以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的探究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

韓 濤, 姚 維, 陸玲霞, 張建良, 吳 越

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是“雙一流”學(xué)科建設(shè)的重要任務(wù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論與實(shí)踐溝通的橋梁,是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑,在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、探索能力、科研能力、創(chuàng)新能力方面有著重要的作用。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在內(nèi)容陳舊、教學(xué)形式單一,演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比重過高等缺點(diǎn),無法有效地承擔(dān)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)的任務(wù)[1-2]。為了解決這一問題,各高校結(jié)合自身特色,從實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理等方面開展了一系列的探索實(shí)踐[3-5]。

我校自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托學(xué)科特色、師資力量、人才培養(yǎng)等綜合優(yōu)勢(shì),并借鑒國內(nèi)高校在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的成功經(jīng)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與競(jìng)賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,構(gòu)建基于智能車系統(tǒng)的探究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”),將自動(dòng)化專業(yè)核心課程與創(chuàng)新實(shí)踐類課程相互貫通,從實(shí)踐的角度來促使學(xué)生完成知識(shí)體系的自我建構(gòu),實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6-8]。

1 探究型實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況及存在的問題

探究型實(shí)驗(yàn)是以學(xué)生為中心,從認(rèn)知規(guī)律和能力發(fā)展角度出發(fā),以基礎(chǔ)型規(guī)范型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、研究探索型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo),依托開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,采取多種教學(xué)方式,協(xié)助學(xué)生完成知識(shí)體系的自我構(gòu)建及更深層次的新智慧建構(gòu)、方法論建構(gòu)[9-10]。

自2013年起,我校實(shí)驗(yàn)中心開始在自動(dòng)化專業(yè)核心課程及創(chuàng)新實(shí)踐類課程實(shí)施探究型實(shí)驗(yàn),到目前為止,已建設(shè)探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目143項(xiàng),累計(jì)參加學(xué)生291人,從學(xué)生反饋上來看,教學(xué)效果達(dá)到預(yù)期目的,但在實(shí)施探究型實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要針對(duì)該門特定的知識(shí)點(diǎn)的更新,學(xué)生缺乏對(duì)整個(gè)專業(yè)知識(shí)體系的認(rèn)識(shí),無法體現(xiàn)與前置課程及相關(guān)課程、科研實(shí)踐之間的聯(lián)系,無法有效地連接第一課堂、第二課堂和第三課堂。

(2) 實(shí)驗(yàn)缺乏明確的主線,“碎片化”現(xiàn)象嚴(yán)重,不利于技術(shù)積累和能力提升,創(chuàng)新能力難以提高。

2 探究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

2.1 平臺(tái)建設(shè)思路和目的

圍繞我?！耙匀藶楸尽⑶笫莿?chuàng)新、整合培養(yǎng)、追求卓越”的教育理念,結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案,依托省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和智能技術(shù)科教實(shí)踐基地資源,以智能車系統(tǒng)為主線,對(duì)探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行整合,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、創(chuàng)新“三位一體”的探究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11-12]。

平臺(tái)將競(jìng)賽內(nèi)容與自動(dòng)化專業(yè)核心課程、創(chuàng)新實(shí)踐類課程相結(jié)合,依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知、實(shí)踐能力形成規(guī)律和個(gè)體差異性,將競(jìng)賽內(nèi)容模塊化、項(xiàng)目化的形式分層次地引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以學(xué)生為主及在多維度開放的環(huán)境下,采取以問題為導(dǎo)向的指導(dǎo)方式及注重過程的考核方式,逐步引導(dǎo)學(xué)生建立獨(dú)立的思維模式和培養(yǎng)創(chuàng)造性解決問題的能力,協(xié)助學(xué)生完成自我知識(shí)體系的建構(gòu)與升華。

2.2 平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

平臺(tái)由微機(jī)原理與接口技術(shù)、信號(hào)分析與處理、控制理論、嵌入式系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐、Matlab與系統(tǒng)仿真課程組成,其中以微機(jī)、信號(hào)和控制理論探究型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),嵌入式系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐、Matlab與系統(tǒng)仿真探究型實(shí)驗(yàn)為拓展延伸,將競(jìng)賽內(nèi)容融入到探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過智能車校賽、省賽、國賽來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)。平臺(tái)構(gòu)成如圖1所示。

