面向測控技術(shù)與儀器應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)研究

李公法 周興林 陶 波 王 濤 楊 丹 趙梓辰

（[1]武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北·武漢 430081；[2]武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北·武漢 430081；[3]武漢科技大學(xué)機(jī)械國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 湖北·武漢 430081）

在十九大報告中，習(xí)總書記提出“優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)，加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”，同年，新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目正式啟動。在這一背景下，由學(xué)科導(dǎo)向過渡到產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，這種轉(zhuǎn)變更是測控技術(shù)與儀器專業(yè)需要實(shí)現(xiàn)的。按照新工科的建設(shè)要求，測控技術(shù)與儀器專業(yè)在培養(yǎng)學(xué)生時，應(yīng)突出學(xué)生能力的培養(yǎng)，將能力培養(yǎng)作為學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的目標(biāo)。近年來，本科生人數(shù)不斷增加，為了保證本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)高層次的創(chuàng)新型應(yīng)用人才是我國高校當(dāng)前的重要任務(wù)，對本科生的培養(yǎng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)該與時俱進(jìn)，不僅僅著眼于學(xué)科要求，提升綜合實(shí)力，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新力才能更好地適應(yīng)時代發(fā)展的要求。本文將以測控技術(shù)與儀器專業(yè)研究人才培養(yǎng)為背景，從實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題、差異化多維一體化的完成創(chuàng)新平臺建設(shè)和改革成效三個方面進(jìn)行探討。

1 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀

近年來，隨著國家“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”等重大舉措的實(shí)施和推進(jìn)，更加需要加快創(chuàng)新應(yīng)用型測控技術(shù)與儀器的人才培養(yǎng)。測量、控制和儀器儀表是實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的關(guān)鍵所在。在長期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，我校機(jī)械自動化學(xué)院于2016年開設(shè)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，培養(yǎng)適應(yīng)我國智能發(fā)展需求和富有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才。然而，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的培養(yǎng)過程往往不盡人意，所以亟須在培養(yǎng)模式方面實(shí)行全方位差異化培養(yǎng)，在滿足不同時期和不同階段的教育需求下，建設(shè)多維一體化的實(shí)踐創(chuàng)新平臺。

1.1 學(xué)科交叉不夠深入

本科教育階段更加注重專業(yè)知識的學(xué)習(xí)與科研能力的培養(yǎng)，因此出現(xiàn)了專業(yè)知識扎實(shí)，但知識面不夠廣泛的情況，傳承式的教育方法使得學(xué)生缺乏創(chuàng)新力，相對較窄的知識面導(dǎo)致了學(xué)生的思維局限性，由于受學(xué)科邊界的限制,科學(xué)研究時會受限于某一理論和相關(guān)方法，創(chuàng)新思維很難得到系統(tǒng)提高。目前，學(xué)科的發(fā)展趨勢是各學(xué)科交叉滲透，多學(xué)科融合發(fā)展。在本科階段，要圍繞培養(yǎng)需求進(jìn)行放射式延伸學(xué)習(xí)，從而拓寬知識面，有效開展實(shí)踐創(chuàng)新。

1.2 實(shí)踐教學(xué)模式不夠豐富

在測控技術(shù)與儀器專業(yè)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊大都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以各自課程為主，各個課程之間的理論聯(lián)系情況極差，實(shí)驗(yàn)課程之間的聯(lián)系更是沒有綜合化。這種單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雖然可以訓(xùn)練學(xué)生動手能力和鞏固相關(guān)的理論知識，但是從長遠(yuǎn)的角度考慮，這種片面的方案，不利于學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的、完整的知識框架，對其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也是微乎其微。

傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)踐環(huán)節(jié)過度依賴于理論課程，為了滿足實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性與規(guī)范性，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，往往有著完整且過于詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，教師進(jìn)行演示，學(xué)生進(jìn)行模仿，學(xué)生即使不加思考也可以大致達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模@樣很容易導(dǎo)致學(xué)生的思維“同一化”。與此同時，單一的教學(xué)模式，不僅限制了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學(xué)生的綜合素質(zhì)能力也得不到鍛煉與提高。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺搭建不夠綜合化

