“新工科”背景下以自制教儀服務(wù)于實驗教學的探討與實踐

鮑 艷, 李鴻儒, 張 羽, 吳傳平

(東北大學 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110819)

黨中央、國務(wù)院于2015年作出了建設(shè)世界一流大學和一流學科的重大戰(zhàn)略決策,明確指出高等學校“著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責任心,富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”的“雙一流”建設(shè)任務(wù)[1-3]。

2017年在復(fù)旦大學召開的一場關(guān)于綜合型高校工程教育發(fā)展的戰(zhàn)略研討會,立足于高校工科教育,通過對新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的剖析,解釋和厘清了工科專業(yè)在高素質(zhì)工程實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)中應(yīng)起到的作用和具體任務(wù),為高校工科專業(yè)發(fā)展改革指明了方向[4]。

高校各專業(yè)教學實驗室是大學生接觸工程實踐教育最初期、最基礎(chǔ)性的實踐平臺,實驗教學工作者必須主動思考實驗室建設(shè)、實驗平臺的建設(shè)應(yīng)采取哪些持續(xù)的、必要的改革舉措,才能不斷適應(yīng)工程實踐人才培養(yǎng)的需要[5]。

1 新工科背景下實驗教學改革方向

本科生專業(yè)實驗教學是大學生參與度最高的普適型實踐教育平臺,學生參與專業(yè)實驗課程學習過程中的體驗和收獲,對其未來專業(yè)實踐創(chuàng)新能力的發(fā)展具有關(guān)鍵的啟發(fā)和導(dǎo)向作用。在“新工科”背景下,如何將工程教育改革在專業(yè)實驗教學中做深、做實,使高校實踐教學成為高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才培養(yǎng)最穩(wěn)固的基礎(chǔ),是值得和必須探討的重要課題。

實驗教學儀器設(shè)備是開展實驗教學的硬件基礎(chǔ)。實驗教學儀器設(shè)備的性能優(yōu)劣,對學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有舉足輕重的影響[6]。可以認為,一所高校在教學實驗室方面的建設(shè),尤其是教學儀器設(shè)備的購置和使用方面的建設(shè)情況,直接影響其實踐教學育人的效果。

依托控制科學與工程一流學科優(yōu)勢,東北大學國家級電子實驗教學示范中心在本科實驗教學建設(shè)與改革中,探索出一條以自主開發(fā)設(shè)計實驗教學儀器設(shè)備(以下簡稱自制教儀)促進專業(yè)實驗教學體系建設(shè),服務(wù)于實踐教學育人的可行之路。多年來積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗,取得了寶貴的建設(shè)成果。

2 高校實驗教學現(xiàn)狀問題分析

高校工科專業(yè)本科教學實驗室的建設(shè),第一步就是實驗平臺的建設(shè)。結(jié)合作者多年來參與校內(nèi)實驗室建設(shè)的經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)高等院校在本科教學實驗教學儀器的建設(shè)上存在不少共性的問題,嚴重制約了“新工科”發(fā)展步伐,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 被動選擇教學儀器,開放性和靈活性不足。教師在選擇實驗教學設(shè)備時,一貫的做法是調(diào)研國內(nèi)外教學儀器設(shè)備廠家,參考廠家提供的產(chǎn)品目錄選擇相對適合的設(shè)備。在使用購置的產(chǎn)品開展實驗教學時,實驗內(nèi)容通常來自設(shè)備說明書提供的實驗例程,設(shè)備的功能和開放性有限,完全對口于課程實踐要求的儀器和實驗內(nèi)容并不多[7-8]；對于一些專業(yè)性、綜合性非常強的實驗課程,也經(jīng)常出現(xiàn)實驗與理論教學內(nèi)容契合度不足的問題。

(2) 不同儀器關(guān)聯(lián)度低,課程之間協(xié)調(diào)性差。同一專業(yè)不同課程專業(yè)理論相通,如果這些課程在可能情況下使用同樣的實驗儀器設(shè)備,實驗內(nèi)容上更容易做到理論性連續(xù)、知識點互補。根據(jù)自動化專業(yè)實驗教學經(jīng)驗,學生在同一平臺上完成多門專業(yè)課實驗時,能更好地理解控制系統(tǒng)在不同課程、不同角度的研究分析重點和意義,更容易建立起系統(tǒng)性的專業(yè)認識；而基于不同實驗平臺進行實驗操作,學生更難理解課程相關(guān)于控制理論的研究意義。隨著年級升高,專業(yè)理論綜合性越來越強,這一現(xiàn)象愈加明顯。

