新技术的应用与工程项目的具体实施；将科学研究的主要环节作为重点内容融入具体工程实践项目當中，以技术应用和实践操作为重点内容开展教学工作，通过加强实践应用环节的训练强度，强化学生对各实践教学环节的理解、掌握与应用。

（3）完善课程评价体系，构建能够涵盖共性和差异性的综合性评价模式，降低理论知识掌握程度的考核比重，采用过程考核与创新考核并重的综合评价机制，以激发学生动手实践的积极性和主动性，注重学生在项目实践过程中的动手能力、自主学习能力及分析和独立解决工程问题能力等方面的综合表现，积极引导学生创新性与独创性地解决实际工程问题。

四、课程改革的基本过程与方法

（一）课程改革的技术路线

课程改革与实施的具体研究路线如图1所示。

（二）课程改革的主要内容

（1）以学生课题研究需求为导向，以培养科研水平与能力为目标，构建以工程实践为主、理论教学为辅的创新型项目式课堂教学模式；将课程的理论知识重新进行整合，将科研项目的研究成果与教学内容相结合，面向基于工程实践的与案例教学相结合的目标和知识体系进行教学设计。

（2）将理论与实践的授课内容与学生的课题研究紧密有效衔接，将传感器技术和虚拟仿真技术融入课程的学习中，加大传感器应用方面的实践教学内容，提高虚拟仿真技术在计算机控制系统中的应用比例，让学生边学习理论知识边实践，全面提升学生的学习兴趣、系统设计能力以及从事科学研究的基本能力与素养。

（3）结合学生课题研究需求，总结、提炼研究课题的共性部分，有针对性地对实践教学内容进行重新设计，将原有的验证性实验改为设计型、综合型和研究型实验项目；设计满足大部分学生课题研究需求，充分体现工程项目研究全过程的综合性典型应用案例，增设动态测试实验内容，从项目提出、需求分析、方案论证与实施、测控系统设计搭建、控制策略研究与分析、数据分析与处理、实验过程实施与指导以及结果分析等多方面综合提升学生从事科学研究的整体能力与素质。

（4）结合课程需求与实践教学改革目标，研制综合性实践教学设备；探索具有创新性的理实一体化综合考评体系，将原有单一依托实验报告的考核方式转变为项目实施过程、完成度、创新性、操作与汇报、实验报告与现场答辩的综合考评模式；将面向应试学习转变为面向工程实践与应用的学习，全面提升学生的团队协作创新能力、语言沟通表达能力以及学习的积极性和主动性。

（三）课程改革的主要研究方法

1.课程研究与实践的思路

采用项目式案例教学与基于研究过程相结合的系统化教学法，针对控制系统中的电路设计、信号采集与数据处理、分析等问题，主要采用图2所示的教学思路和方法。

授课时采用“工程项目提出－项目需求分析－方案论证与实施－项目测控系统设计搭建－计算机控制策略研究与分析－实验过程实施与指导－项目验收与结果分析”的教学过程。

首先，教师设计、提出以解决实际工程问题为目标的典型应用案例，并给出系统设计需要实现的具体参数要求与功能目标；其次，开展课堂讨论，分析实现项目各项需求的可执行方案与项目实施过程中存在的技术难点，引出工程问题与系统构建的相关性，继而探讨工程问题的解决方法，制订具体的实施方案；再次，对实施方案进行系统设计，选择合适的传感器、执行器与核心控制器等，组建测试系统，教师帮助学生判断组建测试系统的正确与否；然后，对系统设计方案中设计的相关理论知识进行学习与分析，并对数据采集的处理与分析方法和计算机软件等进行讨论学习；最后，通过搭建完整的计算机控制系统进行测试验证，对试验测试标定、数据处理分析、性能参数确定等过程进行全面准确地研究分析，强化项目实施过程中涉及的相关理论知识。

2.课程研究与实践的具体过程

课程研究与实践实施过程主要包括以下几个环节：

（1）任务安排：合理安排学生分组和实验项目的分配；提供多个典型实验设计项目，学生根据课题研究需求和设计能力选择合适的项目。

（2）理论教学：根据学生选择情况，教师需要在课堂上对各设计项目的设计目的、技术参数、设计要求、实验过程和数据处理等方面的要求和实施过程进行相关理论知识的讲解与分析。学生则需针对所选的设计项目查阅相关资料，初步制订设计方案，分割设计任务。

（3）小组研讨：各小组提交初步设计方案及实验进度安排，同时和指导教师探讨设计过程中存在的问题；指导教师对设计方案进行审查指导，形成合理可行的最终设计方案，并帮助引导学生解决存在的问题。

（4）项目实践：对项目设计中的测试系统搭建、实验测试等环节进行理论指导和实践指导。首先，学生根据设计方案和相关理论授课内容实现系统搭建，然后，在教师的指导下完成传感器的标定、数据采集与分析、计算机软件设计与调试、性能参数确定等过程，逐步完成整个项目的设计任务。

（5）实践过程综合评价：根据学生在试验设计过程中的具体表现（如电路设计、系统搭建与调试、实验实施、实验完整性、独立解决问题的能力、实践动手能力等）、计算机控制系统的运行情况、项目设计要求的完成情况及实施过程的创新性等对小组的平时成绩进行全面综合评价。

（6）答辩汇报：该环节要求所有成员均能基本掌握试验的全部内容；学生需要对设计的方案、过程、结论等进行全面讲解与分析，教师则根据学生在项目设计过程中承担的主要任务，对每个成员提出若干问题进行现场作答；根据学生的汇报与回答情况对小组的团队协作和语言表达与沟通能力进行综合评价。

（7）報告批改：对学生提交的项目设计报告进行批改。依据实验报告的规范性与完整性、实验数据的准确性与可信度、数据处理与分析的合理性及实验结果分析的准确性等对学生的研究资料的整理、分析与表述等能力与课程达成度进行全面评价，同时对课程的改革效果进行综合评价与分析。

结语

本文以“计算机控制技术”课程为研究目标，探索理实一体化项目式教学法的改革与实施方法，对教学内容进行重组，通过提炼典型的综合性工程案例，将从事科学研究的基本方法和完整工程项目的实施过程融入研究生教学的各个环节，强化理论知识与工程实践相结合能力的锻炼。该课程改革具有以下特点：

（1）转变研究生教学思想，以提升研究生基础科研能力和独立实施课题研究过程为目标，注重技术应用与工程实践相结合的教育教学改革思路。

（2）将科研项目的研究成果与教学内容相结合，开展理实一体化与基于项目研究过程的系统化教学法相结合的课程实施方案的探索与实践，以保证课堂教学容量、提高教学质量。

（3）将新理念、新知识和新技术引入实践教学体系，以典型工程应用案例为引导，提升学生在技术应用、方案制订与实施、测控系统设计与搭建、数据分析与处理等方面的整体能力。

（4）探索创新性综合评价体系，对学生能力的培养不单单局限于理论知识的掌握程度和应用熟练程度，加强对学生动手能力、分析问题和独立解决工程问题的能力等综合表现的评价力度，体现创新性与独创性的重要性。

作者简介：刘海洋（1985－），男，河南南阳人，博士，副教授，研究方向：环境控制工程与装备智能化研究。

通讯作者：宣传忠。