對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生來說，實(shí)踐創(chuàng)新能力是不可或缺的，同時也是培養(yǎng)目標(biāo)之一。因此，搭建信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的綜合性實(shí)踐創(chuàng)新平臺十分重要。測控技術(shù)與儀器專業(yè)是一個多學(xué)科融合交叉的專業(yè)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目集光、機(jī)、電、算為一體，學(xué)生如果在沒有經(jīng)過虛擬仿真操作情況下直接進(jìn)行實(shí)踐，很容易操作失誤，導(dǎo)致設(shè)備損毀，嚴(yán)重還可能造成人身傷害。同時這一因素還會使學(xué)生有所顧慮，不敢大膽的動手嘗試，這將大幅度限制了實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 差異化多維一體化的實(shí)踐創(chuàng)新平臺建設(shè)

針對上述問題，基于我校的冶金特色和智能制造對測控的需求，培養(yǎng)測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生的“卓越”素質(zhì)，機(jī)械自動化學(xué)院建立了差異化多維一體化的實(shí)踐創(chuàng)新平臺（見圖1）。

圖1：差異化多維一體化的實(shí)踐創(chuàng)新平臺建設(shè)

2.1 提出明確階段規(guī)劃

2.1.1 實(shí)踐方向清晰化

在不同階段，需要將知識問題實(shí)例化，將相關(guān)知識與實(shí)際問題充分融合，盡可能使其情景化，因?yàn)橥粏栴}在不同環(huán)境下，表現(xiàn)也會有所不同。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安排上，要以整合優(yōu)質(zhì)教育資源為目的；高校應(yīng)著重考慮學(xué)生的興趣方向，設(shè)計(jì)與之相匹配的實(shí)踐環(huán)節(jié)。學(xué)生可以參與教師的實(shí)際課題，借此提高查找學(xué)術(shù)資料、提煉科學(xué)問題并提出解決方法的科研實(shí)踐能力。

與此同時，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以引入3D打印技術(shù)，得益于3D技術(shù)的快速呈現(xiàn)優(yōu)勢，實(shí)踐者的方案可以及時得到具體反饋，正因如此，學(xué)生也更愿意去嘗試制定個性化方案，進(jìn)而營造更加良好的教學(xué)氛圍。與此同時，在建模期間會有一定的材料消耗，這一因素對學(xué)生綠色思維的培養(yǎng)也會有一定的提高。

2.1.2 校企結(jié)合，多學(xué)科交叉實(shí)踐

跨學(xué)科實(shí)踐創(chuàng)新與解決實(shí)際問題是21世紀(jì)重要的學(xué)習(xí)能力。一個學(xué)科往往與多個學(xué)科發(fā)生聯(lián)系。目前的研究隊(duì)伍大多數(shù)是在行政體系的約束下建立的，不同學(xué)科的研究課題有時也會密切相關(guān)，但是由于所屬不同行政院系，在交流上難免會有不便，這對于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展十分不利。因此，課題組的成員需要不同專業(yè)，在科研實(shí)踐中，團(tuán)隊(duì)成員合作交流，在已有的知識儲備上，通過這種方式，學(xué)習(xí)新的知識。

與此同時，應(yīng)該加強(qiáng)校企之間的合作，為學(xué)生提供貼合實(shí)際和前沿的實(shí)踐機(jī)會，例如面對企業(yè)課題，不同階段的學(xué)生可以相互結(jié)合，明確分工，解決企業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)，使所學(xué)知識得到更好的實(shí)踐。

2.2 差異化多維實(shí)踐教學(xué)

