自動化專業(yè)本科生實驗課程群建設(shè)

張 婷

(北京理工大學 自動化學院,北京 100081)

“教育部關(guān)于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見”指出各高等學校要堅持立德樹人,圍繞學生忙起來、教師強起來、管理嚴起來、效果實起來,深化本科教育教學改革,培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人,全面提高課程建設(shè)質(zhì)量[1]。

傳統(tǒng)的實驗教學依托于實驗器材進行教學,存在著實驗室資源有限、不利于器材維護與增加運行成本等諸多不足之處[2]。

北京理工大學自動化專業(yè)為落實“以學生為中心,學生學習與發(fā)展成效驅(qū)動”的教育理念,開展自動化本科專業(yè)本科生培養(yǎng)方案修訂工作,研究建設(shè)高水平的實驗教學課程群,優(yōu)化公共實驗課、專業(yè)基礎(chǔ)實驗課和專業(yè)實驗課比例結(jié)構(gòu),加強實驗課程體系整體設(shè)計,提高課程建設(shè)規(guī)劃性、系統(tǒng)性,避免實驗項目的隨意性、碎片化。

1 原有實驗教學課程設(shè)置

目前的實驗教學課程體系主要有課內(nèi)實驗、綜合課程設(shè)計、創(chuàng)新性實驗三種形式。

課內(nèi)實驗由于課時少,碎片化教學完全依賴理論課程進度,不能充分發(fā)揮實驗功能,其大多是驗證性實驗,不能激發(fā)學生的學習興趣和探索精神。

課程設(shè)計要求學生自主選型、設(shè)計、調(diào)試和測試,完成綜合性的系統(tǒng)實驗。課程設(shè)計在培養(yǎng)學生工程設(shè)計能力中起到了積極作用,但是綜合系統(tǒng)實驗中很多課程內(nèi)容重復,例如多門課程設(shè)計中,都需要進行電機數(shù)學建模、PID參數(shù)調(diào)整和檢測傳感器參數(shù)設(shè)置,重復教學降低了學生學習積極性[3-4]。

創(chuàng)新性實驗內(nèi)容更新?lián)Q代速度很快,但受實驗室資源限制,很多實驗條件很難滿足學生自主學習需求,創(chuàng)新性實驗也并非適合所有學生[5]。

2 自動化實驗課程群建設(shè)思路

課程群構(gòu)建是世界范圍內(nèi)課程建設(shè)的發(fā)展趨勢,是在課程領(lǐng)域研究的新方向,各高校在課程改革方面已經(jīng)意識到實踐教學課程群建設(shè)的重要性[6-7]。從2019年起,北京理工大學自動化專業(yè)教學指導委員會重新梳理實驗課程體系,建立了實驗課程群,將原有的獨立實驗課程相融合,去除重復內(nèi)容,增加挑戰(zhàn)性學習,取得了良好的效果。

2.1 建設(shè)目標

突出圍繞以學生為中心,培養(yǎng)學生解決工程復雜問題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、品學兼優(yōu)的素質(zhì)為宗旨,打破學科壁壘,按照先進性、工程性、實踐性、綜合性和系統(tǒng)性為原則整體設(shè)計,融入課程思政,遵循實驗教學理念,通過進行課程群的建設(shè)和研究,構(gòu)建高水平、跨專業(yè)、超學科的實驗課程體系。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

1) 打破實驗課程僅為課程服務(wù)的傳統(tǒng)思想,建設(shè)綜合性實驗

學科交叉融合,引入以解決復雜工程問題能力培養(yǎng)為目標的教學理念,研究現(xiàn)有培養(yǎng)方案各個課內(nèi)實驗的相關(guān)性,聽取企業(yè)專家、責任教授、大學生對實驗教學的需求,取消課內(nèi)實驗,建設(shè)綜合性實驗。自動化專業(yè)將檢測、控制、執(zhí)行各個功能模塊集中建設(shè)為一個綜合實驗,使學生能夠從局部到全局、從部件到系統(tǒng)、從經(jīng)典到現(xiàn)代全面掌握實驗精髓。

2) 校企協(xié)同,對接產(chǎn)業(yè),引入企業(yè)真實項目

通過真實項目案例的訓練,全面提升學生的創(chuàng)新能力,增加項目管理、環(huán)境保護和工程倫理等環(huán)節(jié)拓展,培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神,激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

3) 資源共享,開發(fā)線上、線下、混合實驗方式

實施“線上+線下”混合式的教學模式,以翻轉(zhuǎn)課堂滿足多樣化學習需求,線上線下“兩線”全過程良性互動,構(gòu)建“以學生為主體、教師為主導”開放型課程群。

2.3 建設(shè)方案

依托“控制科學與工程”雙一流學科建設(shè),堅持“以一流為目標、以學科為基礎(chǔ)、以學生為中心”的基本原則,每學期設(shè)置1門核心實驗課程群,強化專業(yè)素質(zhì),讓學生學得精、學得深,自覺自主學習,大幅度提高專業(yè)素質(zhì)和實踐能力,實驗課程群一覽表如圖1所示。

第1、2學期:通識實驗課程群。該課程群采用生動的案例,列舉自動化技術(shù)革新在支撐國民經(jīng)濟發(fā)展的重要學科和國家科技現(xiàn)代化的案例,激發(fā)學生對自動化專業(yè)的認識和熱愛。課程群與大學生創(chuàng)新計劃相結(jié)合,鼓勵學生提出新的設(shè)想,通過方案設(shè)計和推演,了解項目實踐中需要的專業(yè)技術(shù)和管理,做中學、學中做,提高學生實踐動手能力。課程引入自動化工程倫理和項目管理技術(shù),提高學生職業(yè)精神和管理能力。

