鄧曉燕， 高紅霞， 黃道平， 孫宗海， 哀 薇

(華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，如何更有效地開展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一，一直受到眾多學(xué)者和教師們的重視。近幾年，各高校對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型的重新定位和改革都做了大量工作，其中探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)尤為突出。2014年我校組織開展了首批“探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”建設(shè)，目的是通過將教學(xué)與科研相融合，進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和體系改革，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開放共享，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。本文正是針對(duì)本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，研究針對(duì)工程類專業(yè)如何開展探索性實(shí)驗(yàn)，以更好地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的改革和促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 開展探索性實(shí)驗(yàn)的意義

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大部分都是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生一般只需要把教師所教授的知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，從而內(nèi)化為自己的知識(shí)，或把所學(xué)的知識(shí)稍加擴(kuò)展就可以完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性和挑戰(zhàn)性，也使得教師缺乏改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的動(dòng)力，即使有教師對(duì)教學(xué)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，但也脫離不了基本的教學(xué)形式，長(zhǎng)期以來導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法呆板，重知識(shí)傳授，輕能力培養(yǎng)，學(xué)生的主體地位不高，動(dòng)手機(jī)會(huì)少，實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式化，實(shí)驗(yàn)考核不合理、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備更新慢等問題[1～3]。

探索性實(shí)驗(yàn)是指針對(duì)某項(xiàng)或某個(gè)方面與某個(gè)領(lǐng)域有關(guān)的未知或未全知的問題, 采用科學(xué)思維方法, 進(jìn)行大膽設(shè)計(jì), 探索研究的一種開放式教學(xué)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)實(shí)施的基本程序與科研過程基本一致[4]。探索性實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有著明顯的區(qū)別[5]：① 從學(xué)生的認(rèn)知水平來說，探索性實(shí)驗(yàn)屬于研究層次的實(shí)驗(yàn)，與驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來比較，屬于較高層次認(rèn)知水平的實(shí)驗(yàn)；② 探索性實(shí)驗(yàn)一般由學(xué)生自主立題和設(shè)計(jì)，學(xué)生參與度更高，與科研工作緊密結(jié)合，并指定方案加以實(shí)現(xiàn)；③ 探索性實(shí)驗(yàn)在過程特征中表現(xiàn)為問題空間不確定、解決方案不確定；④ 在學(xué)習(xí)結(jié)果上，學(xué)生不僅需要內(nèi)化原先學(xué)到的知識(shí)、自行補(bǔ)充新知識(shí)、而且在解決過程中有可能創(chuàng)生一些新知識(shí)。

探索性實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了一個(gè)自主設(shè)計(jì)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)，從選題到項(xiàng)目的總結(jié)都需要學(xué)生全程參與，極大地激起了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生勇于探索、敢于創(chuàng)新的積極性, 培養(yǎng)了學(xué)生科研創(chuàng)新的意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)[6]，因此，開展探索性實(shí)驗(yàn)對(duì)促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

2 探索性實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

相對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，探索性實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的參與程度更高，需要在實(shí)驗(yàn)實(shí)施的各個(gè)階段充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。針對(duì)工程類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)來說，本文將探索性實(shí)驗(yàn)分為選題、知識(shí)儲(chǔ)備、實(shí)驗(yàn)方案擬制、實(shí)驗(yàn)方案審核、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、成果分享、總結(jié)等7個(gè)階段,如圖1所示。

圖1 探索性實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程圖

(1) 選題。工程類專業(yè)的探索性實(shí)驗(yàn)一般來說不可能完全利用工程項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備，因此由于受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件的制約，所以在選題時(shí)一定要具備可行性和實(shí)用性?？尚行允侵柑剿餍灶}目結(jié)合設(shè)計(jì)者的學(xué)術(shù)水平、技術(shù)水平和實(shí)驗(yàn)室條件，使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌靡詫?shí)施；實(shí)用性是指探索性實(shí)驗(yàn)題目應(yīng)具有明確的理論意義和實(shí)踐意義[4]。在設(shè)計(jì)探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)一般要考慮現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)軟硬件條件，提出任務(wù)目標(biāo)，學(xué)生自行選擇實(shí)驗(yàn)方法和相關(guān)儀器設(shè)備，教師也可以提供實(shí)驗(yàn)題目和方法以及相關(guān)的儀器設(shè)備讓學(xué)生自行選擇。

(2) 知識(shí)儲(chǔ)備。選題后，可以采取以小組為單位，讓學(xué)生認(rèn)真研究討論實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，分析需要解決的問題以及可能用到的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和儀器設(shè)備，這主要是要學(xué)生通過查閱大量的文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)積累有關(guān)專業(yè)知識(shí)和參考已有的實(shí)踐成果，把所需的知識(shí)點(diǎn)弄明白，將實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備、軟件等功能、用法搞清楚。在這個(gè)過程中，學(xué)生可能沒有科研經(jīng)驗(yàn)，沒有認(rèn)識(shí)到查閱文獻(xiàn)的重要性，還沒有掌握查找文獻(xiàn)的方法，教師應(yīng)該及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，使學(xué)生掌握快速查找文獻(xiàn)的技巧[7]。當(dāng)學(xué)生具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備后，形成初步方案。

