自動化類本科生實驗教學(xué)課程改革探索與實踐

金 晶， 姜 宇， 李丹丹， 張廣瑩， 何 朕

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系，哈爾濱150001)

0 引言

國家啟動本科大類招生與大類培養(yǎng)改革［1-2］對本科生培養(yǎng)方案提出了新的修訂要求，各學(xué)校各專業(yè)結(jié)合自身培養(yǎng)方案修訂、專業(yè)工程認(rèn)證等工作，都在進行全面的課程體系梳理，確保培養(yǎng)目標(biāo)的有效落實，真正推動教學(xué)水平和創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升［3］。

自動化類專業(yè)具有多學(xué)科交叉的特點，實施大類招生與大類培養(yǎng)，迫切需要結(jié)合專業(yè)特點開展面向工程應(yīng)用的培養(yǎng)方案修訂工作［4］。我校自動化類專業(yè)成立教學(xué)委員會，參考世界一流大學(xué)的人才培養(yǎng)體系，落實“以學(xué)生為中心，學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效驅(qū)動”的教育理念［5］，開展自動化類本科生培養(yǎng)方案修訂工作。在本科生培養(yǎng)過程中加強數(shù)理基礎(chǔ)與專業(yè)基礎(chǔ)，加大通識教育力度;去除專業(yè)基礎(chǔ)課陳舊內(nèi)容，注重實用性培養(yǎng);打造大學(xué)分整合的專業(yè)核心課，建立支撐自動化類學(xué)生能力培養(yǎng)的專業(yè)選修課體系;增設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，完善學(xué)生培養(yǎng)體系［6］。

本科生實驗教學(xué)課程改革是本科生培養(yǎng)方案修訂建設(shè)的重要組成部分［7］，為了配合本科生培養(yǎng)方案修訂，突出學(xué)生工程實踐能力強的傳統(tǒng)，進一步提升實驗教學(xué)地位，自動化類專業(yè)依托導(dǎo)航制導(dǎo)與控制國防特色學(xué)科專項投資計劃，加速推進國家級飛行器控制實驗教學(xué)示范中心的創(chuàng)新實踐條件建設(shè)，以高質(zhì)量的實驗教學(xué)內(nèi)容支撐專業(yè)核心課程創(chuàng)新人才培養(yǎng)，為學(xué)生的實習(xí)、實踐、畢業(yè)設(shè)計、項目學(xué)習(xí)、科研活動等創(chuàng)造條件。

實驗教學(xué)課程受儀器設(shè)備、場地等限制，現(xiàn)有實驗設(shè)備無法全面保障“通識教育、專業(yè)教育、實踐創(chuàng)新、個性發(fā)展”有機融合的新課程體系的實驗教學(xué)要求［8］。國家通過“985工程”和“211工程”的實施，搭建了一批具有世界先進水平的科研平臺，但長期以來也存在自成體系、分散重復(fù)、效率不高等問題，通過資源整合與共享，對科研平臺儀器設(shè)備進行升級和改造，由科研人員自主設(shè)計基于項目的專業(yè)選修課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，并在兼顧科學(xué)研究的同時進行相關(guān)實驗教學(xué)指導(dǎo)工作，提高儀器設(shè)備利用率，實現(xiàn)高水平科學(xué)研究支撐高質(zhì)量學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)［9］。

1 現(xiàn)有實驗教學(xué)課程體系

傳統(tǒng)的教學(xué)課程體系［10-11］由所在專業(yè)老師先講授理論課程，再由實驗室老師開展實驗教學(xué)工作，單個理論課程對應(yīng)單個或多個實驗，受實驗設(shè)備老化、實驗設(shè)備數(shù)量和場地的限制，存在實驗課時少、學(xué)生多等問題，如表1所示。為了降低每個實驗的時間，實驗課程通常提供了十分詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書，學(xué)生僅需按步驟連線即可查看實驗現(xiàn)象和結(jié)果，這種操作型實驗無法調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，也無法滿足學(xué)生的能力培養(yǎng)需求，學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實踐能力培養(yǎng)不足［12-13］。

表1 自動化類本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程與實驗課程對應(yīng)關(guān)系

