張蕾+曹其新

（1.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

摘要：以上海交通大學(xué)機(jī)電工程專業(yè)課程《機(jī)電控制技術(shù)》為例，探討了如何基于開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。主要介紹了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)估等。實(shí)驗(yàn)實(shí)施的效果表明這種開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)方式可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）21-0236-02

一、引言

如何培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家對(duì)我國(guó)高等教育提出的新要求。開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段。開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)指在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所有實(shí)驗(yàn)資源向?qū)W生開(kāi)放，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)由驗(yàn)證型向設(shè)計(jì)型、綜合型過(guò)渡。學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的主體，自擬實(shí)驗(yàn)方案、查閱文獻(xiàn)和參考資料，提出設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)生根據(jù)個(gè)人的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、專業(yè)特點(diǎn)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，給學(xué)生最多的主動(dòng)權(quán)、最大的開(kāi)放性。國(guó)內(nèi)很多高校都開(kāi)展了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的研究，例如哈爾濱工程大學(xué)針對(duì)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程，開(kāi)展了開(kāi)放自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，其全開(kāi)放模式拓寬了實(shí)驗(yàn)的時(shí)空概念，能夠最大限度地利用實(shí)驗(yàn)室資源。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)針對(duì)土木工程專業(yè)對(duì)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提出了建議。北京大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為例，對(duì)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的管理工作方法進(jìn)行了探索和實(shí)踐。南京工業(yè)大學(xué)分析了新媒體背景下通過(guò)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的對(duì)策。本文以機(jī)電控制專業(yè)為背景，以上海交通大學(xué)《機(jī)電控制技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，介紹了機(jī)械電子工程專業(yè)基于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的研究工作，探討開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等，研究開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)效果的有效評(píng)估方法。

二、面向機(jī)電控制學(xué)科的開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要求讓學(xué)生建立起系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想，從創(chuàng)新的角度出發(fā)，按照系統(tǒng)功能選擇部件，進(jìn)行接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)調(diào)試、結(jié)果評(píng)價(jià)、使整個(gè)控制系統(tǒng)的方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程接近于工程實(shí)踐。

1.開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。針對(duì)《機(jī)電控制技術(shù)》課程，讓學(xué)生完整地了解測(cè)量與控制的原理和方法，使學(xué)生對(duì)各個(gè)控制部件、測(cè)量部件、控制系統(tǒng)有感性的認(rèn)識(shí)，通過(guò)自己設(shè)計(jì)方案、自己動(dòng)手搭建硬件，自己編寫(xiě)軟件等方式，學(xué)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題?！稒C(jī)電控制技術(shù)》開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括三大部分：硬件平臺(tái)主要是指實(shí)驗(yàn)所需的各種器件，例如各種控制對(duì)象、傳感器、控制器件，各種接口器件以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要用到的各種工具器件。軟件工具平臺(tái)包括各種編程軟件、設(shè)計(jì)用工具軟件、控制軟件、檢測(cè)軟件等。例如C語(yǔ)言，PLC編程軟件及組態(tài)軟件等。信息平臺(tái)包括創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)網(wǎng)站，將實(shí)驗(yàn)中所用的各種器件和工具的說(shuō)明書(shū)、實(shí)驗(yàn)軟件的學(xué)習(xí)文檔、實(shí)驗(yàn)要求等相關(guān)文檔放在網(wǎng)站上，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的共享優(yōu)勢(shì)，開(kāi)創(chuàng)引導(dǎo)式、啟迪式的自學(xué)模式。

