葛亞明，苗志懷，薛 睿，宋金華，王彬彬，紀 緯

（哈爾濱工業(yè)大學（深圳）實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東深圳 518055）

0 引言

當前科技的發(fā)展，給高校提出了高水平建設(shè)的要求；學生的個性化發(fā)展需求，給高等教育提出了個性化教學的改革。建設(shè)滿足學生個性化學習需求的實驗課程，充分調(diào)動學生實驗積極性，鼓勵創(chuàng)新、個性化思維融入實驗中，正確與否都在實驗中檢驗，用實驗結(jié)果提出問題、分析問題，用理論支撐實驗去解決問題，強調(diào)實驗是檢驗理論、探索未知的最佳途徑。很多高校都在加強加大實驗環(huán)節(jié)的教學學時和教學任務(wù)，力求將理論付諸于實踐［1-15］。

充分利用實驗室設(shè)備，不斷改進、改良實驗設(shè)備，不斷研究開發(fā)具有研究性的實驗項目，從競賽、當前研究熱點中提煉實驗項目，從科研項目中提煉科創(chuàng)探索實驗項目，融會貫通各學科知識內(nèi)容，有針對性地提高學生專注于某一方面的研究能力，引導學生深入一個領(lǐng)域的研究，并在該研究道路上走得很遠。讓學生在實驗中尋找到“為什么要做這個實驗”“做這個實驗的用處是什么”“哪些實驗?zāi)茏鳛槲已由鞂W習的基礎(chǔ)”此類問題的答案。

為滿足學生個性化需求角度出發(fā)，以實驗設(shè)備為中心，結(jié)合案例，探討實驗教學視頻共享資源的建設(shè)方法，進而延伸實驗設(shè)備應(yīng)用，建設(shè)個性化創(chuàng)新實驗課程和企業(yè)創(chuàng)新實驗課程以及建立創(chuàng)新類實驗課程教學效果檢驗的評價方法。

1 實驗教學視頻共享資源建設(shè)

實驗教學圍繞設(shè)備開展，學生首先關(guān)注的是如何使用設(shè)備，使用中遇到的問題如何解決，實驗任務(wù)如何在設(shè)備上實現(xiàn)，因此，專注設(shè)備的實驗教學資源建設(shè)尤為重要。以設(shè)備為主角從單設(shè)備使用方法、多設(shè)備聯(lián)合開發(fā)、綜合性實驗項目等幾個方面展開實驗教學視頻資源建設(shè)。將制作的視頻資源課件發(fā)布到MOOC平臺。根據(jù)學生學習遇到的問題，不斷更新、完善課件內(nèi)容。此外，配套各類說明手冊、使用攻略以及常見問題解答指南等。

1.1 單設(shè)備使用方法

例1 基礎(chǔ)儀器設(shè)備的使用。針對大一學生提出任務(wù)，完成一個自制直流電動機驅(qū)動電路的測試，需要用到直流電源、任意波形發(fā)生器、示波器等基礎(chǔ)儀器，使用基礎(chǔ)儀器給系統(tǒng)提供具有一定功率的電源、占空比可調(diào)節(jié)的方波、測試經(jīng)驅(qū)動電路輸出的波形。對于大一學生來說，幾乎都沒有使用過這3 種設(shè)備，對使用中出現(xiàn)的問題及分析方法更是無從著手，因此，在課件資源建設(shè)中，首先給出3 種儀器設(shè)備的操作使用講解視頻，再對使用過程中的現(xiàn)象進行分析，讓學生學會根據(jù)測試波形分析實驗現(xiàn)象。例如，使用直流電源時，當顯示的電壓比設(shè)置的電壓低很多，說明外接電路有短路現(xiàn)象；當顯示的電流為零，說明外接電路有斷路現(xiàn)象，要立即停止供電檢查電路。