2.2.1 全方位培養(yǎng)差異化

以優(yōu)化人才培養(yǎng)體系為目標(biāo)，在理論知識傳授與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，融入差異多維的培養(yǎng)理念。針對學(xué)生的興趣程度和個人職業(yè)規(guī)劃的不同，進(jìn)行差異化多維一體的實(shí)踐教學(xué)；為滿足不同學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，授課教師應(yīng)以社會需求為引線，面對不同的項(xiàng)目，采用偏向理論知識或工程應(yīng)用的方法解決問題。將項(xiàng)目需求貫穿于理論和實(shí)踐的教學(xué)應(yīng)用中，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)由被動接受到主動探索的轉(zhuǎn)變。

與此同時，積極開展實(shí)踐教學(xué)，增加研究性實(shí)驗(yàn)所占的比例，盡可能減少老師的示范工作，鍛煉學(xué)生的自主性和創(chuàng)造能力，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)與科研實(shí)踐的更好結(jié)合。針對所學(xué)的某一知識，進(jìn)行自主思考，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)備獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以將其作為檢驗(yàn)學(xué)生動手能力的指標(biāo)，同時還可以更好地幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)知識，掌握基本實(shí)驗(yàn)技能。通過建設(shè)科研實(shí)驗(yàn)室，不但使學(xué)生的動手能力、分析和解決問題的能力得到了大幅提高，還是進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新探索的重要途徑。

2.2.2 充分利用科研競賽

測控技術(shù)與儀器專業(yè)和工程實(shí)踐有著緊密的聯(lián)系，對于學(xué)生來說，由于比賽涉及范圍廣泛，各種要求與標(biāo)準(zhǔn)各不相同，因此能夠更為全面的提升自己的實(shí)踐能力。除技術(shù)專長外，業(yè)界還要求畢業(yè)生具備廣泛的專業(yè)技能，包括溝通、團(tuán)隊(duì)合作、領(lǐng)導(dǎo)才能和創(chuàng)新能力。面對不同的賽題，既鍛煉了創(chuàng)新能力，又可以憑借比賽來夯實(shí)相關(guān)的專業(yè)理論知識，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，積累豐富的比賽經(jīng)驗(yàn)，錘煉科研功底。學(xué)生可以在比賽中發(fā)現(xiàn)不足，使科研實(shí)踐能力得到有效的提高。

在實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)高度關(guān)注所采取的教學(xué)行為，考慮是否能促進(jìn)學(xué)生主動參與。考慮到一些學(xué)生擔(dān)心自身能力不足，對比賽望而卻步的現(xiàn)象，為滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)要求，將比賽納入相關(guān)課程，由教師將比賽內(nèi)容進(jìn)行充分理解，并從中篩選、簡化出符合基礎(chǔ)學(xué)生的內(nèi)容，讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，開展實(shí)踐設(shè)計(jì)，從而增加專業(yè)的趣味性，引發(fā)學(xué)生的思考，在這一過程中還可以鍛煉學(xué)生的科研實(shí)踐和撰寫材料的能力。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)虛實(shí)綜合化

信息技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，如果不使用信息和通信技術(shù)，這是對資源的浪費(fèi)。近幾年，本著“虛實(shí)結(jié)合、相得益彰”的原則，虛擬仿真技術(shù)已被多所高校應(yīng)用到理論實(shí)踐教學(xué)中。機(jī)械自動化學(xué)院具備良好的行業(yè)合作基礎(chǔ)和完備的軟硬件條件，我院目前擁有國家級機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械傳動與制造工程實(shí)驗(yàn)室，湖北高校省級示范實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地，能夠?yàn)槠脚_的開展提供充足的保障。

2.3.1 開展智能測控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)的多種限制，為保證實(shí)踐教學(xué)與學(xué)生安全，設(shè)計(jì)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可視交互，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解復(fù)雜的科學(xué)問題，同時為教師提供一個全新的智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，使人才培養(yǎng)模式更加網(wǎng)絡(luò)化、差異化、科學(xué)化。例如在減速器的設(shè)計(jì)上，學(xué)生先是進(jìn)行理論計(jì)算，然后依照裝配的流程，依次將計(jì)算出的參數(shù)輸入到NX軟件中，借助軟件，學(xué)生可以將得到的數(shù)據(jù)很快的實(shí)例化，通過這一虛擬交互環(huán)節(jié)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)踐教學(xué)上也可事半功倍。