在本科生培養(yǎng)方案修訂過程中，將取消、整合、新增部分本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程為專業(yè)核心課程，大幅增加實驗教學(xué)的學(xué)分和學(xué)時，現(xiàn)有實驗課程體系無法滿足大學(xué)分整合的專業(yè)核心課培養(yǎng)方案的要求，這給實驗教學(xué)帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。

2 實驗教學(xué)課程改革思路

2.1 優(yōu)化實驗課程體系

根據(jù)學(xué)科航天國防特色，以精準(zhǔn)化和智能化控制為導(dǎo)向，面向控制理論與控制技術(shù)、信息處理技術(shù)等未來學(xué)科發(fā)展的主要方向，打造導(dǎo)航制導(dǎo)與控制類、控制理論與控制工程類、檢測技術(shù)與自動化裝置類、機器人與智能系統(tǒng)類、系統(tǒng)工程與仿真類等5個自動化類專業(yè)實驗課程選修方向，并按方向建立相關(guān)實驗課程體系。

按照培養(yǎng)方案修訂后的基礎(chǔ)類實踐課程、專業(yè)核心類課程和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，分別建設(shè)基礎(chǔ)類、模塊化、系統(tǒng)級、創(chuàng)新型、任務(wù)型等多種形式的實驗平臺，進行大學(xué)分實驗課程整合，提高實驗課程的數(shù)量和質(zhì)量，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.2 更新實驗課程內(nèi)容

根據(jù)時代發(fā)展開設(shè)新的實驗內(nèi)容，打造一系列常用軟/硬件的基礎(chǔ)類實驗平臺，更新儀器設(shè)備和軟件系統(tǒng)，通過開設(shè)基礎(chǔ)類實驗課程，為本科生大類培養(yǎng)奠定實驗教學(xué)基礎(chǔ)。

整合現(xiàn)有實驗內(nèi)容，精煉專業(yè)核心類課程對應(yīng)的實驗課程，將實驗內(nèi)容全部由操作型實驗向自主設(shè)計型實驗轉(zhuǎn)變。增加多種形式的模塊化實驗和系統(tǒng)級實驗，突出模塊化實驗對專業(yè)核心類課程的支撐作用，通過系統(tǒng)級實驗自主設(shè)計實驗課程過程。

將最先進的、具有啟發(fā)性的、體現(xiàn)課程內(nèi)涵的實驗內(nèi)容引入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程中，整合現(xiàn)有科研平臺設(shè)置系列創(chuàng)新型實驗平臺、任務(wù)型實驗平臺等實驗教學(xué)模塊，促進科研成果轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)內(nèi)容。

2.3 改革實驗教學(xué)方法

面向基礎(chǔ)類實踐課程，實現(xiàn)理論課與實踐教學(xué)緊密銜接，授課模式由先上課再實驗轉(zhuǎn)變?yōu)檫吷险n邊實驗的模式，突出“做中學(xué)”理念［14］，實現(xiàn)實驗教學(xué)基礎(chǔ)知識的融會貫通。

面向?qū)I(yè)核心類課程，突破傳統(tǒng)單一課程對應(yīng)單一實驗的教學(xué)模式，制定一套“面向應(yīng)用、虛實結(jié)合、自主設(shè)計、注重創(chuàng)新”的大學(xué)分實驗教學(xué)新體系，堅持實踐不斷線的原則，將實驗教學(xué)穿插在理論教學(xué)的過程節(jié)點中，支撐專業(yè)核心課程建設(shè)。

面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，考慮學(xué)科各類校級和國家級競賽所需的知識基礎(chǔ)和技能，按團隊分工進行個性化培養(yǎng)，不斷提升實踐教學(xué)活動的綜合度和挑戰(zhàn)度，強化學(xué)生的團隊合作能力與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

2.4 加強實驗課程過程管理

根據(jù)學(xué)生的理論課程學(xué)習(xí)情況，面向?qū)I(yè)選修課程實驗需求、科技競賽需求以及畢業(yè)設(shè)計課題需求，由導(dǎo)師(大三導(dǎo)師制)有針對性地選擇不同形式的實驗內(nèi)容和方案，以達到個性化培養(yǎng)的目的。

