張延順 李明 楊琳

摘 要：在卓越工程師教育計劃背景下，將多年課堂教學、實驗教學和相關科研工作的經(jīng)驗融入到實驗教學中，探索培養(yǎng)研究生的開放式、研究型實驗教學方法。該方法的主要特點是提供開放式的模塊化實驗平臺，讓學生獨立設計、完成實驗。在實驗中，教師由傳統(tǒng)的主導角色轉變?yōu)檩o助、引導角色，這種實驗教學方法能夠實現(xiàn)激發(fā)學生熱情、導引前沿技術、提供平臺和協(xié)助完成實驗的作用。文章的方法在《慣性導航技術綜合實驗》課程中進行了教學實踐，并起到了較好的效果。

關鍵詞：卓越計劃；工科研究生；開放式；研究型；教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）04-0011-03

Abstract： Under the background of the excellent engineer education plan， the experience of classroom teaching， experimental teaching and related scientific research work is integrated into experimental teaching， and the open and research-based experimental teaching methods for postgraduate students are explored. The main feature of this method is to provide an open modular experimental platform for students to independently design and complete experiments. In the experiment， the teacher changed from the traditional leading role to the auxiliary and guiding role. This experimental teaching method can achieve the role of stimulating student enthusiasm， guiding cutting-edge technology， providing platform and assisting in completing the experiment. The method of this paper has carried out teaching practice in the course of "Inertial Navigation Technology Comprehensive Experiment" and has achieved good results.

Keywords： excellent engineer education plan； engineering graduate； open； research-based； teaching practice

隨著研究生教育規(guī)模的擴大，研究生教育質(zhì)量成為社會各界關注的焦點之一，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更成為當前評價研究生教育質(zhì)量的公認指標。實驗教學作為實現(xiàn)研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個有效途徑，已經(jīng)被教育界的專家所認可[1，2]。如何進行實驗教學，如何做好實驗教學，是高校教師一直探索的問題。在我國“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱卓越計劃）的帶動下，許多高等院校在實驗教學方面投入了很大力量，特別是針對培養(yǎng)創(chuàng)新型、實踐型工程技術人才提出了許多舉措，也取得了一些效果[3，4]。

以北京航空航天大學實施卓越計劃、建設工程教育強校為契機，在學校的研究生教育與發(fā)展研究專項基金項目和教學改革項目的大力支持下，作者針對工科研究生的特點，并結合多年的教學經(jīng)驗與科研工作成果，進行了研究型創(chuàng)新實驗教學方法的探索，在北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教學實驗中心的實驗條件支撐下，通過學院的研究生課程《慣性導航技術綜合實驗》開展了教學方法實踐，并取得了一定成果。

一、工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)現(xiàn)狀與問題

卓越計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應社會發(fā)展需要的不同類型的工程技術人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路，建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務[5，6]。因此，創(chuàng)新性是研究生培養(yǎng)的一個重要技術指標，同時也是主要的考核指標。相關學者在我國研究生創(chuàng)新能力方面進行了統(tǒng)計與分析[1-8]，從1997年到2010年間研究生培養(yǎng)質(zhì)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，研究生的科研條件在逐步提高，文章、專利等成果數(shù)量在增加，但與當前技術水平相比，研究生的總體培養(yǎng)質(zhì)量在下降，特別是研究生的創(chuàng)新能力在下降?，F(xiàn)階段，得益于高校教師科研項目、科研團隊等條件的支持，研究生雖然可以獲得較高的研究起點，但隨著我國研究生的擴招和專業(yè)技術的細分，現(xiàn)有的教學培養(yǎng)體制和導師的科研培養(yǎng)模式已經(jīng)不能完全滿足研究生的精細化、個性化和創(chuàng)新性的培養(yǎng)。

文獻[9]指出培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力是一個不斷深化教育理論研究和教育實踐探索的過程，創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)、個性化知識結構的構建、創(chuàng)新學術性格的塑造和實踐能力的鍛煉，是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的關鍵。文獻[10]從課程教學、實驗教學、學術交流、實踐活動、外部環(huán)境等五個方面就如何加強研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)做了初步的探討。實驗教學作為培養(yǎng)學生工程能力的有效手段，近年來得到各高校的重視和大力發(fā)展[11，12]，由于實驗設備配置上的滯后效應，目前多數(shù)高校的實驗教學條件還處于傳統(tǒng)實驗教學狀態(tài)，實驗教學的實施過程存在以下問題：

1. 課程設置方面，實驗課程常常被作為理論課程的組成部分，一般不單獨設置，占課程內(nèi)容的比例較小，且實踐教學環(huán)節(jié)比較零散，之間缺乏緊密聯(lián)系，難以形成一個獨立的實踐教學體系。

