唐 求， 滕召勝， 姚文軒， 周朝霞， 曹琳琳

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

0 引 言

“新工科”建設(shè)計劃于2017 年正式推出，是教育部為主動應(yīng)對新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，提出的推動高等工程教育改革的“中國方案”［1］?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)以產(chǎn)業(yè)需求為引導(dǎo)，不僅是創(chuàng)建一批新型工科專業(yè)，更是對傳統(tǒng)工科專業(yè)進行升級與改造［2］，實現(xiàn)多學(xué)科多專業(yè)發(fā)展相融合，強化學(xué)生實踐綜合能力的培養(yǎng)［3］。

新工科建設(shè)給傳統(tǒng)工科專業(yè)發(fā)展帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力成為新工科人才培養(yǎng)的一個重要目標［4］。實踐教學(xué)是工科專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新意識、綜合素質(zhì)的主要渠道［5］，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式難以完成創(chuàng)新人才培養(yǎng)任務(wù)，為促進工程教育與新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)實踐教學(xué)改革迫在眉睫。

測控技術(shù)與儀器專業(yè)（以下簡稱測控專業(yè)）作為智能制造高新技術(shù)密集型綜合專業(yè)，在全國100 多所高校相繼開設(shè)。其融合了機械、電子、控制、計算機與信息技術(shù)等多學(xué)科知識為一體［6］，涉及信息獲取、信息傳輸、信息處理與信息利用的全過程，是典型的理論與實踐緊密結(jié)合的工科專業(yè)［7］。該專業(yè)以傳感檢測和儀器開發(fā)為核心，是我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中實現(xiàn)信息化、自動化和智能化的關(guān)鍵。

為滿足新工科人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的需求，我校測控專業(yè)針對實踐教學(xué)存在的教學(xué)體系不完善、教學(xué)項目單一、教學(xué)方法不靈活等主要問題，探索了面向新工科人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革基本思路：構(gòu)建測控專業(yè)特色實踐教學(xué)體系，在測控專業(yè)實踐教學(xué)培養(yǎng)方案、教學(xué)方法、評價體系革新的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)學(xué)研合作、交叉學(xué)科等多方力量，通過科學(xué)實驗、學(xué)科競賽、企業(yè)實訓(xùn)、科研開發(fā)等各種實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升學(xué)生的實踐能力和科學(xué)研究能力，推進專業(yè)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)進程。

1 測控專業(yè)實踐教學(xué)體系的建設(shè)

1.1 傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的局限性

課程體系是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵組成部分，經(jīng)過多年的改革，測控專業(yè)的課程體系比較完善，課程教學(xué)與實踐教學(xué)模塊設(shè)置合理，各模塊學(xué)分比例符合工程教育認證標準要求，體現(xiàn)了測控專業(yè)特色。但在實踐教學(xué)過程中側(cè)重于傳授理論知識，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)形式單一，沒有形成一個完整的系統(tǒng)工程［8］。傳統(tǒng)實踐教學(xué)大部分在實驗室完成，以演示、驗證實驗為主，不利于大學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題的創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力培養(yǎng)，不能滿足新工科高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求［9］。如何根據(jù)測控專業(yè)培養(yǎng)目標與課程教學(xué)大綱，結(jié)合新工科人才培養(yǎng)方案與工程教育專業(yè)認證標準，并充分考慮實際實踐條件、專業(yè)特色和儀器學(xué)科的產(chǎn)業(yè)特點，規(guī)劃各門課程的理論和實踐教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置各種實踐環(huán)節(jié)，形成一個完整的實踐教學(xué)體系成為實踐教學(xué)改革的首要任務(wù)［10］。