第3學期:智能檢測實驗課程群。通過對光電、超聲波、音頻等32種傳感器的認識和了解,增加學生探求智能檢測領(lǐng)域的敏感度。課程平臺采用智能機器人,從了解機器人的感覺和觸覺傳感器出發(fā),深入理解自動化控制系統(tǒng)對傳感器檢測的技術(shù)要求。

第4學期:智能控制器實驗課程群。以典型的控制器為例學習控制器原理和應用。實驗平臺為單片機、PLC(邏輯控制編程器)和DSP等多種,學生根據(jù)不同的項目選擇控制器型號,并比對各種控制器的特點。課程中介紹我國控制器研制過程中遇到的瓶頸問題,涉及化學技術(shù)、光學技術(shù)和物理技術(shù)等基礎(chǔ)學科。

第5學期:控制原理與驅(qū)動實驗課程群。結(jié)合電力電子驅(qū)動器、控制原理和控制器、執(zhí)行電機等搭建自動控制系統(tǒng),以項目為牽引,解決一個真實的控制系統(tǒng)案例,增強善于解決問題的實踐能力。例如:原有的課程體系中,“微機原理”“電力電子技術(shù)”“電機學”“檢測技術(shù)實驗”各有8學時的課內(nèi)實驗,經(jīng)過課程整合,將4門實驗課程相關(guān)技術(shù)融合到一項綜合實驗,綜合實驗有搬運機器人、冬奧訓練機器、無人機等項目。

第6、7學期:以項目為牽引的綜合性實驗。引入真實的工程項目、科研項目,學生以小組形式進行方案設(shè)計、平臺設(shè)計和搭建、算法設(shè)計和調(diào)試,通過現(xiàn)場測試和答辯,最終完成一個項目工作。

2.4 平臺建設(shè)

實驗平臺面向企業(yè)、面向國家,汲取國際優(yōu)秀實驗資源,引入前沿科技。以實驗課程群的形式研究制定公共平臺,建設(shè)電動、液動、氣動控制系統(tǒng),實現(xiàn)計算機控制、遠程控制的綜合性實驗平臺,涵蓋經(jīng)典和現(xiàn)代的控制手段,實驗臺面向?qū)W生教師開放共享,提高學生自覺自主學習的能力和鉆研精神[8-9]。

為每位學生提供專屬實驗平臺,以便他們培養(yǎng)獨立鉆研精神,開發(fā)潛能,培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新意識。學生在大二入學后,可在實驗室選擇一個實驗裝備,保留至大四上學期結(jié)束。

實驗基礎(chǔ)平臺分為機器人、無人車、無人機等。機器人平臺有各種類型人形機器人、車型機器人、機械臂、自主設(shè)計機器人等,無人車包含電動、液動、氣動驅(qū)動四輪、三輪和兩輪車,無人機包含旋翼機、固定翼、仿生類型。如圖2所示為部分機器人平臺實驗裝置,可拆卸、可二次開發(fā),每年實驗平臺推陳出新,不斷完善擴充。

圖2 機器人平臺實驗裝置

實驗綜合平臺包含電動、液動、氣動綜合實驗臺(如圖3所示),培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力,每個綜合實驗平臺都包含著檢測、驅(qū)動、控制等各個功能,根據(jù)實驗的需求設(shè)計了上位機監(jiān)控、虛擬仿真與遠程控制等,學生在實踐工程中增強了對現(xiàn)代企業(yè)管理的認識和安全意識。

圖3 電動、液動、氣動綜合平臺

2.5 教師隊伍建設(shè)

打破原有1門課程由1～2位教師主講的授課形式,采用課程群形式,根據(jù)實驗內(nèi)容、培養(yǎng)目標進行教師人員配置。實施課程講授或指導時,理論任課教師參與實驗指導并定期參與實驗內(nèi)容研討。

培養(yǎng)一批高素質(zhì)的有工程背景和工程項目的實驗教師隊伍,積極引進企業(yè)、科技人員作為兼職教師,參與課程建設(shè)和平臺建設(shè)研究。

引進高水平的博士研究生作為實驗教學助理,有效利用開放平臺進行指導;吸收高年級的本科學生作為實驗助管員,提高學生自主自覺建設(shè)實驗室意識,鼓勵學生對實驗課程、實驗平臺提出建議。

3 結(jié)語

通過建設(shè)實驗課程群,促進了實驗資源整合,提高了實驗平臺利用率,避免了實驗教學內(nèi)容的重復率,實驗課程不再相互獨立,專業(yè)知識交叉融合,解決了多年來課時多、學習效率低的問題。對2019級自動化專業(yè)160余位學生的調(diào)研表明,實踐課程具有很高的挑戰(zhàn)性,激發(fā)了學生自主學習的積極性。課程群的建設(shè)也迅速提高了實驗教師水平,企業(yè)、科研專家、理論教師和實驗教師在教學方法、實驗平臺建設(shè)方面相互交流,形成了實驗教學規(guī)范發(fā)展和持續(xù)改進的良性循環(huán)。雖然實驗課程群的建設(shè)和實踐取得了階段性成果,但是還存在實驗教師隊伍人員數(shù)量少、綜合性實驗教材少、課程群管理機制的完善等諸多問題,需要進一步研究和探索。