2. 實驗內(nèi)容方面，以演示實驗和設定實驗為主要教學模式，實驗的內(nèi)容和方法比較固化，學生在實踐過程中只是被動的觀眾和操作者，缺乏主觀能動性的發(fā)揮。

3. 實驗設施與條件方面，多數(shù)高校普遍在實驗設備、實驗場地和經(jīng)費資助上加強了建設力度，但實驗條件還達不到盡善盡美，特別是研究生的教學實驗條件與資源更顯不足。

4. 師資力量配備方面，各高校從事實驗教學的工作人員普遍存在職稱偏低、專業(yè)背景知識不足等問題，限制了實驗教學優(yōu)勢充分發(fā)揮和實驗教學的目的實現(xiàn)。

二、開放式研究型實驗教學思路

本文以卓越計劃中的學生培養(yǎng)目標為導引，針對研究生實驗教學存在的問題，基于作者在課堂教學、實驗教學和科研工作的經(jīng)驗積累，進行了工科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學方法探索。實驗教學的基本思路為，將課堂教學與實驗教學緊密結合，將科研工作與實驗教學深入聯(lián)系，給學生做前沿技術、最新方法及相關科研課題的講座，為其進行實驗設計提供思路；搭建供研究生進行創(chuàng)新設計的開放式綜合實驗平臺，為學生借助此平臺完成綜合實驗模塊創(chuàng)新性組合、實驗方案設計與實踐提供條件與技術保障。以上實驗教學的思想與內(nèi)容在研究生選修課程《慣性導航技術綜合實驗》中進行了應用與教學效果評估，取得了較為理想的效果。

三、《慣性導航技術綜合實驗》實驗教學方法與實踐

（一）教學方法

慣性導航技術（包括慣性器件技術和導航定位技術）涉及慣性空間、地球物理特性和復雜的數(shù)學變換等知識內(nèi)容，具有抽象、理解困難的特點，因此，本課程實驗教學的目標為力求提高學生的動手操作能力和綜合實驗設計能力。學生通過設計與完成實驗，能夠得到對慣性器件輸出信號物理意義的深入直觀認識，能夠掌握慣性導航算法，并能通過設計實驗對導航算法進行驗證，最終實現(xiàn)獨立設計、開發(fā)慣性導航系統(tǒng)的能力培養(yǎng)，本文提出的開放式研究型實驗教學方法與慣性導航技術相關課程的特點及課程教學目的契合度較高。

開放式研究型實驗教學是一種新穎的教學觀和教學理念。它以促進學生的個性發(fā)展為宗旨，以改變學生被動接受知識的教學方式為著眼點，通過構建一種開放的、互動的學習環(huán)境，引導學生自主地學習知識，認識客觀世界，積極主動地進行實驗方案設計并自主完成。在開放式研究型實驗教學方法中，教師的主要作用為激發(fā)熱情、前沿導引、提供平臺和協(xié)助完成。相較于傳統(tǒng)的實驗教學，開放式研究型實驗教學中教師的角色有了重大轉變，由傳統(tǒng)的主導角色轉換為引領、討論與協(xié)助者的輔助角色。實驗教學過程中，教師不再是簡單的指導操作，而是更多地介紹專業(yè)背景、前沿技術與方法，并結合自己的科研經(jīng)驗與成果，幫助學生深入了解專業(yè)知識的原理、應用與前沿技術，從而激發(fā)出其科學研究的欲望，幫助學生接受到更前沿的知識和先進的思想，促使個人的積極性得到極大發(fā)揮。

本文提出的開放式研究型實驗教學方法將側重于讓學生在開放的綜合實驗平臺上自由進行實驗方案設計、獨立完成各自的實驗，幫助學生充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高學生分析問題、解決問題的能力，通過本實驗教學方法訓練，為研究生下一步的科研工作開展打下良好動手能力、創(chuàng)新思維、科學探索精神等方面的良好基礎。

（二）教學實驗平臺

為開展開放式研究型實驗教學，實驗教學中心為學生提供了綜合實驗教學平臺，如圖1所示，綜合實驗教學平臺主要由USB_PCL6045B控制子系統(tǒng)、運動滑軌、MEMS慣性測量器件及組件、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。

其中，USB_PCL6045B控制子系統(tǒng)用于控制驅動器實現(xiàn)運動滑軌的運動控制，運動滑軌（包括直線運動滑軌和旋轉滑軌）在電機帶動下產(chǎn)生直線和旋轉運動，固定在運動滑軌上的慣性測量單元（也可以只有加速度計或陀螺儀）敏感滑軌的運動，并對運動參數(shù)進行測量，測量的運動參數(shù)與設定的運動參數(shù)進行比較即能驗證慣性導航原理、導航定位算法和滑軌控制方法。

