趙 勇

(西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121)

智能科學與技術(shù)專業(yè)開放性實驗教學的改革

趙 勇

(西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121)

重點介紹在開放性實驗項目內(nèi)容設(shè)置、實驗開展方式、實驗過程管理等方面的改革舉措。通過設(shè)置層次化和模塊化的實驗內(nèi)容、實施多元化的實驗開展模式、強化實驗教學過程的科學管理等改革措施，進一步提升了學生參與開放性實驗的積極性和主動性，增強了學生的科學實驗素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力。

智能科學與技術(shù)；開放性實驗；教學改革

智能科學與技術(shù)專業(yè)是一個新興的交叉學科，主要培養(yǎng)具有智能理論和智能應用技術(shù)的本科人才，重在教授學生獲取信息和提煉知識的方法，訓練學生具備應用所學知識解決實際問題的能力[1]。作為一個面向高科技前沿的年輕專業(yè)，智能科學與技術(shù)專業(yè)的很多特色課程都帶有較濃的研究性質(zhì)，實踐環(huán)節(jié)存在驗證型實驗內(nèi)容較多，綜合型實驗內(nèi)容和設(shè)計型實驗內(nèi)容相對較少，實驗教學過多地依賴理論教學等問題，從而導致學生參與實踐環(huán)節(jié)的積極性不高。針對這一現(xiàn)象，目前很多高校教學改革的重點和熱點之一就是實踐教學的改革，以提升學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，其中設(shè)置開放性實驗普遍被認為是一種切實可行的方案[2]。

開放性實驗教學是一種新興的教學方式[3]。1979年，黃嘉豫[4]首次在國內(nèi)提出了開放性實驗的概念，教育部本科教學水平評估指標體系中已經(jīng)將開放性實驗列為重要觀測點之一，反映了其在高校人才培養(yǎng)中的重要性[5]。在開放性實驗實施過程中，指導教師不再是實驗的主導者，而是實驗的引導者、實驗方法與內(nèi)容的把關(guān)者和過程的管理者。開放性實驗通過轉(zhuǎn)換實驗主體實現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，在高等學校實踐教學體系中已經(jīng)確立了重要地位[6-8]。

1 實驗內(nèi)容的系統(tǒng)化整合以及模塊化設(shè)計

結(jié)合智能科學與技術(shù)專業(yè)的特點，構(gòu)建了以學科競賽為導引，以機器人技術(shù)為主線，以機械結(jié)構(gòu)組建、傳感器信息采集、驅(qū)動電路搭建和控制算法設(shè)計為主要內(nèi)容的開放實驗教學體系。具體是考慮人、信息、機器和環(huán)境等信息社會的構(gòu)成要素，將具有感知能力、運動能力和思維能力的智能機器人作為智能科學與技術(shù)專業(yè)開放性實驗的研究載體。面向智能科學與技術(shù)專業(yè)學生開展的《移動機器人設(shè)計與制作》系列開放性實驗以年度為單位滾動開放。

經(jīng)過幾年的實踐，《移動機器人設(shè)計與制作》系列開放性實驗，以機器人相關(guān)學科競賽的部分內(nèi)容為基礎(chǔ)，積累和總結(jié)了一批面向不同年級、不同基礎(chǔ)學生的層次化和模塊化的開放性實驗項目。對于大二學生，由于其專業(yè)基礎(chǔ)知識比較欠缺，針對性地開設(shè)了較為簡單的輪式循跡機器人和輪式避障機器人等入門級的實驗項目，實驗項目的內(nèi)容主要包括51單片機的基礎(chǔ)開發(fā)實驗、電機驅(qū)動實驗(包括直流電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和舵機驅(qū)動等)、傳感器實驗(包括紅外傳感器、光電傳感器等)以及機器人裝配調(diào)試實驗等，重點培養(yǎng)學生在實驗習慣養(yǎng)成、基礎(chǔ)電路設(shè)計及程序設(shè)計等方面的能力，為參加下一階段的開放性實驗打好基礎(chǔ)。而對于大三、大四等高年級學生，實驗項目的內(nèi)容則以算法設(shè)計及編程實驗為主，如基于雙目視覺的移動機械臂目標追蹤與定位，以及四自由度機械手的目標抓取等，著重培養(yǎng)學生的綜合實驗能力和創(chuàng)新意識。具體開放性實驗內(nèi)容體系如表1所示。