(3) 實(shí)驗(yàn)方案擬制。實(shí)驗(yàn)方案擬制一方面能反應(yīng)學(xué)生所做的工作和對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度，另一方面對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟、方法等進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)方案要以報(bào)告的形式提交，內(nèi)容主要包括：選題意義(研究背景和意義、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等)、實(shí)驗(yàn)原理(實(shí)驗(yàn)涉及的理論和軟硬件等知識(shí))、實(shí)驗(yàn)方案(實(shí)驗(yàn)的整體思路、方法、步驟、線路圖、程序等)、預(yù)計(jì)取得的效果、項(xiàng)目組成員分工、參考文獻(xiàn)等。

(4) 實(shí)驗(yàn)方案審核。實(shí)驗(yàn)方案審核主要是教師對(duì)學(xué)生前期工作的評(píng)估和對(duì)實(shí)驗(yàn)方案可行性、合理性進(jìn)行審查，以學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)答辯形式進(jìn)行。當(dāng)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)方案擬制后，提交給教師，并做好幻燈片對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行闡述，教師對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和問題提問，學(xué)生進(jìn)行解答，教師對(duì)存在的問題提出修改意見建議。如果實(shí)驗(yàn)方案通過審核，可預(yù)約實(shí)驗(yàn)，如果不通過，則修改后重新提交進(jìn)行審核。

(5) 實(shí)驗(yàn)實(shí)施。實(shí)驗(yàn)實(shí)施是整個(gè)探索性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，是學(xué)生對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的驗(yàn)證，也是提高學(xué)生實(shí)踐操作能力和激發(fā)創(chuàng)造性思維能力的過程。實(shí)驗(yàn)實(shí)施分為仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)自行安排時(shí)間進(jìn)行，主要是對(duì)相關(guān)程序進(jìn)行調(diào)試和修改。仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果后可進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照自行設(shè)計(jì)方案，選擇實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，連接電路，有步驟地展開實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生討論解決問題，也可以與教師討論交流，學(xué)生要把遇到的問題以及解決的方法記錄下來，以便進(jìn)行總結(jié)。不要求學(xué)生在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，也允許學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗。

(6) 成果梳理與分享。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的問題以及解決方法等進(jìn)行梳理，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與預(yù)期效果進(jìn)行比較，沒能完成實(shí)驗(yàn)的要查找失敗的原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。待各組都完成實(shí)驗(yàn)后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成成果梳理，教師約定時(shí)間，各組以報(bào)告形式匯報(bào)本組實(shí)驗(yàn)成果，各組成員和老師可以對(duì)匯報(bào)成員進(jìn)行提問和提出意見建議，各組匯報(bào)完后，教師對(duì)各組進(jìn)行講評(píng)和總結(jié)。

(7) 總結(jié)?？偨Y(jié)以總結(jié)報(bào)告的形式提交，在實(shí)驗(yàn)方案報(bào)告的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程、教師和同學(xué)提出的意見建議等進(jìn)行修改，增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比以及實(shí)驗(yàn)心得等。主要匯報(bào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題及提出解決方法等[8]，鼓勵(lì)學(xué)生以此為基礎(chǔ)撰寫學(xué)術(shù)論文并得到錄用發(fā)表。

3 探索性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例

探索性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容不僅僅是對(duì)新理論的研究，對(duì)于工程類專業(yè)來說，更多的是體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)方法、技術(shù)和儀器設(shè)備的改進(jìn)和革新、大型軟件的開發(fā)或二次開發(fā)等方面上[5]。下面，將通過過程控制工程系列實(shí)驗(yàn)課程如何開展探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說明。

3.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)變探索性實(shí)驗(yàn)

探索性實(shí)驗(yàn)在教學(xué)活動(dòng)的主體上應(yīng)該是學(xué)生，教師作為引導(dǎo)。因此原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過教師的引導(dǎo)，教學(xué)方式的不同，也可將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生探索性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。也有學(xué)者曾提出[9-10]，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍詫?shí)驗(yàn)，達(dá)到“一個(gè)實(shí)驗(yàn)，兩種效果”。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式通常是固定的，按照“結(jié)論-驗(yàn)證-應(yīng)用”的模式進(jìn)行，但對(duì)于探索性實(shí)驗(yàn)來說，則應(yīng)該是一個(gè)反向過程，即“問題-探索-結(jié)論”。將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變探索性實(shí)驗(yàn)，意思是將原來的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反向設(shè)計(jì)變成探索性實(shí)驗(yàn)，也就是學(xué)生從問題出發(fā)，探索問題存在的本質(zhì)，并得出結(jié)論，產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)效果。