例2 專業(yè)設(shè)備的使用。針對大三學生的控制課程，使用直線電動機一級倒立擺設(shè)備。大三學生，經(jīng)過兩年的各類基礎(chǔ)實驗課程的訓練，軟硬件的上手能力已經(jīng)很好，因此，在課程資源準備中，除了設(shè)備的操作使用方法講解外，還應(yīng)加入如何使用不同的算法去控制系統(tǒng)，不同算法在系統(tǒng)上實施的可行性，產(chǎn)生的實驗效果分析。例如，用狀態(tài)控制方法設(shè)計參數(shù)，使倒立擺系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。倒立擺系統(tǒng)有位置、速度和加速度3 個狀態(tài)，可選擇的控制方法有狀態(tài)1～3 控制，經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)只有在狀態(tài)3 控制算法下，受到外界干擾時，能自動調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)，而在使用狀態(tài)1、2 控制時，系統(tǒng)會在一定范圍內(nèi)達到臨界的準穩(wěn)定，也就是在穩(wěn)定位置有一定幅度的波動，所以，必須要先將直線電動機擺放到中間位置，以備有足夠的調(diào)節(jié)距離，另外，在扶起擺桿的時候，動作要慢，待擺桿穩(wěn)定后才放開手，這樣，系統(tǒng)更容易找到穩(wěn)定點。根據(jù)各種實驗現(xiàn)象，再讓學生去反推理論的狀態(tài)反饋參數(shù)，反復實驗，逐步加深對理論知識的理解。

對于工科的學生來說，課程大綱中除了C 語言，幾乎沒有觸及其他的軟件，實驗課程中使用到的軟件，均需學生自學，建設(shè)的共享資源，能夠彌補這一點。由于資源是以實現(xiàn)一個完整的實驗項目為導向去講解軟件的操作與使用，將使用該設(shè)備的軟件架構(gòu)描述清清楚楚，清晰標注需要學生編寫的軟件代碼部分，提示調(diào)試中出現(xiàn)的錯誤如何應(yīng)對，讓學生通過這樣的資源全程學習，可以應(yīng)對實驗任務(wù)，并能有效地掌握軟硬件知識。

例3 ROS 移動機器人控制的軟件資源建設(shè)。ROS（Robot Operating System）是機器人操作系統(tǒng)的簡稱，是用于編寫機器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構(gòu)，在Linux系統(tǒng)下使用，學生首先需要熟悉Linux系統(tǒng)，再熟悉ROS，這一類的學習資源在B站上有一些經(jīng)典的資料，可以提供給學生自學。以移動機器人的建圖導航為實驗案例進行資源建設(shè)，首先測試底盤串口、雷達、攝像頭等硬件。以筆記本電腦為主控制器和操作臺，讓筆記本電腦通過USB 串口方式找到這些硬件，并使用筆記本電腦分別測試移動機器人底盤運動及數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)，以此了解移動機器人各個硬件組成部分是否正常；接下來，利用鍵盤或遙控手柄控制移動機器人在實驗場地運動，對場地進行地圖構(gòu)建，這部分讓學生了解使用激光雷達建圖的方法，熟悉軟件關(guān)鍵代碼的架構(gòu)；最后，使用Rviz軟件打開建好的地圖，找到移動機器人在實驗場地的確切位置，給定目標點讓機器人運動，此部分內(nèi)容讓學生了解避障、路徑規(guī)劃的關(guān)鍵代碼，指導學生可以在哪里修改代碼，使用自己的優(yōu)化算法去規(guī)劃機器人運動路徑。學生熟知這一過程后，會有一個整體的概念，捕捉到涉及的知識點后，再根據(jù)需求去尋找更為具體的知識點進行補充。

1.2 綜合性實驗項目開發(fā)

開發(fā)綜合性實驗項目就是拋開以某一門課程的實驗需求為目的來使用設(shè)備，而是以設(shè)備能做哪些實驗，能應(yīng)用到哪一知識領(lǐng)域為目的來開發(fā)設(shè)備，提高設(shè)備利用率吸引學生接觸設(shè)備，使用設(shè)備。

