實驗教學內容體系化及分級化教學模式研究

葛亞明， 李 軍

(1. 哈爾濱工業大學(深圳) 實驗與創新實踐教育中心， 廣東 深圳 518055;2. 中山大學 智能工程學院， 廣東 深圳 518055)

0 引 言

實驗教學是培養大學生實踐能力的重要環節，也是對理論知識深化理解的關鍵部分。我校實驗與創新實踐教育中心，由深圳市政府大力支持建設，從建立初期就秉承“功夫到家”校訓和滿足深圳特區對專業人才的需求，確立高水準、特色鮮明的實踐教學模式。自動化專業是機電工程和自動化學院核心專業，包括自動控制原理等專業基礎課程和運動控制等專業實驗教學內容。以自動化專業實踐教學和實驗室建設為契機，從實驗課程群角度，對自動化專業所有實驗內容進行體系化建設與規劃，充分體現系統性、層次性與合理性，避免不同課程之間實驗內容的重復，并保留課程自己的特色。

近年來，很多高校提出了對本專業實踐教學模式的改革[1-13]，如“四位一體”的實踐教學體系，提出了課程實驗、計算機仿真設計、課程設計、課外科技創新活動“四位一體”的實踐教學體系的構想；集知識應用、能力培養和素質鑄造“三元一體化”新型實驗教學模式，任務驅動型實驗教學模式，多元協同學習實驗教學模式，能力培養和團隊協作的考核模式等。

本文以自動化專業實驗教學為研究對象，改革實驗實踐教學模式，將以老師為主的教學模式，轉向以學生自由發揮、自主創新為主，教師引導思路、解決疑問為輔的方式，調動學生的積極主動創新能動性，實現貼切企業實際所需的實踐教學。提出免做升級式的教學模式，旨在讓學生以一種類似競技的方式積極主動地對待實驗課，而不是被動地按部就班地照搬照做。考核方式采用多元化模式，不再以結論定分，也不僅限于實驗報告方式的結果提交，從多角度評價實驗效果。演示性實驗、驗證性實驗、基礎類的實驗，不再占用更多的實驗課內時間，留有足夠的時間讓學生自由發揮，也是促進學生主觀能動性的重要舉措。

1 構建自動化專業實踐教學體系

構建系統、合理的自動化專業實驗教學體系，避免專業課程之間實驗內容的重復性，并做到內容的承接和延續。自動化專業的實驗室建設分基礎類和專業類兩大類實驗室。基礎類實驗室以自動控制原理和自動控制實踐為核心課程，開設自動控制原理、現代控制理論、自動控制元件、控制系統設計、計算機控制、系統建模與仿真等實驗內容。在這些理論為基礎背景，分運動控制方向、過程控制方向以及智能感知與控制3個方向展開具體的專業實踐教學，課程體系如圖1所示。實驗課程內容從基礎到專業，有效區分和設置各門課程的實驗內容，做到真正意義上的方向性劃分。不同方向的實驗課程的開設，分別使用各自的實驗室，做到專設專用。

自動化專業的實踐課程包括基礎課程實驗、專業課程實驗、創新訓練課、課程設計、畢業設計，其中創新訓練課分別安排在大一和大二的夏季學期，學生在修完公共基礎的課程之后(還未開始上專業課)，開始接觸專業的動手實踐，利用這兩個訓練時段，以感知、認知、實踐、理解、反理解的方式循序漸進地設置實踐環節內容，為大三的專業基礎課的學習和實踐打下基礎，更為后續的“免做升級式”教學模式的開展做鋪墊。大三的專業基礎課以自動控制理論和自動控制實踐課程為主，這是自動化專業最為重要也是最基礎的課程，實驗環節以驗證性、綜合性和設計性逐步開展，認知控制系統構成、熟悉系統的控制方法、宏觀設計系統、精細調節系統，步步加深的設計實驗項目內容。后續的專業課分為過程控制方向、運動控制方向和智能感知與控制方向，實驗項目的設置以每個方向的當前社會發展動向為導向，貼合實際應用，充分展開對系統的分析、設計、控制。課程設計題目的設置也要分方向進行，讓學生充分了解自己所選方向的研究內容，為將來的畢業設計課題做準備。

圖1 自動化專業實驗課程體系

圖2所示為實踐教學關系圖，實踐教學的兩大主體分別是人和物，人包括教師和學生，物是指設備，服務于課程內容，而課程內容要成立一個課程體系。一切都圍繞課程來展開，課程產出的結果包括成績以及創新團隊。因此研究的重點，應放在課程內容與實驗設置的合理性，從實驗類型角度，結合專業課程大綱的設置體系，理清各門課程之間的關聯、知識的承接性、遞進性。