(3) 反復(fù)學習儀器使用,計劃內(nèi)教學效率低。學習實驗儀器設(shè)備的基本操作方法、對實驗控制對象進行參數(shù)辨識、基礎(chǔ)特性驗證,是開展控制理論實驗研究必需的基礎(chǔ)工作。在有限的實驗學時和次數(shù)之內(nèi),學生每接觸一門新的實驗課,不得不利用1～2次實驗課進行基礎(chǔ)實驗。基礎(chǔ)性重復(fù)性的操作耗費時間和精力,特殊或復(fù)雜的深層次實驗內(nèi)容卻受到學時的限制不易開展,成為實驗教學盲區(qū)。

3 自制教儀工作建設(shè)要素和特色分析

為了從根本上解決上述問題,我校電子實驗教學示范中心轉(zhuǎn)變實驗室建設(shè)的慣性思維,變被動為主動,鼓勵教師根據(jù)課程特點設(shè)計開發(fā)實驗裝置,用于實驗教學。自制教儀是一項系統(tǒng)工程,涉及需求分析、原理設(shè)計、仿真論證、硬件實現(xiàn)、測試、生產(chǎn)等一系列環(huán)節(jié),過程漫長、難度較高,影響因素眾多,必須在一定的支持條件下,才能順利進行。以下幾個方面的特色要素對自制教儀成功與否具有非常關(guān)鍵的推進作用。

3.1 設(shè)計需求定位精準,明確根本前提

自制教儀的建設(shè)與商家開發(fā)產(chǎn)品最突出的區(qū)別在于追求目標的不同：產(chǎn)品的生產(chǎn)是為了盈利,而教師開發(fā)實驗裝置完全出于教學的需要。自制教儀必須以教學實際需要為出發(fā)點,一切研究工作都圍繞體現(xiàn)專業(yè)知識和培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力去開展。有了明確的目標,充分論證分析必要性和可行性,方可立項建設(shè)。

3.2 開發(fā)團隊技術(shù)過硬,具備必要條件

開發(fā)團隊的技術(shù)水平,是自制教儀開發(fā)過程中最關(guān)鍵的因素。高校自制實驗教儀的開發(fā)團隊主力是教師。開發(fā)設(shè)計實驗儀器,要求教師不但具有較高的理論水平,更要有豐富的項目開發(fā)經(jīng)驗和一定的管理協(xié)調(diào)能力。我校電子實驗教學示范中心教師隊伍由高水平高職稱的專任教師和實踐經(jīng)驗豐富的實驗技術(shù)人員組成[9],在實驗室建設(shè)工作中,凝聚控制科學與工程一流學科優(yōu)勢力量,以課程為核心,專任教師側(cè)重把握理論高度和建設(shè)定位、專職實驗教師側(cè)重實踐論證和執(zhí)行,理論與實踐充分結(jié)合。這一模式為教師自主設(shè)計開發(fā)實驗裝置提供了穩(wěn)固的技術(shù)保障。

3.3 激勵機制政策支持,提供環(huán)境保障

我校從績效考核、教學改革研究成果的認定方面制定了多項針對性措施,鼓勵教師在教學改革、實踐創(chuàng)新上多做工作、多出成果,促進教師自身業(yè)務(wù)素質(zhì)和實驗室建設(shè)水準同步提升。學校、學院投入專項經(jīng)費供教師購置實驗材料用于教學研究；制定對外交流制度有計劃地組織教師參加技術(shù)培訓和交流；教師依托研發(fā)成果發(fā)表論文、申請專利、出版教材等輔助性成果,均予以經(jīng)費支持；在教師績效考核辦法中,提高核心實驗教學工作量以外的教學研究工作量認定力度[10-11]。適當?shù)募顧C制,使教師的技術(shù)優(yōu)勢和科研潛力被充分調(diào)動,為教師設(shè)計研發(fā)實驗儀器設(shè)備提供政策保障。

3.4 啟動實驗教學立項,搭建有效載體

在質(zhì)量工程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、雙一流建設(shè)等大方向建設(shè)思路的指導(dǎo)下,學校、學院愈加注重為師生搭建各類項目建設(shè)平臺,便于師生更自由地開展求真務(wù)實的教學研究活動。學校、學院定期組織開展實驗、實踐教學改革立項,重點支持有創(chuàng)意、有意義的實驗裝置設(shè)計改造、實驗內(nèi)容與模式改革方面的課題[12]。極大地調(diào)動了實驗教師教學研究的積極性,借助項目經(jīng)費的支持,將工作設(shè)想付諸于實際,取得豐富的研發(fā)成果。

