實驗教學中的工程實踐能力及創新能力培養

徐銀梅　崔家瑞　王尚君

摘 要 過去的實驗教學中存在與工程實際脫節、忽視學生工程實踐能力及創新能力培養等一些問題。針對這些問題，建設新的實驗教學體系，調整實驗課程結構，加強校企合作，進行實驗教學改革，使實驗教學內容更緊密結合工程實際，更注重學生工程能力及創新能力的培養，使學生成為合格的工程應用型人才。

關鍵詞 實驗教學；工程教育；創新能力；工程實踐能力

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）10-0147-03

Engineering Practice Ability and Innovation Ability Training in Experiment Teaching//XU Yinmei， CUI Jiarui， WANG Shangjun

Abstract Experimental teaching in the past have some problems， such as ignored the students ability of engineering practice and innovation training. According to the problems， constructed the new experimental teaching system， adjusted experimental curriculum structure， to strengthen the school and enterprise cooperation etc， to enable students to become qualified applied talents of engineering.

Key words experimental teaching； engineering education； innova-tive ability； engineering practice ability

1 前言

據統計，我國工程教育規模至2013年已居世界第一[1]。在高校工程教育規模快速發展的同時，也存在不少問題和挑戰，如工程教育與實際工程脫節，工程教育體系不夠健全，課程體系相對陳舊，教師本身工程基礎知識和能力欠缺……這就導致相當一部分工科畢業生缺乏工程實踐能力和工程基礎知識，在實際問題面前手足無措，難以滿足社會需求 [2]。由此可見，我國的工程教育人才培養質量有待進一步提高。

學生工程實踐能力和創新能力的培養是提高工程教育人才培養質量的重要因素，而實驗教學是培養學生工程實踐能力和創新能力的重要載體，所以實驗教學中學生的工程實踐能力和創新能力的培養至關重要。北京科技大學自動化專業是卓越工程師計劃專業和教育部第二批CDIO工程教育模式特色專業，在過去的實驗教學中存在與工程實際脫節、忽視學生工程實踐能力培養等一些問題。針對這些問題，建設新的實驗教學體系，調整實驗課程結構，加強校企合作，提高教師工程素養，使實驗教學內容更緊密結合工程實際，更注重學生工程能力及創新能力的培養，使學生成為合格的工程應用型人才。

2 建設新的實驗教學體系結構，注重培養學生工程實踐能力及創新能力

通過近幾年的實驗教學體系建設，實驗中心建立了“以驗證實驗為本、綜合設計實驗為主、創新實驗為優”的“三層式”實驗教學體系：第一層次以基礎驗證性實驗為主，主要在專業基礎課程中開設，確保學生掌握本專業的基本實驗技能，提高實踐動手能力；第二層次以綜合設計性實驗為主，該類實驗融合多門專業課程或一門專業課程的多個知識點，重在培養學生掌握系統完整的知識結構與綜合實踐技能，如自動化實訓實驗項目；第三層次以創新性實驗為主，主要在專業課程中設置，啟迪學生的專業設計與創新能力，此外還通過實驗室開放項目和科技創新實驗室鍛煉學生的實踐創新能力。

按照三層次教學體系，建設自動化實訓實驗室、創新實驗室等新功能實驗室，構建了從基礎課實驗室→專業實驗室→實訓實驗室的一體化實踐教學鏈，進一步強化了教學體系當中的創新能力和工程實踐能力的培養。

3 構建實訓平臺，培養學生工程實踐能力及創新能力

卓越工程師計劃專業和CDIO工程教育模式特色專業二者在學生培養目標上是一致的，都是培養工程應用型人才，都需要提升學生工程素養，培養學生工程實踐能力和創新能力。而過去，實驗設備多是教學儀器，偏重于理論驗證，與工程實際應用設備相差太多，造成實驗教學與工程實際脫節，使學生缺乏工程基礎知識和工程基本能力培養的手段和方法。為此研制一套自動化生產線實訓平臺，建成自動化專業實訓教學平臺，進一步強化教學體系當中的工程實踐應用環節，提高學生的就業競爭力，體現了實驗教學緊密聯系實際生產過程的工程特色。