以直流伺服系統(tǒng)設(shè)備實驗項目開發(fā)為例，分別開發(fā)了力矩環(huán)模式下和速度環(huán)模式下的時域分析、根軌跡分析、頻率特性分析、PID校正、根軌跡校正、頻域法校正、狀態(tài)反饋控制等實驗項目；從系統(tǒng)分析角度開發(fā)了不同轉(zhuǎn)動慣量下PID 參數(shù)的調(diào)整、干擾對位置環(huán)和速度環(huán)的影響、系統(tǒng)的建模與分析等實驗項目，其中，力矩環(huán)實驗迎合了機械專業(yè)的需求，速度環(huán)實驗滿足了自動化專業(yè)的需求，系統(tǒng)分析實驗給系統(tǒng)建模與仿真課程提供了可行性，可對系統(tǒng)進行辨識與建模。

1.3 多設(shè)備聯(lián)合開發(fā)

為了尋求設(shè)備使用或開發(fā)的多樣性，探索多種設(shè)備之間的綜合交叉使用渠道，在實驗過程中，充分利用實驗室設(shè)備，將設(shè)備的功能開發(fā)到極致，為學生的課題研究、大作業(yè)等實踐環(huán)節(jié)提供一種思路和方法。

以dSPACE公司的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備的應(yīng)用開發(fā)為例，開發(fā)了XY 平臺、埃夫特機器人、四旋翼飛行仿真系統(tǒng)。XY平臺和埃夫特機器人屬于運動控制范疇，運動軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃在算法上可以通用，四旋翼飛行仿真系統(tǒng)使用的電動機及驅(qū)動機構(gòu)與XY平臺和埃夫特機器人類似，從電動機控制方法上可以相互借鑒。另外，數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備被稱為是一種萬能的控制器，開發(fā)不同的設(shè)備，只需解決接口以及算法設(shè)計問題，免去了學習不同專用軟件所花費的冗長時間。

1.4 探索類研究課題開發(fā)

教學的目的就是為了應(yīng)用，學生在以后的工作崗位或研究領(lǐng)域，能夠用到實驗教學中的相關(guān)內(nèi)容，是實驗教學的最高目標。因此，在實驗教學資源建設(shè)中，開發(fā)一些研究性的實驗項目，為學生提供一種使用實驗設(shè)備進行科學研究的思路。

以動態(tài)捕捉系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)使用為例，該系統(tǒng)用于捕獲任何可運動的物體的位姿，獲得角度和位置信息，多用于無人機、機器人、無人車等運動物體姿態(tài)的捕捉。動態(tài)捕捉系統(tǒng)可以作為其他系統(tǒng)的位置傳感器，如調(diào)試無人機，拋開視覺傳感器，利用動捕獲的位姿信息，實時控制無人機的飛行，動捕系統(tǒng)會記錄此次飛行過程的數(shù)據(jù)信息；通過解算動捕記錄的數(shù)據(jù)信息，拋開動捕系統(tǒng)，使用攝像頭作為反饋，控制無人機的飛行，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使無人機的飛行準確性達到與動捕系統(tǒng)的位姿相吻合。做了一個無人機投放物品到行進中的車上的研究案例，用到的實驗室設(shè)備有動捕系統(tǒng)、無人機、移動機器人，無人機的位姿數(shù)據(jù)由動捕系統(tǒng)實時提供，電腦實時解算該數(shù)據(jù)，并控制移動機器人運行，無人機追蹤移動機器人進行投放物品。

2 個性化創(chuàng)新實驗課建設(shè)

創(chuàng)新實驗課是為滿足學生個性化需求開展的一門可修創(chuàng)新學分的課程，課程建設(shè)的內(nèi)容要區(qū)別于課內(nèi)實驗，面向有自主研究能力、有精力深度學習的學生，選課不限制學生的專業(yè)。創(chuàng)新實驗課課題大都來源于各個專業(yè)方向的研究熱點，或者是從教師科研項目中提煉的子任務(wù)以及從各類競賽中凝練的高于競賽研究深度的課題。

