省級實驗教學(xué)示范中心的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展

崔家瑞， 李 擎， 閻 群， 李希勝， 徐銀梅

(北京科技大學(xué) a. 自動化學(xué)院； b. 工業(yè)過程知識自動化教育部重點實驗室， 北京 100083)

0 引 言

實驗教學(xué)示范中心作為培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要載體是各高校重點建設(shè)方向之一。2005年教育部組織發(fā)布了《關(guān)于開展高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和評審工作的通知》[1]，明確了形成國家級、省級兩級實驗教學(xué)示范體系的建設(shè)目標(biāo)，并建設(shè)了一大批具有輻射作用的示范中心[2-6]。近年來，隨著高等工程教育的持續(xù)推進(jìn)，特別是國家重大發(fā)展戰(zhàn)略對高端工程人才的急切需求，對實驗教學(xué)示范中心復(fù)合型工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)提出了更高要求，許多高校進(jìn)行了實驗教學(xué)示范中心再發(fā)展的思考與研究[7-11]。

自動化學(xué)院實驗教學(xué)中心作為信息工程北京市實驗教學(xué)示范中心，面向復(fù)合型工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)，進(jìn)行了持續(xù)性創(chuàng)新發(fā)展，并取得了階段性成果[12-17]。本文重點介紹在實驗教學(xué)方面的成果。

1 實驗教學(xué)示范中心基本概況

信息工程實驗教學(xué)中心成立于2001年，由自動化、計算機(jī)、信息安全、電子信息、通信工程專業(yè)實驗室、電工基礎(chǔ)實驗室、學(xué)校計算中心合并組建而成。2008年7月，通過了“北京市高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心”申報評審[18]。經(jīng)過6年建設(shè)，2014年順利通過驗收。2015年順利通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，2016年獲批北京高等學(xué)校示范性校內(nèi)創(chuàng)新實踐基地建設(shè)。

實驗教學(xué)示范中心在原有基礎(chǔ)上整合為12個實驗教學(xué)平臺，包括：2個校級公共課基礎(chǔ)教學(xué)實驗教學(xué)平臺、8個專業(yè)實驗平臺、1個創(chuàng)新實驗平臺、1個實訓(xùn)實驗平臺。基礎(chǔ)教學(xué)實驗教學(xué)平臺包括：電工電子、計算機(jī)基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺；專業(yè)實驗平臺包括：自動化、智能科學(xué)與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器、計算機(jī)、信息安全、通信工程、電子信息、物聯(lián)網(wǎng)8個實驗平臺；創(chuàng)新實驗平臺由電工電子創(chuàng)新實驗室、勤敏軒學(xué)生創(chuàng)新實驗室、智能科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實驗室組成；實訓(xùn)實驗平臺由CDIO自動化實訓(xùn)實驗室和物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)實驗室組成。

實驗教學(xué)示范中心負(fù)責(zé)校級41個相關(guān)專業(yè)各類型實驗教學(xué)任務(wù)，包括電工學(xué)、電子學(xué)及計算機(jī)文化基礎(chǔ)等校公共基礎(chǔ)課程。年均開設(shè)實驗課程(含課程設(shè)計)總共136門，此外還承擔(dān)暑期計算機(jī)實踐、認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)及畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)任務(wù)；同時實驗室還面向全校所有教師及學(xué)生開放，支持學(xué)生完成創(chuàng)新性、研究性實驗項目。實驗室年均接待學(xué)生約9 300人次，完成的實驗?zāi)昃s為43萬人時。各專業(yè)的實驗課開出率達(dá)到100%，綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗的比例達(dá)到80%以上。

2 實驗教學(xué)理念的持續(xù)創(chuàng)新

在“以學(xué)生為中心”的框架下，將已應(yīng)用于我校自動化學(xué)院的CDIO-OODA工程教育理念[13-14]和主動式項目[15]的教學(xué)思想相結(jié)合，堅持一切從學(xué)生的需求出發(fā)，注重對學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感的綜合培養(yǎng)，兼顧知識傳授和能力培養(yǎng)，充分調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate) ，以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。OODA，即觀察(Observe)、確認(rèn)(Orient)、決策(Decide)、執(zhí)行(Act)，OODA概念來自美國空軍的飛行員R．Boyd，現(xiàn) 廣泛應(yīng)用于決策過程的流程化。

