省級實驗教學示范中心的持續(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 a. 自動化學院； 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

實驗教學示范中心作為培養(yǎng)學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)于開展高等學校實驗教學示范中心建設(shè)和評審工作的通知》[1]，明確了形成國家級、省級兩級實驗教學示范體系的建設(shè)目標，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，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，對實驗教學示范中心復合型工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)提出了更高要求，許多高校進行了實驗教學示范中心再發(fā)展的思考與研究[7-11]。

自動化學院實驗教學中心作為信息工程北京市實驗教學示范中心，面向復合型工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)，進行了持續(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方面的成果。

1 實驗教學示范中心基本概況

信息工程實驗教學中心成立于2001年，由自動化、計算機、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、學校計算中心合并組建而成。2008年7月，通過了“北京市高等學校實驗教學示范中心”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)認證，2016年獲批北京高等學校示范性校內(nèi)創(chuàng)新實踐基地建設(shè)。

實驗教學示范中心在原有基礎(chǔ)上整合為12個實驗教學平臺，包括：2個校級公共課基礎(chǔ)教學實驗教學平臺、8個專業(yè)實驗平臺、1個創(chuàng)新實驗平臺、1個實訓實驗平臺?；A(chǔ)教學實驗教學平臺包括：電工電子、計算機基礎(chǔ)實驗教學平臺；專業(yè)實驗平臺包括：自動化、智能科學與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器、計算機、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、勤敏軒學生創(chuàng)新實驗室、智能科學與技術(shù)創(chuàng)新實驗室組成；實訓實驗平臺由CDIO自動化實訓實驗室和物聯(lián)網(wǎng)實訓實驗室組成。

實驗教學示范中心負責校級41個相關(guān)專業(yè)各類型實驗教學任務，包括電工學、電子學及計算機文化基礎(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，此外還承擔暑期計算機實踐、認識實習、生產(chǎn)實習及畢業(yè)設(shè)計等實踐教學任務；同時實驗室還面向全校所有教師及學生開放，支持學生完成創(chuàng)新性、研究性實驗項目。實驗室年均接待學生約9 300人次，完成的實驗年均約為43萬人時。各專業(yè)的實驗課開出率達到100%，綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗的比例達到80%以上。

2 實驗教學理念的持續(xù)創(chuàng)新

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

CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate) ，以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。OODA，即觀察(Observe)、確認(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)學生的解決工程問題的思維方式和能力。

主動式項目的教學思想是以問題為導向，以學生主動提出問題、解決問題和創(chuàng)新知識為核心，促進學生積極思維，感受創(chuàng)新的艱辛與樂趣，重視團隊協(xié)作能力。將CDIO-OODA工程教育理念與主動式項目的教學思想融合，取長補短，則可充分發(fā)揮“學生主體”作用，使學生學習更有的放矢，有效提升學生獲取知識及掌握知識應用的能力。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；由學生以小組形式認領(lǐng)任務需求，并學習相關(guān)背景知識。

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

(3) 方案設(shè)計。學生自主完成產(chǎn)品的詳細設(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)動學生的主觀能動性和思維活躍性，加深學生對所學知識的理解。教師主要監(jiān)督學習過程，并提供技術(shù)咨詢服務。

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

(5) 產(chǎn)品上線。學生以小組形式發(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)督學習過程，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 實驗教學體系的持續(xù)優(yōu)化