3.5 吸引學生寓教于研,融入有效推力

教師指導(dǎo)學生進行實驗裝置儀器的研發(fā)設(shè)計工作,有助于培養(yǎng)學生專業(yè)實踐創(chuàng)新能力。學生在開發(fā)、調(diào)試、應(yīng)用過程中,能收獲實用的工程項目經(jīng)驗,這是工科專業(yè)對工程型人才非常有效的一種培養(yǎng)途徑[13]。參與研發(fā)工作能為學生發(fā)表學術(shù)論文、申請專利、完成畢業(yè)設(shè)計積累豐富的專業(yè)素材和技術(shù)經(jīng)驗,有經(jīng)驗的學生在就業(yè)時也表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。師生團隊的研發(fā)成果直接應(yīng)用于實驗室建設(shè),從研發(fā)到應(yīng)用過程完整,科研成果有實用價值,經(jīng)濟成本相對低,且能更好地滿足教學需要。寓教于研,是高校學生培養(yǎng)的根本任務(wù)與科研工作產(chǎn)學結(jié)合的高度體現(xiàn)。

4 自制教儀案例

我校電子實驗教學示范中心成立之初,就提出了依托強勢學科、借助中心教學專業(yè)覆蓋面廣的優(yōu)勢,自主開發(fā)研制實驗裝置的建設(shè)思路。中心努力為教師從事自制教儀的研發(fā)提供建設(shè)保障,對可行、必要的裝置,投入充實的師資力量和經(jīng)費、制度保障,充分發(fā)掘和吸引優(yōu)秀學生參與到實驗室建設(shè)工作中,取得了多項成功的自制教儀成果。在自制教儀平臺上開展實驗教學工作,逐漸進入常態(tài)化。

(1) 雙腔體爐溫控制系統(tǒng)實驗裝置。計算機控制和現(xiàn)代控制理論教學團隊聯(lián)合研發(fā)制作的溫度控制系統(tǒng)實驗裝置,由雙腔體電加熱爐和控制裝置組成[14]。溫度控制系統(tǒng)分為PC機-儀表結(jié)構(gòu)和PC機-插板結(jié)構(gòu)兩種形式,如圖1所示。

圖1 雙腔體爐溫控制系統(tǒng)實驗裝置

該裝置主要應(yīng)用于自動化專業(yè)高年級多門實驗課程。控制算法靈活性強,在工控組態(tài)軟件環(huán)境下可任意設(shè)計各種復(fù)雜控制器；硬件結(jié)構(gòu)透明,適合于硬件開發(fā)設(shè)計方面的綜合性實踐場合。該裝置采用的工控軟件、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡等關(guān)鍵部件,均采用工業(yè)實際常見的產(chǎn)品,突破了簡單教儀與生產(chǎn)實際不符,難以讓學生體驗真正工業(yè)技術(shù)的限制,在實驗室就能把所學知識運用到與生產(chǎn)實際相一致的平臺上。

(2) 便攜式微機原理實驗裝置。圖2所示是以微機原理相關(guān)教學團隊為主要力量開發(fā)研制的便攜式微機原理實驗箱。該裝置以單片機作為主控芯片,支持串口程序燒寫,對開發(fā)設(shè)備要求低,開發(fā)效率高。外設(shè)芯片種類豐富,擴展功能強大[15]。實驗箱開放性和靈活性極強,能進行與單片機設(shè)計和硬件系統(tǒng)搭建相關(guān)的各種實驗和實踐操作。

圖2 便攜式微機原理實驗裝置

除了功能集成、開放性強,該裝置最大的特色還包括便攜式的設(shè)計,每套實驗裝置封裝在可手提的實驗箱中,重量輕,實驗操作需要的外部資源簡潔(只需要上位機電腦和與之相連的數(shù)據(jù)線即可進行實驗)。學生做好借用、使用記錄,即可將實驗箱帶回去,隨時隨地進行實驗。便攜式的特點,突破實驗時間和空間的諸多限制,極大地調(diào)動了學生主動實踐的積極性,他們可以完全依據(jù)個人的需要進行個性化、針對性的實驗練習。學生實踐創(chuàng)新的主觀能動性得到大幅提升。

5 結(jié)語

本文立足于工科專業(yè)實踐教學具體環(huán)節(jié),從實際問題出發(fā),在一流學科建設(shè)的有力支持下,以“新工科”建設(shè)理念為指導(dǎo),深入思考高等學校工科專業(yè)實驗教學在工程實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)中存在的不足,為實驗室建設(shè)尋思路、謀發(fā)展。經(jīng)過長期扎實的經(jīng)驗積累,摸索出以自制教儀服務(wù)于實踐教學育人之路。