CDIO-OODA工程教育理念在宏觀層面將工程項目的執(zhí)行過程分解為構(gòu)思、設(shè)計、實施、運(yùn)行4個過程，在微觀方面，又采用OODA循環(huán)執(zhí)行CDIO的每個過程，重點培養(yǎng)學(xué)生的解決工程問題的思維方式和能力。

主動式項目的教學(xué)思想是以問題為導(dǎo)向，以學(xué)生主動提出問題、解決問題和創(chuàng)新知識為核心，促進(jìn)學(xué)生積極思維，感受創(chuàng)新的艱辛與樂趣，重視團(tuán)隊協(xié)作能力。將CDIO-OODA工程教育理念與主動式項目的教學(xué)思想融合，取長補(bǔ)短，則可充分發(fā)揮“學(xué)生主體”作用，使學(xué)生學(xué)習(xí)更有的放矢，有效提升學(xué)生獲取知識及掌握知識應(yīng)用的能力。該理念的具體執(zhí)行流程如下：

(1) 項目需求。教師提出項目需求，并展示項目相關(guān)背景知識；由學(xué)生以小組形式認(rèn)領(lǐng)任務(wù)需求，并學(xué)習(xí)相關(guān)背景知識。

(2) 問題分析。學(xué)生自主分析項目需求，提出對應(yīng)的科學(xué)問題，并通過小組討論形式，確定小組分工；教師主要進(jìn)行小組管理和協(xié)調(diào)引導(dǎo)工作。該過程對應(yīng)于CDIO的構(gòu)思階段。

(3) 方案設(shè)計。學(xué)生自主完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計方案；同時，完成小組間的交流討論，該過程可以充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和思維活躍性，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。教師主要監(jiān)督學(xué)習(xí)過程，并提供技術(shù)咨詢服務(wù)。

(4) 產(chǎn)品研發(fā)。學(xué)生自主完成產(chǎn)品的軟硬件開發(fā)及實驗室調(diào)試；教師主要監(jiān)督學(xué)生進(jìn)展情況，并提供技術(shù)咨詢服務(wù)。

(5) 產(chǎn)品上線。學(xué)生以小組形式發(fā)布產(chǎn)品視頻、技術(shù)報告、PPT展示及WIKI，其他小組則通過查看產(chǎn)品相關(guān)資料，對產(chǎn)品提出問題，展示小組則需給出解答。教師主要監(jiān)督學(xué)習(xí)過程，并根據(jù)攻防過程給出小組評價。

(6) 成果展示與答辯。該過程學(xué)生主要完成成果現(xiàn)場展示和結(jié)題答辯材料的撰寫；教師則主要組織成果現(xiàn)場展示、答辯，并給出評價。

3 實驗教學(xué)體系的持續(xù)優(yōu)化

高校實驗教學(xué)作為高等教育教學(xué)的重要組成部分，在新的歷史時代背景下，要主動應(yīng)對主要矛盾的變化，以立德樹人為根本任務(wù)[19-20]，以交叉跨界問題、綜合復(fù)雜問題和未來前沿問題等為導(dǎo)向，把培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)、溝通協(xié)商能力和工程領(lǐng)導(dǎo)力貫穿于工程教育的全過程。

因此，在原有“以驗證實驗為本、綜合設(shè)計實驗為主、創(chuàng)新實驗為優(yōu)”的三層式實驗教學(xué)體系基礎(chǔ)上，融入卓越工程師培養(yǎng)計劃、中國工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科等新時代工程教育需求，形成了多層次、立體化、遞進(jìn)式、不間斷復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。

整個體系由第一、二課堂組成。第一課堂包括新生研討課、課堂教學(xué)(均含設(shè)計性作業(yè))、實驗、SRTP、課程設(shè)計、校內(nèi)實習(xí)/實訓(xùn)、校外生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計8個層次；第二課堂包括基礎(chǔ)技能培訓(xùn)、校內(nèi)學(xué)科競賽、省部級及以上學(xué)科競賽、國內(nèi)外專家講座、就業(yè)技能培訓(xùn)、企業(yè)在崗實習(xí)6個層次。如圖1、2所示。

圖1 人才培養(yǎng)體系框圖

圖2 第一、二課堂具體內(nèi)容

多層次、立體化體現(xiàn)在該體系根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程規(guī)律，在大一到大四各個層面設(shè)計對應(yīng)的工程問題，分階段、分層次培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，并且第一二課堂相輔相成、互為補(bǔ)充。遞進(jìn)式、不間斷體現(xiàn)在大一至大四學(xué)生實踐能力培養(yǎng)過程中，采用的工程問題也是由理論到實踐，逐漸深入，由課堂教學(xué)講解到實驗驗證和模塊設(shè)計，再到SRTP和課程設(shè)計完成工程問題的實踐，最后，在實訓(xùn)、校外實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計中，完成解決實際工程問題能力的培養(yǎng)。