圖2 實踐教學關系圖

2 分級化、興趣化的實踐教學模式

分級化、興趣化的實驗教學模式，不僅因材(學生動手能力)施教、合理規劃實驗項目內容難度，而且引入學習“興趣因子”，從而有效提高學生學習效率和教學質量。該教學模式按實驗內容分級、實驗項目免做、學生分級3個方面實施。

2.1 實驗內容分級

實驗內容由淺入深，由驗證到綜合，由綜合到設計，由基礎到創新，階梯式分級推進，促進學生創作的積極性，有種升級游戲的激發模式，觸發學生的競爭意識，挑戰意識，作為引起學生興趣的因子，積極的對待實踐教學環節。

實驗內容分級是從專業知識運用的綜合性、研究手法的創新性角度去界定級別，指導書中給出的所有驗證性和部分綜合性實驗作為最基礎的級別，并將這部分內容使用的實驗設備、實驗原理、實驗方法及實驗分析要點等以文字、視頻、動畫等形式放在智慧實驗室系統中，學生可以進行預習、試做，并將結果發布在系統中，申請教師審核。通過基礎級別測試的同學，可以申請做更高一級別的實驗內容。學生也可以在智慧實驗室系統中申請使用實驗室，自主做實驗，實驗過程可以錄像，作為考核級別的判定材料。

實驗內容的分級以過程控制系統為例具體說明。大綱規定的實驗項目有：系統模型建立、PID控制以及參數整定、前饋反饋控制3個實驗。第1個實驗項目是對系統的認知與辨識，確定系統的類型，作為基礎的第1級；第2個實驗是使用自動控理論知識展開對系統的控制，作為驗證理論和實踐控制方法的第1級；前饋反饋控制控制的變量有2個，執行機構也有2個，控制難度加大，可以作為綜合實驗的第2級。再開發大綱以外的綜合類和設計類的實驗項目，作為第3和第4級，分別是：解耦控制系統設計(綜合類，自主選擇2個互相制約的變量設計系統并實現控制)，使用集散控制系統和現場總線儀表實現流量、壓力串級控制(設計類，涉及的專業內容包括集散控制、現場總線)。

2.2 實驗項目免做

通過當前級別的測試者，可升級實驗難度，這也是激發學生實踐積極性的興趣因子，有種任務感和成就感。免做的模式能夠促進學生學習的積極性，不僅限于實驗課時內的學習時間，更能有效利用課下課余時間自由、自主完成基礎類實驗，提高實驗積極性和實驗效率、實驗質量。根據教學大綱合理制定免做的實驗項目內容，重點以驗證性實驗免做為主，及時跟進免做的學習效果。通過這樣的教學模式，爭取做到所有課程的驗證性實驗不再占用課內教學時間，重點開發和研究綜合性和設計性實驗項目。

以自動控制原理課程為例，校正裝置的模擬實驗、對象頻率特性的測試均為驗證性的、同一級別的實驗項目，這2個實驗項目學生可以通過智慧實驗室系統自主了解實驗設備，申請自主進入實驗室做實驗，然后提交實驗結果分析報告，經教師審核通過了，即可不再跟班統一修該實驗內容。

免修的另一種情況是：學生在大一的創新訓練課實踐中，掌握了不同深度、不同層次的專業知識，根據實踐效果，給學生的實踐能力打分，判斷該學生哪些實驗可以免修(從入學開始，記錄所有學生的實踐內容及教師評價，作為個人實踐檔案資料，載入智慧實驗室系統，該資料作為免修資格判沖條件之一)。

2.3 學生分級

將學生按動手能力強弱分級指導，這樣既可以強化訓練動手能力弱的學生，又可以讓動手能力強的學生提高自己的效率，按需教學。

動手能力強弱分化是實驗教學中的常態，產生的原因因專業不同而各有不同，如：對新的儀器設備有種無從下手的畏懼感，對動手操作和實踐沒有信心，理論與現實的結合之間有一個莫名的屏障，或根本就沒有興趣操作的也大有人在，對于種種約束實踐教學的因素，產生了學生之間的分級。

分類別、分側重點培養學生的動手實踐，給學生創造適當的機會和條件進入實驗室學習，縮小學生之間動手能力的差異性。通過以下的方式激發學生實踐的興趣和積極性：從大一新生開始，就施行導師制，讓學生一進入校園，就了解并適當參與到導師研究的課題，提早進入實踐模式；在理論教學的過程中，留有一定的疑問點，需要學生在實踐中獲得答案；通過分組的方式完成小項目、小課題，充分發揮各自所長，互相帶動。

對于動手能力弱的學生采取2種方式培訓授課：① 實驗教師專門指導(工作時間，實驗教師可以保證工作時間內全天開放實驗室[14-15]，學生可以提出申請，對做得不好的實驗可以反復重做)；② 助教輔助指導(工作以外的時間，學生自由選擇)，做到專人專項培訓，解決學生自身個例問題。這樣對應的考核方式是：根據重復做的次數，分數每次按80%遞減。考慮到差異化對學生會產生的心理影響，考核的標準和重點還是放在最初的大綱規定內容上，對于動手能力強的同學，根據難度的級別，分數按實驗基礎分+難度級別系數與基礎分之積計算。