該平臺以實際工業系統為原型，涵蓋完整的自動化工廠實訓系統，包括過程控制、運動控制和制造自動化等多個行業子系統。實訓平臺包括多個典型的工業控制過程，例如：張力控制系統描述了鋼鐵領域的軋機控制系統；多熱工參量控制系統描述了化工領域的鍋爐熱工參數控制系統；柔性制造系統描述了工業裝配一體化系統；鋼鐵行業廢水處理系統描述了鋼鐵生產過程中廢水處理的過程（混凝—沉淀—過濾—殺菌工藝）；等等。通過各個系統的學習，學生可以快速了解典型工業過程。

實訓平臺中課程涉及面廣，包括自動控制原理、現代控制工程、電路、模擬電子、數字電子、電機及其運動控制、過程控制、計算機控制、網絡技術、PLC、單片機和嵌入式系統相關學科的主要知識點。在對這些知識點進行梳理、分解與組合的基礎上，以實際工程項目設計開發的方式要求學生實現，學生可以在此平臺上將課本知識應用于實踐。

基于實訓平臺，引入主動式教學理念，以學生為主導，弱化教師的主體作用。在實訓過程中，通過提問的方式引導學生思考，可以有效地培養學生分析、提出方案并解決工程實際問題的能力及產品開發、設計、技術改造與創新的能力。endprint

該實訓平臺可以完整地、前后銜接地貫穿于整個本科教學階段，強化了教學體系當中的工程實踐應用環節，使學生學會應用所學理論知識解決實際問題，并深入了解典型工業自動化生產線工藝流程。為自動化專業的課程設計、畢業設計提供相應的訓練環節，提高了學生的就業競爭力，體現了實驗教學緊密聯系實際生產過程的工程特色。

學生通過實訓課程的訓練，不僅了解了工業生產工藝流程，提升了專業認同感，而且培養了學生的工程基礎知識、動手實踐能力、團隊合作能力和工程系統設計能力。

4 建立創新實驗平臺，在實踐中培養學生的工程實踐及創新能力

學院近幾年先后建成了三個創新實驗室，并面向全院學生全天候開放，結合學科專業特點，購置必要的研究設備和相關圖書，為大學生創新創業（SRTP）項目活動及各類學科競賽提供了一些基本的硬件條件及場地。實驗室建立了完善的管理制度和開放制度，由相關教師及實驗人員共同管理。學生進入實驗室前先提出申請，對創新項目作簡要說明，提出需要借用的設備和圖書，申請批準后由實驗室統籌安排進入實驗室。除了創新實驗室之外，所有專業實驗室在滿足實驗教學任務要求的前提下也向創新活動開放，接納學生開展科技創新活動，這些都對本科科技創新活動提供了有力的支持。

依托創新實驗平臺及各專業實驗室，學生科技創新活動蓬勃開展，學科競賽成績優異。自2008年以來，學生在科技創新項目和各類競賽中獲獎300余項，其中，國家級一等獎25項、二等獎55項、三等獎20項；市級一等獎70余項、二等獎100余項。通過完成創新項目的過程，培養了學生的創新意識和創新能力，提高了實踐動手能力，培育了團隊協作精神。

5 加強學校與企業交流合作，借助企業力量培養學生的工程實踐能力

實驗中心與企業合作建立聯合實驗室，為本科高年級學生提供多層面的就業培訓，將目前市場上的主流產品介紹給學生，讓他們掌握這些產品的開發、調試技術，使學生在日后的工作中占得先機。先后與美國德州儀器公司、美國國家儀器公司、和利時公司建立聯合實驗室，借助企業力量為學生提供更切合工程實際需求的各類培訓，培養學生的工程實踐能力。

