新工科背景下自動化專業課程實驗教學體系構建與實踐

吳家榮，廖義奎，馬伏花，韋峻峰，王擎宇

（廣西民族大學 電子信息學院，廣西南寧 530006）

為適應新工科背景對人才培養的需求，具有扎實理論知識基礎、較強動手實踐能力、敢于創新的高端綜合型人才是未來人才的培養目標[1-4]。實驗教學作為工科專業的必修環節，是培養學生實踐能力及創新能力的重要方式之一，其與理論教學相比具有更豐富的內容、更鮮明的直觀性和更加突出的創新性及綜合運用性，對培養全面建設社會主義現代化國家的高端創新型人才具有現實意義[5-6]。

自動化專業作為工科主要專業之一，在工程應用領域發揮著重要作用[7-8]。學生不僅要對自動化專業理論知識進行深入學習，更要進行相應的實驗研究[9]。然而，傳統實驗教學隨著高校課程的改革、課時的縮減等因素，導致難以提升教學質量[10-11]。隨著教育教學改革的不斷深化，如何優化實驗教學方式，改進實驗授課內容，從而進一步培養學生的綜合實踐能力及激發學生的創新意識，是高校推進自動化專業課程實驗教學體系改革的重要研究方向[12-14]。

1 存在問題的原因

針對以上問題，教師在實驗教學過程中不斷對授課學生進行調查分析及評價總結。經過多年的實驗教學發現：學生雖然學習了很多自動化課程知識，同時也在實驗室完成了很多相對應的課程實驗，但在各種競賽、課程設計、研習周、畢業論文設計等知識綜合應用環節中，所呈現出來的知識綜合實踐能力和創新意識還是有所欠缺，其原因主要有以下幾方面。

1.1 重理論輕實踐

實驗教學模式“以知識為本位”，強調以教材為中心、以教師為中心、以課堂為中心。教學過程以原理知識為主，應用技術少有提及，課堂上注重基礎知識的教學，忽略對學生綜合運用知識能力的培養。部分教師將實驗課當成理論課，大量講解教材知識、實驗目的及實驗注意事項，過多占據學生動手實驗的時間。學生對實驗原理、實驗過程等環節均未深入理解，難以激發學生的創新意識。

1.2 實驗教學方式不合理

傳統的實驗教學大量使用實驗箱，其開發能力較弱，僅能完成一些簡單的驗證性實驗，學生對于每個實驗課程的具體實現方法、設計原理了解較少。有些學校每個學年均開設研習周，其中包含實驗課程的實物制作環節，但由于學生平時實踐能力較弱，缺乏經驗，導致實驗調試時經常出現元件損壞或電路板燒壞等情形。為了避免這種情況的發生，有些教師以實驗箱代替進行相關實驗內容的驗證，這種實驗教學方式不利于培養學生的動手能力和綜合運用知識的能力。

1.3 知識綜合應用受限

自動化專業的課程實驗往往與某一門理論課程相對應，如自動控制原理實驗、現代控制理論實驗等，這些實驗課程的內容通常僅與之相對應的理論課程相關。學生進行簡單的驗證性實驗，僅能實現原理性、概念性、理論性的實驗驗證。學生雖然在操作過程中能學到一些該課程的理論知識，卻難以與其他課程相關聯。此外，教師在實驗教學過程中很少就某個實驗內容及與之相關聯的其他課程知識進行過多講解，導致學生的知識綜合應用存在很大的局限性。

鑒于以上情況，基于廣西民族大學對自動化專業課程的定位及新工科對人才培養的總體要求，構建一套“課內實驗—課外實驗”階梯式實驗教學體系，對現有的自動化專業課程實驗教學進行改革與實踐，旨在增強學生自主學習意識、培養其創新精神、提高其實踐能力，形成一套適合教師教學與學生學習的有機整體。

2 實驗教學新體系構建

2.1 課內實驗

課內實驗以鞏固基礎理論知識和提升實踐動手能力為目標，將課內實驗分為基礎性實驗和驗證性實驗兩個培養層次，不同層次采用不同的教學內容和實踐方式。

2.1.1 基礎性實驗

在基礎性實驗層次中，將仿真軟件引入自動化專業課程實驗教學，將抽象知識模塊化、系統化、直觀化，激發學生主動學習、自我提高的動力，促使學生轉變被動學習狀況，培養學生的創新能力。通過設計和實現仿真實驗，如直流變換器控制系統的仿真等，以達到對概念性、理論性實驗的理解，這也是驗證性實驗的基礎階段。