3 多元化考核模式

服務于分級化、興趣化教學模式的多元化考核模式的研究，能夠更合理、更準確、更方便地考核學生的實際能力，為學校創新團隊選拔人才提供參考數據。切實分析各類實驗考核模式，對實驗過程評價、教師團隊評價、學生自我評價等評價模式，逐項列表試用，細化評價點，多渠道驗證考核模式的可行性。校區實驗中心的成立，給學科之間的互動、交叉學習提供了無比優越的實踐場所，新的教師團隊的建設和學生創新團隊的建設勢在必行，新的教學模式、考核模式的實施將會促進實踐教學的高效運行。

針對不同的教學模式，制定不同的考核方式。傳統的實驗評分一般以預習、實驗過程表現、實驗結果、實驗報告4部分來綜合打分，這樣的打分方式對于常規化的、教學指定的實驗環節依然適用，對于升級的實驗項目，擬采取實驗過程評價、實驗結果(效果)、先進性或創新性或實用性、教師團隊評價(涉及到跨專業的實驗項目，擬請相關專業教學參評)、學生自我評價(作為加分點)、學生互評等評價模式，為學生的實驗成績綜合打分。每個環節的評定標準作為重點研究內容，依據每個實驗項目的具體情況或有不同。

在分級化教學模式中提到了學生從大一開始就建立實踐教學檔案，對學生的實踐環節做記錄，記錄結果可用于考核、免修的參考，類似于一種積分積累的模式。充分利用智慧實驗室管理系統[16]，做到一人一賬戶，登錄賬戶后，所有涉及到該人身份的信息都將顯示在主頁上，學生能夠看到自己的積分級別，以及和自己實踐學習相關的其他事項，比如實驗課表，優先要完成的預習內容，教師給的評價及實驗考核成績，可選擇的實驗項目內容、級別、教學資源，獲得審批的實驗室利用資格等。

4 學生創新隊伍的建設

學生創新隊伍的建設，能夠促進學生之間的交流與合作，讓實驗室變成實實在在的實踐教學基地。創新這個詞，一直存在各高校的實驗實踐教學中，各高校都在倡導各類創新活動，力求挖掘學生自主動手、自主學習、創新求知的精神。各類規模的競賽比比皆是，也是一種促進創新實踐的手段。文章提出的創新隊伍建設，意義不僅限于此。旨在讓學生將實驗室作為自己實踐的學習場所，讓學生的想法能夠付諸于實際，而實驗室不僅能提供所學專業知識范圍內的物資、設備條件，更要創造“意外的、溢出的”條件，用“廉價的”物資付出，開發出“有益的、高質的”實驗實踐項目。創新隊伍的建設本著“創造源于生活，更要付諸實踐于生活”的原則，創造出“高大上”的亮點。

學生創新隊伍建設，成立實踐學習小組，對其專門培訓，以學生帶動學生的方法擴大學生創新隊伍，一屆帶動一屆，成果屆屆相傳。這種學生創新隊伍的建設，重在培養學生動手實踐的積極性，利用現有的實驗設備和實驗器材，實現各種小想法、小課題、小項目，乃至更深一步的大想法、大課題、大項目。

從大一新生開始，就執行導師制，學生零基礎了解教師研究的課題，介入真正的科研之中。比如使用開源Arduino開發板設計機器人巡線小車，利用3學時就可以教會學生基礎的編程及接線，接下來就是學生自主設計與調試，這樣的訓練題目將在大一的夏季學期創新訓練課中得到深化，根據學生的表現情況，慕選創新隊伍成員，并逐步擴大范圍。也就是說，從大一開始，就建立創新隊伍，循序漸進地加強對學生的實踐能力培養。

5 結 語

結合我校新建校區集中建設實驗中心的特點，研究了自動化專業實踐教學內容的體系化、教學模式的分級化和興趣化、考核模式的多元化，從新的角度提出了學生創新隊伍的建設思想，并有效結合學校的智慧化校園建設項目，充分利用智慧實驗室系統，讓學生在系統中完成實驗的預習、實驗項目的申請、實驗室項目的預考核等，充分利用學生的自由時間。專業指導教師起到應有的實踐指導作用，有效引導學生自主創新實踐。將實驗室變成真正的實踐教學基地，培養大學生的創新實踐能力；教學資源得到有效利用，教師團隊、學生團隊各盡所職。教師提出設計要求，啟發思路，檢查重點，點撥難點，學生自主設計，獨立思考，創新思維，個性發揮。