表1 《移動機器人設(shè)計與制作》開放性實驗內(nèi)容體系

2 實驗室開放模式的層次化

高校實驗室是高校教育和科研的技術(shù)支撐體系，是創(chuàng)新活力的源頭[9-10]。開放性實驗教學以實驗室的開放為依托，實驗室免費向?qū)W生開放，并在開放性實驗項目基金的支持下為學生免費提供實驗耗材和主要元器件。學生可以選擇不同的開放實驗室進行相關(guān)文獻查詢、實驗方案的設(shè)計以及實驗作品的調(diào)試與制作，最終完成選做的開放性實驗項目。實驗室根據(jù)學生所選開放性實驗項目的性質(zhì)和自身的條件，采用適當?shù)拈_放模式，達到預期的開放性實驗教學效果。

自動化學院智能科學與技術(shù)實驗中心下設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)實驗室和學生科技創(chuàng)新實驗室。針對不同年級、不同基礎(chǔ)的學生，采用了層次化的實驗室開放模式。專業(yè)基礎(chǔ)實驗室主要面向低年級學生開設(shè)基礎(chǔ)性的開放性實驗項目(如循跡機器人和避障機器人等)，采用部分開放的模式，即在某一特定時間段內(nèi)向?qū)W生開放，實行師生二級管理的實驗室管理方式[11]。具體是在滿足教學計劃內(nèi)的實驗課安排后，將實驗室可接受的開放時間進行統(tǒng)計公示，學生根據(jù)公示時間預約進入實驗室。學生科技創(chuàng)新實驗室采用完全開放的模式，學生自主管理為主，教師管理為輔，主要面向高年級學生開設(shè)綜合創(chuàng)新性的開放性實驗項目(如舞蹈機器人和移動機械臂等)。實驗室所有設(shè)備對學生完全開放，學生可根據(jù)自己的時間進入實驗室，獨立完成自己選定的開放性實驗項目。

3 實驗過程管理的科學化

3.1 加強開放性實驗的宣傳工作，強化開放性實驗學生的入口管理

首先，加強開放性實驗的宣傳工作，如在校園醒目的位置張貼海報或橫幅宣傳開放實驗；其次，充分利用低年級同學認識實習、參觀實驗室的機會向其宣講開放性實驗在本專業(yè)課外實踐教學中的重要意義；再次，充分發(fā)揮實驗室興趣小組的學生對其同班同年級同學以及低年級學生的引領(lǐng)作用，激發(fā)其參加課外實踐活動的熱情，力爭有更多的學生能夠加入到開放性實驗中來，進一步擴大開放性實驗在學生中的受益面。另外，有意向參加開放性實驗的學生，必須提交開放性實驗申請表，申請表的內(nèi)容一般包括申請人的自我介紹、申請參加開發(fā)性實驗的原因以及每周的擬出勤時間等內(nèi)容；申請表由指導教師和實驗室負責人審批后，學生方可進入實驗室。

3.2 重視開放性實驗的過程監(jiān)控

在開放性實驗的開始階段，由于大部分學生已經(jīng)習慣了以教師為主導的傳統(tǒng)課堂教學模式，學習的主動性較差；而另外一方面，開放性實驗又不同于傳統(tǒng)的實驗教學，需要給于學生更大的自由發(fā)揮空間。因此，采取 “節(jié)點式”過程監(jiān)控措施，充分發(fā)揮指導教師的引導和監(jiān)督作用是非常必要的。智能科學與技術(shù)實驗中心在開放性實驗的開展過程中，要求學生每周向指導老師提交本周開放性實驗進展情況報告，該報告亦作為學生開放性實驗最終成績考核的重要組成部分；指導教師需要認真批閱并提出具體指導意見或建議，以書面或口頭方式傳達給學生。通過這種方式，可進一步引導和督促學生順利完成開放性實驗的預定任務(wù)。