在疫情期間，為了滿足實(shí)踐教學(xué)要求，同時解決實(shí)驗(yàn)條件不足的問題，采取開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行“云實(shí)驗(yàn)”，借用人機(jī)交互等方法模擬實(shí)驗(yàn)場景，可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)多樣化，同時也具備很好的可控性。

2.3.2 開放科研實(shí)驗(yàn)室

由于課堂時間有限，積極性高和基礎(chǔ)好的學(xué)生，在完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，很難有機(jī)會進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。所以在滿足正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，開放科研實(shí)驗(yàn)室是很有必要的。同時結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)搭建實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)預(yù)約系統(tǒng)，鼓勵學(xué)生跨學(xué)科自主選題進(jìn)行研究，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)前通過平臺預(yù)習(xí)、進(jìn)行虛擬仿真，并預(yù)約實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。

在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，教師與學(xué)生可以進(jìn)行線上的互動指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，指導(dǎo)教師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程和學(xué)習(xí)態(tài)度進(jìn)行打分，同時學(xué)生也可以對教師的指導(dǎo)方法進(jìn)行評價，以實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反饋修正。

3 教學(xué)成效

調(diào)查結(jié)果表明，建設(shè)此實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)的舉措是行之有效的。學(xué)生在學(xué)習(xí)上的主動性得到了增強(qiáng)，對相關(guān)知識的理解也更加的透徹，幾乎每一名同學(xué)都可以找到適合自己的學(xué)習(xí)實(shí)踐模式。通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生有機(jī)會驗(yàn)證自己的想法，由被動接受開始向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。我院學(xué)生獲國家級、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目14項(xiàng)，在中國大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽、美國數(shù)學(xué)建模大賽、亞太區(qū)數(shù)學(xué)建模大賽等省級及以上科技競賽中成績突出。發(fā)表論文30多篇，專利的質(zhì)量也有了顯著提高，獲得授權(quán)發(fā)明專利20多項(xiàng)。

與此同時，實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，對學(xué)生工程素養(yǎng)的提升有了很大的幫助。實(shí)驗(yàn)由簡入繁，由基礎(chǔ)到綜合，循序漸進(jìn)，不僅實(shí)際動手能力得到了鍛煉，學(xué)生的思維創(chuàng)新能力也有了很大的提高。在不同階段下，差異化多維一體實(shí)踐創(chuàng)新平臺的建設(shè)，讓每一名學(xué)生都能得到更好的培養(yǎng)，使其在畢業(yè)時具備更好的綜合素質(zhì)，更具競爭力。

4 結(jié)束語

本文以測控技術(shù)與儀器專業(yè)為背景，針對本科生教育階段的培養(yǎng)需求，提出了基于不同研究領(lǐng)域和階段，以培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才需求為目標(biāo)的實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)。通過建設(shè)科研實(shí)驗(yàn)室，形成科研與教學(xué)相互作用和轉(zhuǎn)換的良性循環(huán)，同時鼓勵學(xué)生自主選題，實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué)，提高大學(xué)生整體實(shí)踐水平，使優(yōu)質(zhì)的教育資源得到整合，人才培養(yǎng)體系得到進(jìn)一步優(yōu)化。教學(xué)實(shí)踐表明，這一差異化多維一體實(shí)踐創(chuàng)新平臺的建設(shè)，更好地促進(jìn)了本專業(yè)人才的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在學(xué)術(shù)科研和科技競賽上，獲批專利和比賽獲獎人數(shù)有著顯著提高，工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神都得到了很好的鍛煉。通過建設(shè)研究實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)，滿足產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向的需要。