(1) 硬件系統(tǒng)。以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心,包括電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、采集電路的設(shè)計(jì),及其他與單片機(jī)相通信的電路。例如在微機(jī)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)課程中開設(shè)的單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn),從實(shí)踐角度上分別讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)以51為核心和以STM32為核心的最小系統(tǒng)板,這個(gè)過程讓學(xué)生了解不同器件的封裝,掌握PCB制板技術(shù),直插和貼片元件的焊接技能,模塊化調(diào)試的思想。

(2) 路徑識(shí)別。利用圖像類或感應(yīng)類傳感器獲取路徑及車身姿態(tài)的有效信息,利用偏差及其變化率來獲取實(shí)時(shí)路徑的特征信息。如在嵌入式系統(tǒng)課程開設(shè)的基于直立車的角度測(cè)量實(shí)驗(yàn),在掌握硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用模擬的加速度計(jì)和陀螺儀來獲取加速度值和角速率值,通過卡爾曼濾波算法來獲得角度值,其難點(diǎn)在于陀螺儀的過沖和零漂問題及濾波算法的實(shí)現(xiàn)及收斂性。

(3) 控制策略。包含轉(zhuǎn)向控制和速度控制,其中轉(zhuǎn)向控制模塊根據(jù)路徑識(shí)別的結(jié)果,選擇控制算法實(shí)現(xiàn)小車在賽道上轉(zhuǎn)彎的快速性、準(zhǔn)確性；速度控制模塊,利用編碼器檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。如在控制理論課程中開設(shè)的兩輪平衡車實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生直接面對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的反饋控制效果,采用不同的控制方案,實(shí)現(xiàn)在外力干擾下,平衡車的控制效果,深化了學(xué)生對(duì)控制的理解,為后續(xù)的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

(4) 開發(fā)調(diào)試。根據(jù)收集來的數(shù)據(jù),從硬件、軟件機(jī)械3個(gè)方面來尋找影響控制效果的原因。如基于Matlab的上位機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),是利用藍(lán)牙等無線模塊現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù),并繪制曲線,根據(jù)反饋曲線對(duì)整個(gè)智能車系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

在此平臺(tái)上,遵循知識(shí)和能力的發(fā)展規(guī)律,將智能車系統(tǒng)的4個(gè)核心部分分解成不同的課程實(shí)驗(yàn),以模塊化、層次化的形式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生在本門課程及相關(guān)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上,從實(shí)踐的角度上,完成專業(yè)核心課程知識(shí)的融合和建構(gòu),為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)。以基于電感檢測(cè)原理的探究型實(shí)驗(yàn)為例(見表1),其中微機(jī)原理與接口技術(shù)為大二課程實(shí)驗(yàn),其余均為大三課程實(shí)驗(yàn)。

表1 基于電感檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案

平臺(tái)實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程

(1) 實(shí)驗(yàn)選題階段。題目來源可以是競(jìng)賽內(nèi)容轉(zhuǎn)化內(nèi)容,也是可以是學(xué)生閱讀提供資料后自行擬定的題目,如在CCD圖像采集實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自行將大津算法應(yīng)用在圖像邊沿檢測(cè)上。

(2) 實(shí)施階段。學(xué)生以分組的形式完成資料收集、方案擬定,器件選擇、方案實(shí)施、撰寫報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)答辯,實(shí)驗(yàn)教師則全程跟蹤實(shí)驗(yàn)過程,針對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問題,以PBL(problem-based learning)為導(dǎo)向,采用5W(5why)分析法,讓學(xué)生自己找到問題的核心點(diǎn)并擬定解決方案；施行教師和組長(zhǎng)的雙重管控,根據(jù)組長(zhǎng)提交實(shí)驗(yàn)計(jì)劃安排表,實(shí)施進(jìn)度管控,保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行[13-14]。