鼓勵學生參加企業主辦專業競賽（如西門子杯、AB杯自動化應用系統大賽等），通過比賽過程中實際工程問題的研究解決，使學生了解自動化專業應用領域的前沿技術，促進學生工程應用能力的提高，激發學生學習工程技術的興趣，也培養創新能力、協作精神，體現“學以致用”的理念。

6 改革實驗教學方法，在教學過程中培養學生的工程實踐能力及創新能力

針對實驗教學與工程實際相脫節的問題，在實驗內容中增加實際應用系統的介紹內容。如電機及運動控制實驗中增加了介紹數控機床電機控制系統的內容，教師對系統的組成、功能、工作原理給學生做詳盡的介紹，學生可以看到實際的控制板、電機，并能自己動手操作一下，了解系統的軟硬件構成，并就相關問題與教師直接交流。這一實驗結束后，學生反響熱烈，大大激發了深入學習的熱情。

此外，在實驗資源庫中還給學生提供了一些典型運動控制系統的案例，如變頻空調控制系統、軋鋼過程中的張力控制系統等，分析系統工作原理及軟硬件實現。學生在課下通過學習了解實際生產過程中的電機是如何控制的，控制系統是什么樣子的，彌補了實驗設備與工程實際相脫節的問題，也開闊了眼界，對學生實際工程應用能力的培養是有益的促進。

傳統的注入式教育方式，重知識灌輸、輕能力培養，學生難以積極主動地參與教學活動，不利于培養學生的自主學習能力和創新能力[3]，不能滿足工程教育的能力培養要求。改變傳統預習報告的方式，在實驗之前，學生可以通過網絡實驗平臺資源庫中相關的實驗室概況及實驗設備介紹、實驗相關的課件和實驗預習要求進行預習，要求根據預設問題進行預習工作。通過預習問題的引導，學生去查找資料，回顧所學的理論知識，完成實驗預習問題。通過這樣的訓練，引導學生積極思考，使學生的自主學習能力和知識的綜合運用能力得到提升[4]。

在實驗過程中出現問題時，教師在確保安全的前提下，引導學生根據故障現象分析故障原因，并通過所學理論知識解決問題。故障排除由學生完成，教師的作用是引導和把關。通過問題的解決，培養學生分析問題和解決問題的能力，同時動手實踐能力也得到提高。

實驗結束后，學生實驗報告的撰寫不能是簡單的實驗過程和結果的羅列，要求必須對實驗的現象和結果進行分析。在分析過程中，實驗結果回歸理論，通過實驗結果的分析，再一次對理論知識進行確認，并對理論知識的理想情況與理論實際應用的差別原因進行分析，培養學生立足理論知識分析工程實際問題的能力。

7 結語

通過新的實驗教學體系建設、實驗室建設及結構調整、校企合作及實驗教學改革，解決了原有實驗教學中存在的實驗內容與工程實際脫節，沒有充分重視學生的知識綜合應用能力和創新意識的培養，以及實驗教學方法、手段單一的問題，注重了工程實踐能力及創新能力的培養，從而為培養高素質的自動化專業工程應用型人才打下了良好的基礎[5]。

參考文獻

[1]李文君.正確評估中國工程教育質量[J].教育與職業，

2015（1）：54-56.

[2]李蘭平.基于大工程觀的工程教育改革研究[J].科教導刊，2015（1）：36-37.

[3]張雪，李瑋，李慧.我國高等工程教育人才培養[J].河北聯合大學學報：社會科學版，2013，13（1）：89-92.

[4]宋永臣，楊明軍，劉衛國，等.本科生專業實驗教學研究探討[J].實驗室研究與探索，2014，33（2）：161-165.

[5]孔繁鎳，李燕，馬伏花.自動化專業CDIO培養模式研究[J].課程教育研究，2014（2）：232.endprint