同時，在教學(xué)內(nèi)容上，實驗中心教師不斷改革創(chuàng)新，在已有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程要求，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗項目，自主研發(fā)了20種實驗裝置及實驗軟件，并配套編寫了相應(yīng)的實驗教材及講義，如工業(yè)自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)課程以實際工業(yè)系統(tǒng)為原型，研制了涵蓋完整的自動化工廠實訓(xùn)系統(tǒng)，包括過程控制、運(yùn)動控制和制造自動化等多個行業(yè)子系統(tǒng)；嵌入式控制課程設(shè)計研制了面向智能樓宇應(yīng)用的能耗監(jiān)測與優(yōu)化控制系統(tǒng)實驗平臺；控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)課程設(shè)計以鋁電解管控一體化為背景，研制了數(shù)字電解槽槽況在線監(jiān)測與診斷實訓(xùn)平臺等。在實驗教學(xué)、科技創(chuàng)新活動及學(xué)科競賽指導(dǎo)中應(yīng)用效果良好，獲得學(xué)生的好評。

4 教學(xué)方法與教學(xué)手段的持續(xù)改進(jìn)

(1) 實驗室小班授課。單片機(jī)原理及應(yīng)用等多門課程開展實驗室小班授課，要求實驗上機(jī)學(xué)時占課程的50%以上，主講教師與實驗教師雙指導(dǎo)。

(2) 口袋教學(xué)與口袋實驗室。自主研發(fā)了信號源、測試儀器等和實驗設(shè)備一體化的口袋實驗室，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)口袋實驗室無法集成信號發(fā)生器、示波器等常用工具的缺陷，徹底解決了受限于實驗室場地的問題。

(3) 翻轉(zhuǎn)課堂。以北京市級視頻公開課、校級重點專項MOOCs項目和研究型教學(xué)為抓手，要求討論學(xué)時不少于1/3，考核則采用綜合作業(yè)、課堂展示、答辯等形式進(jìn)行。開發(fā)的配套線上線下資源包含150 GB視頻、328 MB Word文檔、156 MB pdf、12門微課公眾號、20門百度網(wǎng)盤資源。

(4) 項目驅(qū)動教學(xué)方法。課程設(shè)計與實訓(xùn)類課程采用全流程CDIO培養(yǎng)理念，將課程內(nèi)容以實際工程項目為單位，由學(xué)生以項目組形式，按照全壽命周期管理的形式完成項目的全過程實踐。

(5) 基于Moodle平臺管理課程。以Moodle平臺作為課程過程的管理系統(tǒng)，管理課程項目資源、監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、實時在線評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)課程資源(教師與學(xué)生各自形成的成果)的迭代優(yōu)化，提高教師與學(xué)生之間的溝通協(xié)調(diào)效率。

(6) 問題驅(qū)動教學(xué)方法。在工程問題的需求分析和方案設(shè)計階段，主要采用問題驅(qū)動的教學(xué)方法，以問題形式，引導(dǎo)學(xué)生思考，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生主動學(xué)習(xí)為主，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜、有意義的問題情境中，通過學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)來解決真正的問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力，達(dá)到建構(gòu)經(jīng)驗的目的。

(7) 主動探究式學(xué)習(xí)和小組協(xié)作學(xué)習(xí)。在實際方案設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)階段，指導(dǎo)學(xué)生采用自主探究式和小組協(xié)作的學(xué)習(xí)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生根據(jù)教師提出的項目問題，自主探究問題的答案，并在尋求答案的過程中，自我提問自我解答，并通過小組成員之間的分工與協(xié)作，完成問題的解答和學(xué)習(xí)資源的共享，提升整體學(xué)習(xí)效率。

(8) 小組攻防式學(xué)習(xí)。在項目方案設(shè)計和產(chǎn)品上線階段，借鑒辯論會攻防思想，主要采用小組攻防的學(xué)習(xí)方式，即由其他組針對答辯組的解決方案提出問題，由答辯組進(jìn)行問題解答，由教師評審團(tuán)評價攻防的有效性。一方面有利于充分調(diào)動全體學(xué)生的積極性，提升學(xué)生提出問題和分析問題的能力，另一方面有利于學(xué)生發(fā)散思維，增加知識眼界。