(3) 驗(yàn)收階段。采用互評(píng)方式,實(shí)施者必須將實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)及解決問題的思路與實(shí)現(xiàn)方案以簡(jiǎn)潔明了的語言表述出來。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程從資料收集、方案設(shè)計(jì)體現(xiàn)了隱性思維顯性化,方案實(shí)施過程實(shí)現(xiàn)了顯性思維具體化,互評(píng)答辯過程體現(xiàn)了具體思維系統(tǒng)化。此過程即提升了學(xué)生的實(shí)踐能力、總結(jié)提煉能力、語言表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,又系統(tǒng)地拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.4 加強(qiáng)保障建設(shè),為平臺(tái)提供良好環(huán)境

健全的管理機(jī)制和專業(yè)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)隊(duì)伍是提高探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的保障。

在管理方面,借助我校實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng),學(xué)生在系統(tǒng)上進(jìn)行預(yù)約,并遞交需要的器件、儀器設(shè)備申請(qǐng),教師審核通過后,即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)隊(duì)伍方面,目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)由1名博士和3名碩士組成,均有較強(qiáng)的教學(xué)科研能力和工程背景,能有效承擔(dān)探究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)指導(dǎo)工作。

3 平臺(tái)建設(shè)成果

3.1 實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的橫向協(xié)同與縱向銜接

智能車系統(tǒng)涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多門學(xué)科知識(shí),具有學(xué)科交叉、強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力的特點(diǎn)。根據(jù)競(jìng)賽內(nèi)容設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У匾龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜合性、系統(tǒng)性的研究,從而提高創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生需要運(yùn)用編程語言實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)、濾波算法、控制算法、建模方法等內(nèi)容,這些方法與自動(dòng)化專業(yè)核心課程與創(chuàng)新實(shí)踐類課程的教學(xué)目標(biāo)相契合,從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化專業(yè)課程之間的橫向協(xié)同與縱向銜接。探究型實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)如表2所示。

表2 探究型實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)表

3.2 實(shí)現(xiàn)第一課堂與第二課堂的良性互動(dòng)

在“以賽促學(xué)、以賽促教、學(xué)教互促、良性發(fā)展”的理念下,改革平臺(tái)相關(guān)課程的教學(xué)方式,在課程教學(xué)過程中采取“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法”,并采取案例式教學(xué)法進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生把課內(nèi)外知識(shí)融會(huì)貫通,由知識(shí)的積累向注重綜合能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果,實(shí)現(xiàn)第一課堂與第二課堂以及課程教學(xué)改革與學(xué)科競(jìng)賽之間互相促進(jìn)、相互支撐。

3.3 構(gòu)建立體化實(shí)踐教學(xué)體系

平臺(tái)將競(jìng)賽的內(nèi)容與經(jīng)驗(yàn)積累轉(zhuǎn)化為課程的探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過不斷完善設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不斷開發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用背景的創(chuàng)新性、探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平。通過項(xiàng)目的實(shí)施,將課程實(shí)驗(yàn)、科研訓(xùn)練、創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合,構(gòu)建一個(gè)多形式、多層次、特色鮮明的立體化實(shí)踐教學(xué)體系,切實(shí)鍛煉了學(xué)生的綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力與交流溝通能力。

基于該創(chuàng)新平臺(tái),實(shí)驗(yàn)中心指導(dǎo)電氣工程學(xué)院本科學(xué)生在2013年以來的全國智能車大賽中取得特等獎(jiǎng)1次、一等獎(jiǎng)7次的成績(jī),培養(yǎng)了學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新能力,同時(shí)提高了學(xué)院和學(xué)校的教學(xué)實(shí)力和國內(nèi)知名度。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明,以智能車這一創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)為主線的探究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程教學(xué)的改革,探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)實(shí)踐課對(duì)接,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化專業(yè)主干課程之間的橫向協(xié)調(diào)與縱向銜接,能有效強(qiáng)化學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲,提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、自主分析、解決問題的能力,培養(yǎng)了科學(xué)研究精神,實(shí)現(xiàn)了高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)。