高校實驗教學作為高等教育教學的重要組成部分，在新的歷史時代背景下，要主動應對主要矛盾的變化，以立德樹人為根本任務[19-20]，以交叉跨界問題、綜合復雜問題和未來前沿問題等為導向，把培養(yǎng)學生的設(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)、跨學科交叉融合、自主終身學習、溝通協(xié)商能力和工程領(lǐng)導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、遞進式、不間斷復合型創(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(均含設(shè)計性作業(yè))、實驗、SRTP、課程設(shè)計、校內(nèi)實習/實訓、校外生產(chǎn)實習和畢業(yè)設(shè)計8個層次；第二課堂包括基礎(chǔ)技能培訓、校內(nèi)學科競賽、省部級及以上學科競賽、國內(nèi)外專家講座、就業(yè)技能培訓、企業(yè)在崗實習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)學生學習過程規(guī)律，在大一到大四各個層面設(shè)計對應的工程問題，分階段、分層次培養(yǎng)學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、互為補充。遞進式、不間斷體現(xiàn)在大一至大四學生實踐能力培養(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、校外實習和畢業(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，并配套編寫了相應的實驗教材及講義，如工業(yè)自動化生產(chǎn)線實訓課程以實際工業(yè)系統(tǒng)為原型，研制了涵蓋完整的自動化工廠實訓系統(tǒng)，包括過程控制、運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)測與診斷實訓平臺等。在實驗教學、科技創(chuàng)新活動及學科競賽指導中應用效果良好，獲得學生的好評。

4 教學方法與教學手段的持續(xù)改進

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

(2) 口袋教學與口袋實驗室。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項目和研究型教學為抓手，要求討論學時不少于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)動教學方法。課程設(shè)計與實訓類課程采用全流程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)控學生的學習過程、實時在線評價學生學習效果，實現(xiàn)課程資源(教師與學生各自形成的成果)的迭代優(yōu)化，提高教師與學生之間的溝通協(xié)調(diào)效率。

(6) 問題驅(qū)動教學方法。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)動的教學方法，以問題形式，引導學生思考，強調(diào)以學生主動學習為主，把學習設(shè)置到復雜、有意義的問題情境中，通過學習者的自主學習和協(xié)作學習來解決真正的問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力，達到建構(gòu)經(jīng)驗的目的。

(7) 主動探究式學習和小組協(xié)作學習。在實際方案設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)階段，指導學生采用自主探究式和小組協(xié)作的學習方法，強調(diào)學生根據(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習資源的共享，提升整體學習效率。

(8) 小組攻防式學習。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習方式，即由其他組針對答辯組的解決方案提出問題，由答辯組進行問題解答，由教師評審團評價攻防的有效性。一方面有利于充分調(diào)動全體學生的積極性，提升學生提出問題和分析問題的能力，另一方面有利于學生發(fā)散思維，增加知識眼界。

5 實驗教學成果與示范

(1) 學生成果。實驗教學體系的改進與實施使得學生工程實踐和創(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，學生省部級以上競賽獲獎率(見圖3)達到專業(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年省部級學科競賽獲獎率

(2) 教師成果。近3年，獲北京市教育教學成果二等獎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)認證背景下自動化專業(yè)實驗實踐類課程教學改革與實踐”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)線實訓教程”等實驗/實訓教材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)線實訓平臺研究”等獲北京高教學會實驗室工作會優(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行管理模式和實驗教學理念和方法，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，具有較好的學科示范作用。目前已有國內(nèi)中國石油大學(華東)、北京郵電大學等多所高校實驗室負責人前來學習交流，接待來自美國伊利諾伊大學、日本高知縣立大學、德國工程師協(xié)會、法國圖爾工程師學院、捷克布爾諾大學等多國以及臺灣地區(qū)臺灣大學、臺灣科技大學等大學的多名教師、學者參觀訪問。

此外，自主研發(fā)的多容水箱控制實訓系統(tǒng)、工廠污水處理系統(tǒng)、基于計算機網(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系統(tǒng)已推廣到哈爾濱工業(yè)大學、西南大學、南京航空航天大學等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)(運動控制系統(tǒng))》(1、2版)等教材已被天津大學、華南理工大學、湖南大學、鄭州大學、武漢理工大學、湘潭大學、哈爾濱理工大學、河北大學、空軍工程大學等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)認證和新工科建設(shè)背景下，進行了信息工程北京實驗教學示范中心的持續(xù)性創(chuàng)新發(fā)展，特別是在實驗教學方面，從教學理念與教學內(nèi)容、教學方法與手段等方面進行了持續(xù)改進與優(yōu)化，并取得了一系列教學效果和成果，大幅度提高了學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，有效發(fā)揮了省級實驗教學示范中心在實驗教學方面的作用，具有廣泛的輻射效應。