在以上直流變換器控制系統的仿真實驗中，教師首先為學生講解直流變換器的工作原理，讓學生學會建立直流變換器的數學模型及分析控制系統的性能。仿真實驗內容包括直流變換器控制系統的輸入輸出波形觀測、參數變化對控制系統性能的影響等。教師指導學生在仿真軟件上搭建直流變換器的控制系統模型，要求學生自行選擇合適的電路參數和控制參數進行仿真驗證。同時，教師要記錄學生在仿真過程中所遇到的疑點和難點。對于學生共同存在的問題，教師組織學生通過分組討論的形式對相關問題進行探討，必要時及時集中解答，對于個別問題可采用一對一答疑的方式進行解決。

2.1.2 驗證性實驗

驗證性實驗是基礎性實驗的遞進。本層次實驗主要是讓學生自主制作出一個實際的直流變換器控制系統，并加以驗證。根據以上基礎性實驗建立的仿真系統，要求學生搭建相對應的實驗平臺，研制直流變換器控制系統的原理樣機。通過驗證性實驗，加強學生的動手實踐能力及激發學生將理論應用于實際的學習興趣，為學生進入下一層次實驗的學習奠定良好基礎。

在以上實際直流變換器控制系統制作中，要求學生根據自己的設計方案列出電路元器件，并自行查閱元器件資料，了解電路元器件的結構及功能。此外，要求學生對控制系統使用的電路元器件進行選型及分析，盡量讓學生獨立完成直流變換器原理樣機的成品，達到提升學生實踐動手能力的目的。最后，通過測試、調試完成直流變換器控制系統的制作并分析處理所得的實驗數據。

2.2 課外實驗

課外實驗以培養學生的綜合實踐能力和創新能力為目標，以科技類競賽為主、以科研項目為輔。課外實驗分為綜合性實驗和創新性實驗兩個培養層次，進一步培養學生的綜合知識應用能力和創新意識。

2.2.1 綜合性實驗

參加科技類競賽是培養學生綜合知識應用能力的重要途徑，可以激發學生的創新思維和實踐能力，為培養創新型人才奠定良好基礎。科技作品的制作與實現往往涉及多門課程的知識。教師鼓勵學生參加 “挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國電子設計大賽、中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽等科技類比賽，旨在培養學生將專業所學知識應用于實踐的能力，發揮學生綜合運用知識解決實際問題的能力。

在綜合性實驗中，教師首先需要和學生商定作品的選題，進而要求學生利用課外時間查閱相關資料和制定實施方案，并在教師的指導下進行作品的創作。在學生創作過程中，教師和學生要及時溝通，對于學生反饋的難題，教師需及時作答，并修改或更換實施方案。此外，在競賽時間外，教師需對實驗題目進行不定期更新，便于學生平時訓練，進一步提升學生綜合應用知識的能力。

2.2.2 創新性實驗

學生參與教師的科研項目研究，是培養創新能力的有效方式。學生通過參與教師科研課題進行一定的科研基礎訓練，能有效激發科研創新興趣，加快創新意識的形成。對于加入教師科研項目并在實施中取得一定科研成果的學生，教師要加以獎勵，從而激發學生的鉆研熱情及營造鼓勵更多學生參與課題的良好氛圍。

在實驗中，教師向學生公布科研課題的研究方向，學生則以個人或團隊的形式加入，師生雙方均具有雙向選擇的權利。教師需對加入的學生進行培養，引導學生對參與課題的目標、意義、重點和難度有一個較為清晰的認識，進而通過指導學生如何獲取期刊文獻及學術成果資料、如何撰寫學術論文等方式提高學生的科研能力。學生則以教師的科研課題為契機，獨立或共同完成科研課題中的部分工作，如實驗數據處理與分析、學術論文撰寫與優化等。

以上各個實驗層次在實施過程中均注重學生對實驗效果的評價，教師通過問卷調查、面對面交流等方式了解學生對整個實驗過程中知識與能力的把握程度，經常檢驗教學的實施效果，及時總結經驗，進一步完善實驗教學內容與實施方案。

3 結束語

基于新工科背景，對自動化專業課程構建了一套“課內實驗—課外實驗”遞進式實驗教學體系。在廣西民族大學2019、2020 級自動化專業進行實驗教學，實踐表明：與前幾屆自動化專業學生相比，所構建的實驗教學體系能使學生對自動化專業課程的學習興趣有所提升，參加科技類競賽的獲獎成績有所突破，發表學術論文的學生數量有所增加，有效提高了學生的綜合實踐能力和創新能力。