全面實現(xiàn)開放式實驗室，設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂的實驗教學(xué)模式，提前發(fā)布實驗教學(xué)資源，學(xué)生采用團隊與個人相結(jié)合的方式進行分組，自主設(shè)計與實現(xiàn)實驗過程，再通過在線師生互動指導(dǎo)，虛擬平臺自測練習(xí)［15］，預(yù)約實驗操作，現(xiàn)場指導(dǎo)答疑等教學(xué)過程，提高學(xué)生積極性和實驗教學(xué)效果。

3 實驗教學(xué)課程改革實施方案

自動化類本科生實驗教學(xué)課程體系改革以飛行器控制實驗教學(xué)中心為依托單位，緊密圍繞自動化類專業(yè)核心課程體系，建立貫穿理論教學(xué)的實驗教學(xué)課程，打造軟/硬件基礎(chǔ)類實驗課程，擴展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐課程，注重對工程實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)。

飛行器控制實驗教學(xué)中心［16］于2006年成立，2009年被教育部批準(zhǔn)為國家級實驗教學(xué)示范中心。中心進一步整合了哈工大-大疆創(chuàng)新實驗室、哈工大-開立科技聯(lián)合實驗室，哈工大-航天科技汽車電子技術(shù)聯(lián)合實驗室等單位，現(xiàn)有專兼職人員39人，其中，高級職稱33人，中級職稱6人，博士89%，實驗教學(xué)用房面積3 680 m2，各種實驗設(shè)備1 600余臺套。

按照新的自動化類本科生課程與實驗課程規(guī)劃，對現(xiàn)有實驗教學(xué)設(shè)備和科研平臺進行整合，建立了新的實驗教學(xué)課程體系。如圖1所示。

圖1 本科生實驗教學(xué)課程體系

面向基礎(chǔ)類實驗課程，打造基礎(chǔ)類軟硬件實驗平臺。軟件平臺涵蓋Android、Ubuntu等系統(tǒng)級軟件課程和C++、Python、Java等語言級軟件課程，硬件平臺涵蓋DSP、單片機、FPGA，PLC等課程，采用邊上課邊實驗的授課模式，為學(xué)生打牢實踐應(yīng)用軟硬件基礎(chǔ)。

面向?qū)I(yè)核心類課程，分別打造模塊化實驗平臺和系統(tǒng)級實驗平臺，模塊化實驗平臺重點開展執(zhí)行器、傳感器、控制器模塊等演示實驗和集成實驗。系統(tǒng)級實驗平臺重點開展運動控制、激光穩(wěn)定、倒立擺、溫控系統(tǒng)等自主設(shè)計實驗，采用按理論教學(xué)課程節(jié)點穿插實踐教學(xué)的授課模式，加深學(xué)生對課程的理解，提升學(xué)生工程實踐能力。

面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，分別打造創(chuàng)新型實驗平臺和任務(wù)型實驗平臺。創(chuàng)新型實驗平臺重點開展與學(xué)科科研方向密切相關(guān)的ROS機器人操作、Verasonic超聲實驗、veDYNA車輛動力學(xué)仿真、STK衛(wèi)星仿真系統(tǒng)等實驗，為學(xué)生開展任務(wù)型實驗奠定基礎(chǔ)。任務(wù)型實驗平臺依托學(xué)生自主管控的“紫丁香二號”微納衛(wèi)星等高水平的科研平臺，主要面向參加國家級科技競賽的本科生，開設(shè)無人機、智能車、衛(wèi)星控制任務(wù)等實驗課程，為學(xué)生提供從設(shè)計、組裝、測試到生產(chǎn)實驗的全過程試驗條件，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)是自動化類本科生創(chuàng)新能力和工程實踐培養(yǎng)中的一個重要的環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)課程改革不僅需要突破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，還必須依托于高水平的科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)轉(zhuǎn)化，通過開發(fā)與課程內(nèi)容緊密相關(guān)、具有高質(zhì)量的綜合性實驗，才能建立起實踐性與設(shè)計性強、突出綜合能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗教學(xué)體系。