創(chuàng)新實驗課的開展，給本科生提供了一條通往創(chuàng)新的探索之路，教師提供方向指引、研究思路、研究方法以及必要的設(shè)備和耗材，與學生定期開展小組討論，共同解決遇到的問題，推動學生獲得一定的高于本專業(yè)大綱要求的技能。課程的內(nèi)容隨著一屆一屆學生發(fā)現(xiàn)的問題以及學生的感興趣點，逐步更新和完善。

以無人駕駛智能車設(shè)計與控制創(chuàng)新實驗課建設(shè)為例［16］，課程最初以智能車競賽為切入點，并融入當前無人駕駛汽車控制的研究熱點，構(gòu)建了無人駕駛車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、ROS 軟件的開發(fā)、交通環(huán)境識別、避障、車輛編隊控制5 個實驗子模塊。車模機械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用阿克曼、全向輪結(jié)構(gòu)、差速輪結(jié)構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計得好壞決定了控制效果的優(yōu)劣，在學生選課面試環(huán)節(jié)，有意識讓學生軟硬件偏好的互補搭配成立研究小組，各有專攻；ROS 軟件的開發(fā)，是需要全體學生掌握的內(nèi)容，以授課和實驗相結(jié)合的方式進行；交通環(huán)境識別和避障，學生可二選一，以課題研究形式進行。交通環(huán)境識別，以攝像頭為主要傳感器去識別車道線、紅綠燈、路邊標識物等；避障，以激光雷達為主要傳感器去構(gòu)建地圖，規(guī)劃路徑，避開障礙；車輛編隊控制，作為全體選課學生配合完成的項目，車輛間交互信息或車輛間相互協(xié)助，完成規(guī)定的隊形或指定的任務(wù)。

選定ROS 移動機器人作為課程的前期學習基礎(chǔ)研究設(shè)備，使用該設(shè)備，學生不僅可以了解硬件基本架構(gòu)，還可以熟悉ROS下各類傳感器消息的獲取與信息處理、信息發(fā)布等。學生在熟悉了這些硬件、軟件的基礎(chǔ)后，開始自行研制機械結(jié)構(gòu)，自制車模，再將軟件移植到新制車模上反復調(diào)試，最后達到課程的預(yù)期目標。此外，利用動態(tài)捕捉系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，可方便完成車輛編隊的控制。

課程選課采用面試方式，我校很多專業(yè)，在大一年級就開設(shè)動手實踐課程以及大一立項，經(jīng)歷這樣的實踐訓練，會有一批學生脫穎出來，他們對此類創(chuàng)新實驗課程需求最大，選此類課程的人數(shù)也比較多。但創(chuàng)新實驗課是小眾化的授課方式，建議選課人數(shù)不超過設(shè)備的配備數(shù)，能夠保證1 人1 臺設(shè)備，確保每個人都能完整地做完課程要求的任務(wù)。

3 校企合作式企業(yè)創(chuàng)新實驗課建設(shè)

實踐教學與企業(yè)相結(jié)合，能無縫地將企業(yè)的需求與教學內(nèi)容相貼合，讓學生懂得學有何用，學該如何用，以應(yīng)用促進實踐教學的發(fā)展，推動學生實踐成果的產(chǎn)出，理論與實踐相結(jié)合，在實踐中深化理論教學內(nèi)容，激發(fā)學生學習理論的熱情和興趣。

企業(yè)創(chuàng)新實驗課是以企業(yè)工程師主講、實驗教師輔助的創(chuàng)新實驗課程，該課程的教學大綱、教案、講課資料、教學日歷均由負責該課程協(xié)調(diào)的實驗教師協(xié)助完成，再經(jīng)學校審核及對企業(yè)主講工程師的試講評定后，方可開出此課程。此類課程建設(shè)的目的是與企業(yè)深度接觸，讓學生所學更接近未來的工作應(yīng)用，更重要的是填補學生授課大綱之外的、使用又很頻繁的知識，而這些知識適合以一個硬件平臺為基礎(chǔ)去展開學習。