5 實驗教學(xué)成果與示范

(1) 學(xué)生成果。實驗教學(xué)體系的改進(jìn)與實施使得學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力有了較大幅度的提升。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生借助于SRTP項目和實驗室研究，與教師共同研發(fā)新實驗裝置，共同發(fā)表“基于藍(lán)牙4.0無線數(shù)據(jù)通信的智能冬暖鞋”等論文20余篇、授權(quán)“一種基于太陽能供電的無線網(wǎng)絡(luò)測距系統(tǒng)”等發(fā)明專利5項、“一種基于微控制器控制的節(jié)能新型電熱開水器”等實用新型專利20余項，授權(quán)“基于LabVIEW的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件”等軟件著作權(quán)20余項，學(xué)生省部級以上競賽獲獎率(見圖3)達(dá)到專業(yè)人數(shù)的30%以上，并且逐年增長，連續(xù)3年全校第一，其中，獲國家級獎項150余項，省部級獎項200余項。畢業(yè)生就業(yè)率達(dá)到了98%，就業(yè)質(zhì)量明顯高于同類211高校。

2014年(27.17%)

2015年(32.97%)

2016年(43.24%)

圖3 2014～2016年省部級學(xué)科競賽獲獎率

(2) 教師成果。近3年，獲北京市教育教學(xué)成果二等獎1項、獲批“基于課程地圖的自動化專業(yè)培養(yǎng)方案優(yōu)化研究”等北京市教改項目3項、“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下自動化專業(yè)實驗實踐類課程教學(xué)改革與實踐”等校級教改重點項目4項、面上25項；“面向解決復(fù)雜工程問題的自動化專業(yè)實踐能力培養(yǎng)體系構(gòu)建與實施”等獲校級教育教學(xué)成果特等獎、二等獎各1項；出版“工業(yè)自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)教程”等實驗/實訓(xùn)教材5部；在實驗類中文核心期刊發(fā)表教改論文20余篇，“‘卓越計劃’下項目驅(qū)動型自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)平臺研究”等獲北京高教學(xué)會實驗室工作會優(yōu)秀論文一等獎2項、二等獎4項，獲物資研究分會優(yōu)秀論文一等獎2項；授權(quán)發(fā)明專利5項、實用新型22項、軟件著作權(quán)25項，自制設(shè)備基于CDIO培養(yǎng)模式的自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)平臺等分別獲校級實驗技術(shù)成果特等獎、二等獎各1項。

(3) 輻射示范作用。實驗中心在逐年的建設(shè)中，逐步形成了一套卓有成效的運(yùn)行管理模式和實驗教學(xué)理念和方法，同時建立了數(shù)個具有自身特色的實驗室，在其他高校中形成了一定的影響，具有較好的學(xué)科示范作用。目前已有國內(nèi)中國石油大學(xué)(華東)、北京郵電大學(xué)等多所高校實驗室負(fù)責(zé)人前來學(xué)習(xí)交流，接待來自美國伊利諾伊大學(xué)、日本高知縣立大學(xué)、德國工程師協(xié)會、法國圖爾工程師學(xué)院、捷克布爾諾大學(xué)等多國以及臺灣地區(qū)臺灣大學(xué)、臺灣科技大學(xué)等大學(xué)的多名教師、學(xué)者參觀訪問。

此外，自主研發(fā)的多容水箱控制實訓(xùn)系統(tǒng)、工廠污水處理系統(tǒng)、基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的控制實驗平臺等裝置已推廣到外校使用。其中多容水箱控制實訓(xùn)系統(tǒng)已推廣到哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西南大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等10余所高校。由我專業(yè)李華德、李擎教授編寫的《電力拖動控制系統(tǒng)(運(yùn)動控制系統(tǒng))》(1、2版)等教材已被天津大學(xué)、華南理工大學(xué)、湖南大學(xué)、鄭州大學(xué)、武漢理工大學(xué)、湘潭大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、河北大學(xué)、空軍工程大學(xué)等80余所高校作為主教材或參考書，銷售冊數(shù)突破1萬冊。

5 結(jié) 語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)背景下，進(jìn)行了信息工程北京實驗教學(xué)示范中心的持續(xù)性創(chuàng)新發(fā)展，特別是在實驗教學(xué)方面，從教學(xué)理念與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段等方面進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化，并取得了一系列教學(xué)效果和成果，大幅度提高了學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，有效發(fā)揮了省級實驗教學(xué)示范中心在實驗教學(xué)方面的作用，具有廣泛的輻射效應(yīng)。