3.3 完善開放性實驗學生實驗成果的考核機制

在開放性實驗的實施過程中，學生通常是以小組為單位進行實驗，每組3-4人，每個小組應該在開放性實驗結(jié)束時提交實驗作品和實驗報告，并制作PPT進行現(xiàn)場答辯。答辯評委由3個在開放性實驗過程中表現(xiàn)突出的學生和1位指導教師組成。答辯評委根據(jù)答辯者在開放性實驗過程中的平時表現(xiàn)、每周實驗進展情況報告、實驗作品調(diào)試效果、實驗報告質(zhì)量和答辯情況等進行綜合評定，給出最終成績，其中學生評委和教師評委給定的成績各占50%的權(quán)重。在對學生實驗作品調(diào)試效果的考核方面，我們遵循了既定性又定量的考核原則。所謂定性考核是指學生的實驗作品是否達到了實驗項目的基本要求，如輪式循跡機器人是否能夠在特定的場地條件下實現(xiàn)循跡；定量考核是指在實驗作品滿足基本要求的前提下，重點對其性能指標的考核，如輪式循跡機器人在特定場地條件下完成循跡的最短時間，即同時考核了實驗作品的穩(wěn)定性和快速性指標。考核結(jié)果合格的學生，可為其計入相應的課外創(chuàng)新學分。另外，考核結(jié)果也可作為選拔學生參加相關(guān)學科競賽的重要參考依據(jù)。

4 結(jié)語

開放性實驗教學改革是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及到實驗教學內(nèi)容、實驗教學開展方式、實驗教學過程管理等諸多方面。以智能科學與技術(shù)專業(yè)開放性實驗教學為例，通過設(shè)置層次化和模塊化的實驗內(nèi)容、實施多元化的實驗開展模式、強化實驗教學過程的科學管理等改革措施，進一步提升了學生參與開放性實驗的積極性和主動性，增強了學生的科學實驗素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力。近幾年來，智能科學與技術(shù)專業(yè)學生在機器人大賽、“挑戰(zhàn)杯”競賽、智能車競賽等學科競賽中屢獲佳績，其中國家級獎項5項，省級獎項13項。在今后的教學實踐過程中，我們將進一步總結(jié)經(jīng)驗和教訓，積極推進智能科學與技術(shù)專業(yè)開放性實驗教學的改革與創(chuàng)新。

[1] 劉麗珍，王函石，劉杰,等.智能科學與技術(shù)專業(yè)學科發(fā)展與核心課程群建設(shè)的研究[J].計算機教育,2014(19):70-73.

[2] 龍春光,陳友良,艾楚君,等.基于開放性實驗與大學生創(chuàng)新計劃的創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2012(20):33-34.

[3] 俞遠志,張立慶,傅曉航.開放性實驗教學模式的實踐與思考[J].實驗室研究與探索,2012,31(3):153-155.

[4] 黃嘉豫.對理工科大學物理實驗課改革的建議[J].西安交通大學學報,1979(2)：133-141.

[5] 溫龍嵐,岑玲.地方本科院校開放實驗教學存在的問題與對策[J].教育探索,2014(7)：64-65.

[6] 韓響玲,金一粟,穆克朗,等.以實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心全面推進實驗室面向本科生開放[J].實驗技術(shù)與管理，2013,30(2):10-11.

[7] 鄭家茂,熊宏齊,潘曉卉.構(gòu)建開放創(chuàng)新實驗教學體系推動學生自主學習[J].中國高等教育，2009(5):39-41．

[8] 成瓊，魯嘉華，張燕.構(gòu)建創(chuàng)新實驗項目開放式運行模式的實踐探索[J].實驗室研究與探索,2012，31(7):138-140.

[9] 曾銳，徐朝軍.開放實驗室管理理念及實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2002，21(3): 108-109+112．

[10] 褚曉銳,錢波.基于應用能力培養(yǎng)的工科開放實驗教學管理研究[J].高校實驗室工作研究,2010(4):42-44.

[11] 李勇峰,尹雄,黃娟,等.基于師生二級管理的實驗室開放模式建設(shè)[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):237-239.

[責任編輯、校對：梁春燕]

Reform and Practice of Opening Experiment Teaching for Intelligent Science and Technology Specialty

ZHAOYong

(School of Automation, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China)

With a view to the characteristic of opening experiment teaching reform for intelligent science and technology specialty of Xi'an University of Posts and Telecommunications, the paper focuses on the content setting, how the experiment is conducted and experiment process management.Practice shows that the hierarchical and modular experiment content, different experiment modes and scientific management of experiment process can stimulate student's enthusiasm and initiative to take participate in the opening experiment, and enhance students' ability of scientific experiment and comprehensive innovation ability.

intelligent science and technology; opening experiment; teaching reform

2015-02-13

西安郵電大學教學改革項目(JGB201321)

趙勇(1979-)，男，陜西周至人，高級工程師，從事智能機器人、智能控制等方面的研究。

G642.0

A

1008-9233(2015)03-0090-03