2.開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)需要考慮到如下幾個(gè)方面：①開(kāi)放性。這種開(kāi)放性要求實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、內(nèi)容、設(shè)備上的全開(kāi)放。時(shí)間上的開(kāi)放性是指學(xué)生只要在允許的時(shí)間之內(nèi)，都可以隨時(shí)來(lái)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容的開(kāi)放性是指在完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的要求下，允許學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行選擇。設(shè)備的開(kāi)放性是指允許學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行選擇組合來(lái)完成自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。在課程中一個(gè)具體的控制問(wèn)題可以描述為：傳感器測(cè)量控制對(duì)象的信息，利用一定的控制方法，通過(guò)控制器件實(shí)現(xiàn)對(duì)象的控制。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了多種配置，學(xué)生可以自由選擇、自由組合，并且可以比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。例如：不同的控制對(duì)象：電水壺、AVG小車、吹風(fēng)機(jī)等。不同的傳感器：可配置溫度傳感器、速度傳感器、力傳感器等。不同的控制器件：低壓電器、可編程邏輯控制器、單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式控制器。②層次性。在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)制定、實(shí)驗(yàn)硬件的配置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核方面要有一定的層次性。難易不同的目標(biāo)和不同的硬件配置可以體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度，同時(shí)也是對(duì)學(xué)生不同能力的衡量。舉例來(lái)說(shuō)，同樣選擇控制水溫，學(xué)生還可以選擇不同的控制器，選擇單片機(jī)硬件稍簡(jiǎn)單些，選擇PLC的話就稍復(fù)雜一些。在控制方法上也可以有所不同，如果只是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，程序就比較簡(jiǎn)單，如果選擇PID或者其他方法程序就復(fù)雜一些。這種不同的組合搭配設(shè)計(jì)大大增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的柔性，也激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行比較、探索的能力。③課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外學(xué)習(xí)的結(jié)合。開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并不是一次完成的，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)遇到很多問(wèn)題，一次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生會(huì)帶著問(wèn)題重新回去查閱資料，尋求解決之道，為下一次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。④注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生通過(guò)自己組織實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和不斷的修正，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。這一過(guò)程中要注重鼓勵(lì)學(xué)生的求異思維，鼓勵(lì)學(xué)生的新想法，新思路，培養(yǎng)其創(chuàng)新的能力。

3.開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)估。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)估，要擯棄普通實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差大小，實(shí)驗(yàn)曲線的吻合程度等進(jìn)行打分的方法，需要對(duì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的合理和創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行綜合的考量。以水溫控制為例，為了兼顧一般性，又能突出某些優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)造能力，可采取遞階打分的形式，例如對(duì)于水溫控制問(wèn)題，如果控制水溫在60℃不變，按照控制水溫偏差大小可給予基本分?jǐn)?shù)，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可選擇增加難度，控制水溫在40℃至70℃之間做周期不變正弦變化，根據(jù)控制溫度跟蹤誤差進(jìn)行加分。繼續(xù)增加難度，控制水溫在之間40℃至70℃做變周期的正弦變化，根據(jù)溫度跟蹤誤差進(jìn)行加分。

三、開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院本科2009級(jí)以后進(jìn)行了初步的試點(diǎn)，目前已經(jīng)完成三屆，每年參與該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)人數(shù)大約在300名左右。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出了很大的積極性。每次實(shí)驗(yàn)后，課程組都對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了調(diào)查和問(wèn)卷，并要求學(xué)生將對(duì)實(shí)驗(yàn)的建議和意見(jiàn)寫(xiě)入報(bào)告或問(wèn)卷中，以期得到學(xué)生積極的反饋。有同學(xué)在實(shí)驗(yàn)心得中提到：“這是第一次只有實(shí)驗(yàn)器材的情況下，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有完整方案，甚至沒(méi)有接線圖，一切都靠自己摸索前進(jìn)，但這種挑戰(zhàn)同時(shí)也磨練了我們的自學(xué)能力和動(dòng)手能力……”。根據(jù)調(diào)查問(wèn)卷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該平臺(tái)得到了學(xué)生的肯定，大約88.36%的學(xué)生認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有幫助，有91.48%的同學(xué)對(duì)這種新穎的實(shí)驗(yàn)方式給予了很高的評(píng)價(jià)，推薦該課程的比例達(dá)到了98.75%。

四、結(jié)論

開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方式方法、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)難度等方面體現(xiàn)了充分的自主性，也體現(xiàn)了以“學(xué)生”為本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精神，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力方面具有非常重要的作用。開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新生事物，其發(fā)展過(guò)程處于方興未艾階段，目前仍有各種問(wèn)題，例如實(shí)驗(yàn)室的管理、實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)估等，還需要不斷探索與研究。

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收稿日期：2016-12-05

基金項(xiàng)目：本論文受上海市教委重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（B1-0224-16-004-004）資助