以機器人創(chuàng)新綜合實踐企業(yè)創(chuàng)新實驗課的建設(shè)為例，課程以智能物流分揀為應(yīng)用背景，提煉出6 個實驗項目進行授課——基于激光雷達的SLAM 算法及實踐、基于激光雷達的路徑規(guī)劃算法及實踐、基于MoveIt！的機械臂編程以及定點物體抓取、使用python構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的印刷體識別、模擬物流分揀。這些授課內(nèi)容在學生的教學大綱中是沒有的，但是這些方法是當前控制移動機器人使用最為廣泛的方法，也是行之有效的方法。設(shè)備采用企業(yè)提供的移動機器人作為底盤，加裝學?，F(xiàn)有的三自由度機械臂。

課程建設(shè)過程中，授課內(nèi)容、授課學時、講解環(huán)節(jié)與實踐環(huán)節(jié)的時間分配、授課的方式方法、考核評價標準是非常關(guān)鍵的部分，需要與企業(yè)講師不斷溝通，細化教學文件，反復試講，尋找到一種最為適合的方案，并預(yù)測學生在學習過程中會遇到的問題，做出預(yù)案，以備授課時應(yīng)對。這一環(huán)節(jié)需要實驗教師專門對接，協(xié)助反復修改教學材料。授課過程中，實驗教師全程跟蹤，輔助授課，對于講授過程中學生難以理解和掌握的內(nèi)容，會做出相應(yīng)的教學方式、方法上的調(diào)整。此外，企業(yè)講師在課后答疑環(huán)節(jié)也很重要，及時給學生答疑解惑，讓實踐環(huán)節(jié)能順利地進行。

4 實驗效果檢驗的評價方法

創(chuàng)新實驗課注重的是實踐環(huán)節(jié)，目的是讓學生會用設(shè)備的同時，能完成教師布置的小任務(wù)及大作業(yè)任務(wù)，因此，評價重點包含幾個環(huán)節(jié)：課內(nèi)小任務(wù)考核、大作業(yè)中期考核、大作業(yè)期末考核、答辯環(huán)節(jié)及研究報告。

課內(nèi)小任務(wù)考核，為了讓授課內(nèi)容比較集中，采取全天授課方式，上午集中講解，下午布置小任務(wù)，讓學生自行完成，并當場記錄成績，此部分占30%。

大作業(yè)考核，大作業(yè)是在授課結(jié)束之后布置的綜合性任務(wù)，考查學生對課程整體的理解與應(yīng)用情況，分中期和期末兩次進行考核，占比40%。學生在完成大作業(yè)期間，教師根據(jù)學生需求安排多次答疑，以促進學生的完成度。

答辯環(huán)節(jié)是考查學生對課程整體認識度和理解度的重要一環(huán)，學生在表述過程中，重點關(guān)注邏輯思維、對知識理解的深度、對遇到問題的解決方法、對課程的評價以及對課程延伸拓展的期望等，并按照這些方面分項打分，占比15%。

研究報告占比15%。要求學生以發(fā)表文章的格式去撰寫研究報告，旨在鍛煉學生的寫作能力，并學會將自己學到的知識轉(zhuǎn)變成知識成果，訓練富有嚴謹性、科研性的思維。

5 結(jié)語

目前，已經(jīng)在MOOC 平臺上建設(shè)了一門綜合性的課程——自動化專業(yè)實驗課程綜合，將自動化專業(yè)實驗涉及的設(shè)備使用方法、可開發(fā)的實驗項目、應(yīng)用案例等以視頻形式共享給學生，要求學生課前預(yù)習一遍相關(guān)視頻，節(jié)省了授課時的講解時間，同時，更提高了學生對設(shè)備的使用效率和熟悉程度。創(chuàng)新實驗課和企業(yè)創(chuàng)新實驗課的開展，滿足了學生個體化需求，促進了一部分學生積極投入競賽、科研、各類立項等工作中，同時，這些學生也帶動了一部分未參加此類課程的學生加入到創(chuàng)新學習中。