例如在過程控制工程實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，其中一個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)是掌握調(diào)節(jié)器PID特性的實(shí)驗(yàn)，原有的實(shí)驗(yàn)方法和步驟等都是由教師擬定和設(shè)計(jì)，在過程控制實(shí)驗(yàn)裝置上面完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生甚至早已經(jīng)知道實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候只需要按照教材中的步驟就能完成，最后將相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。因此在開展的過程中，學(xué)生表示興趣不大。

改革后的實(shí)驗(yàn)過程基本是由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)方案和假設(shè)、實(shí)驗(yàn)探索設(shè)計(jì)、反思交流和報(bào)告總結(jié)。具體的操作是：

(1) 提出問題。教師告知學(xué)生探索的實(shí)驗(yàn)問題，即比例(P)、積分(I)和微分(D)對(duì)系統(tǒng)有怎樣的控制作用？并提供可解決問題所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器；

(2) 探索設(shè)計(jì)。這一階段是整個(gè)實(shí)驗(yàn)開展的關(guān)鍵，由學(xué)生自行選擇實(shí)驗(yàn)器材和元件，自主設(shè)計(jì)步驟和方案。根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和進(jìn)行歸納。

(3) 反思交流。各小組在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行組員間和小組間的交流和探討經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在討論結(jié)束后，要求小組在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后提出改進(jìn)的方案。

(4) 報(bào)告總結(jié)。分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和遇到的問題，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并得到比例、積分和微分對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.2 將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

探索性實(shí)驗(yàn)存在一種探究性的特點(diǎn)，可以將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為探索性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。將科研項(xiàng)目的成果轉(zhuǎn)化為計(jì)劃內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會(huì)探索并運(yùn)用科研項(xiàng)目的新技術(shù)新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步拓展學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用實(shí)踐，力爭(zhēng)使學(xué)生在實(shí)踐中做出創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作品，提高創(chuàng)新能力。一般不要求學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時(shí)下完成，允許學(xué)生失敗。指導(dǎo)老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，更多地是看重學(xué)生積極參與到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。

例如對(duì)于目前的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，大多數(shù)工業(yè)對(duì)象都存在較大的滯后時(shí)間，將基于產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(注塑成型組裝生產(chǎn)線技術(shù)研發(fā))的科研成果引入教學(xué)課堂當(dāng)中，設(shè)計(jì)了大時(shí)滯溫度系統(tǒng)的控制方法實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生了解了該產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的基本條件進(jìn)行相應(yīng)的改裝和設(shè)計(jì)，并可結(jié)合常用的仿真軟件Matlab和組態(tài)軟件(如組態(tài)王)開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)施的過程中，學(xué)生自行分為3或4人一組，預(yù)約時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案來看，學(xué)生根據(jù)自己的理解和自己的興趣方向，在課題背景下，選擇了不同的研究主題。一些學(xué)生主要從人機(jī)界面出發(fā)，自行掌握了組態(tài)軟件和Matlab的操作設(shè)計(jì)，以組態(tài)王作為系統(tǒng)主控，進(jìn)行動(dòng)態(tài)工藝圖顯示、PLC參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等操作，以Matlab作為后臺(tái)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和曲線繪制等功能；一些學(xué)生則選擇不同的控制方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，例如運(yùn)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法，并制定了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案；一些學(xué)生則從現(xiàn)場(chǎng)總線出發(fā)，對(duì)上下位機(jī)通信進(jìn)行了設(shè)計(jì)。從第一批的8組學(xué)生實(shí)驗(yàn)來看，基本都能按要求做好實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，其中有6組能夠在第一次預(yù)約時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，有2組需要重新修改實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施整個(gè)過程中了解到，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫卣莆账鶎W(xué)知識(shí)并能夠靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)自行解決實(shí)際問題，學(xué)會(huì)了做科研項(xiàng)目的一般方法，提高了自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4 結(jié) 語

從探索性立項(xiàng)到實(shí)施的過程中，我們發(fā)現(xiàn)相比以往的實(shí)驗(yàn)類型來說，學(xué)生對(duì)探索性實(shí)驗(yàn)的研究積極性和參與度有較明顯的提高，學(xué)生對(duì)課程的教學(xué)評(píng)價(jià)也較高。通過探索性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生申報(bào)了1項(xiàng)實(shí)用新型專利，投稿論文2篇，并完成了相關(guān)的課程論文若干。但我們也發(fā)現(xiàn)還存在著一些問題，如：學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)的查閱重視不夠，對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)沒有掌握透徹便展開實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；對(duì)報(bào)告的撰寫不規(guī)范；在實(shí)驗(yàn)過程中還存在著依賴教師的現(xiàn)象，對(duì)出現(xiàn)的問題沒有深入研究便輕易問教師等。下一步，將進(jìn)一步規(guī)范探索性實(shí)驗(yàn)開展流程和相關(guān)要求，細(xì)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并將探索性實(shí)驗(yàn)匯編成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以便取得更好的效果。

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