基于此平臺，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)產(chǎn)生不同的運動滑軌運動狀態(tài)（可進行直線運動、旋轉運動組合），測量運動信息既可以采用完整的慣性測量單元，也可以采用單個陀螺儀與加速度計。將上述各種設備和不同方法組合起來，學生可以根據(jù)需要自行設計多種實驗。

（三）教學實驗效果分析

綜合實驗平臺主要承擔《慣性導航技術綜合實驗》課程中的慣性導航系統(tǒng)運動軌跡規(guī)劃與設計實驗、慣性導航系統(tǒng)動態(tài)實驗和慣性導航系統(tǒng)半物理仿真實驗三部分內(nèi)容，現(xiàn)已在北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院研究生《慣性導航技術綜合實驗》課程教學中進行了教學實踐。

實驗教學過程中，學生分為8組，每組的組長負責組織本組學生進行方案討論、組內(nèi)任務分工。實驗相關的基礎知識與前沿技術在講座中進行集中教學，實驗設計與實踐則分組進行。這樣，每組會有不同的實驗方案、實驗數(shù)據(jù)，且均為獨立設計與完成。

學生應用控制界面可以任意設定運動滑軌的運動參數(shù)和狀態(tài)。程序設定的運動參數(shù)是利用慣性測量單元（慣性器件）進行運動誤差評價的基準。利用慣性測量單元中X軸加速度計輸出信號計算導軌橫向移動距離，則會得到一組運動參數(shù)誤差實驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2中，橫軸是采樣點數(shù)，系統(tǒng)采樣率是100Hz，所以橫軸對應的時間是50秒。圖中三條數(shù)據(jù)曲線從下至上分別對應加速度計的輸出數(shù)據(jù)、利用加速度計數(shù)據(jù)計算的速度誤差和位置誤差。慣性測量單元安裝誤差、MEMS加速度計誤差導致了較大速度誤差和位置誤差。圖2數(shù)據(jù)顯示了慣性系統(tǒng)的誤差隨時間累積，且器件誤差越大累積的誤差越大，這與基本原理相符。通過實驗學生能對慣性導航相關知識有深入、直觀的理解。

四、結束語

相較于老師為學生演示實驗過程，或按實驗指導書機械執(zhí)行的確定性實驗教學方式，本文提出的開放式研究型實驗課程中，學生的積極性與參與性明顯提高，形成了一種組內(nèi)合作、組間競爭的良好氣氛；實驗方案設計過程中相互討論，對實驗本質(zhì)有了深入認識，同時也培養(yǎng)了提出科學研究思路和方法的能力，而實驗方案的開放性設計，則激發(fā)與匯聚成實驗方案的創(chuàng)新性。這樣，開放式研究型實驗教學為學生營造了一種開放、活躍、積極、和諧的研究氣氛，學生在實驗過程中能夠充分發(fā)揮自己的主觀能動性與創(chuàng)造力，利用實驗平臺提供的軟、硬件條件，獨立完成了創(chuàng)新性工作，使自身的科學實踐能力得到鍛煉與提高。

本文所提出的開放式研究型實驗教學方法對工科研究生培養(yǎng)具有普適性，可在各學科中進行推廣，另外，本文提出的教學方法也可在高年級本科生實驗教學中應用。

參考文獻：

[1]楊榮敏，王讓會，吳鵬飛.淺析高校研究生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].教育與教學研究，2009，23（12）：65-67.

[2]樊炳輝.淺談工科研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].研究生教育，2010，163（12）：47-49.

[3]李琳，陳京京，王杰.面向卓越工程人才培養(yǎng)的產(chǎn)學研深度合作模式[J].高等工程教育研究，2013（1）：66-70.

[4]林健.注重卓越工程教育本質(zhì)創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式[J].中國高等教育，2011（6）：19-21.

[5]林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010（4）：21-29.

[6]教育部.教育部關于實施卓越工程師培養(yǎng)計劃的若干意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn，教高[2011]1號.

[7]張延順.北航教改項目“慣性器件原理實驗教學方法研究”項目中期報告[R].2012，5.

[8]朱紅，李文利，左祖晶.我國研究生創(chuàng)新能力的現(xiàn)狀及其影響機制[J].高等教育研究，2011，32（2）：74-82.

[9]沈建新.研究生創(chuàng)新能力現(xiàn)狀分析和對策[J].南京航空航天大學學報，2009，11（3）：80-84.

[10]袁本濤，延建林.我國研究生創(chuàng)新能力現(xiàn)狀及其影響因素分析-基于三次研究生教育質(zhì)量調(diào)查的結果[J].北京大學教育評論，2009，7（2）：12-20.

[11]王國強，傅承新.研究型大學創(chuàng)新實驗教學體系的構建[J].高等工程教育研究，2006（1）：125-128.

[12]田逢春，曾孝平，鮮永菊，等.建設開放性實驗平臺提高研究生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2007，26（9）：119-121.