1.2 新型實踐教學(xué)體系構(gòu)建

根據(jù)測控專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃與工程教育專業(yè)認證的要求，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、提升學(xué)生專業(yè)技能為目的，我校測控專業(yè)對原有的實踐課程體系進行了徹底優(yōu)化。在對比分析國內(nèi)外10 多所著名高校實踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，圍繞如何提高學(xué)生工程實踐能力進行了充分研討、反復(fù)論證，結(jié)合本專業(yè)特色、新工科建設(shè)、專業(yè)認證要求與創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案，構(gòu)建了包括工程訓(xùn)練、課程實驗、課程設(shè)計、實習(xí)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新性項目訓(xùn)練、SIT項目、學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計等多個環(huán)節(jié)的新型實踐教學(xué)體系。根據(jù)學(xué)術(shù)發(fā)展特點，針對課程教學(xué)要求和不同年級學(xué)生知識掌握情況來開展實踐教學(xué)，按照“基礎(chǔ)知識教育-基本技能培養(yǎng)-設(shè)計能力訓(xùn)練-綜合技能提升-創(chuàng)新成果研究”逐步實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)。面向新工科建設(shè)的測控專業(yè)新型實踐教學(xué)體系如圖1 所示。

圖1 測控專業(yè)實踐教學(xué)體系

測控專業(yè)的實踐教學(xué)分為3 個階段，這3 個階段的實踐教學(xué)對學(xué)生的培養(yǎng)側(cè)重點不同，根據(jù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)進度與要求，貫穿于整個本科學(xué)習(xí)階段，交叉進行，由淺入深、由面向點來開展。大學(xué)低年級以第1 階段實踐教學(xué)為主，大學(xué)中高年級學(xué)生主要進行第2、3階段的實踐學(xué)習(xí)。

實踐教學(xué)第1 階段主要由演示實驗、基礎(chǔ)實驗、開放實驗、學(xué)科前沿講座與學(xué)科基礎(chǔ)知識競賽等環(huán)節(jié)組成，以基礎(chǔ)知識、基本技能學(xué)習(xí)為主，幫助學(xué)生夯實專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生對實驗過程的正確認識，激發(fā)學(xué)生的實踐熱情和探索精神；強調(diào)掌握和運用工程實踐基礎(chǔ)知識，以活躍思維、提高學(xué)生對學(xué)科專業(yè)和工程設(shè)計的興趣為目的，為學(xué)生綜合素質(zhì)的養(yǎng)成打下堅實的基礎(chǔ)。

實踐教學(xué)第2 階段主要由實習(xí)實訓(xùn)、綜合實驗、創(chuàng)新訓(xùn)練與課程設(shè)計等環(huán)節(jié)組成，以設(shè)計能力、綜合能力訓(xùn)練為主，幫助學(xué)生深入了解和掌握專業(yè)知識，強調(diào)以動手能力、實踐能力為主的專業(yè)性課程實踐教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生重視設(shè)計環(huán)節(jié)、完善方案，動手、動腦和學(xué)習(xí)交流結(jié)合，提高學(xué)生創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

實踐教學(xué)第3 階段以培養(yǎng)學(xué)生綜合知識應(yīng)用能力為主，由畢業(yè)設(shè)計、SIT項目、科研項目研究、開放創(chuàng)新項目和學(xué)科競賽等環(huán)節(jié)組成，強調(diào)工程實踐能力、創(chuàng)新思維能力和可持續(xù)發(fā)展能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識綜合應(yīng)用于本專業(yè)領(lǐng)域的實踐，進一步提高學(xué)生的歸納問題、分析問題和解決問題能力，形成基礎(chǔ)扎實、勤于思考、勇于實踐的高素質(zhì)人才培養(yǎng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

2 實踐教學(xué)與訓(xùn)練平臺的搭建

2.1 實踐教學(xué)項目的設(shè)計

在新型實踐教學(xué)體系的建設(shè)中，測控專業(yè)廣泛征集了行業(yè)和企業(yè)專家意見，不斷完善實踐教學(xué)與訓(xùn)練環(huán)節(jié)，聘請了一批高層次校外導(dǎo)師參與實踐教學(xué)工作環(huán)節(jié)。根據(jù)不同年級學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的差異，設(shè)計了一套貫穿于整個大學(xué)4 年的完整實踐教學(xué)項目，從演示實驗、基礎(chǔ)實驗與開放實驗相結(jié)合的基礎(chǔ)實驗教學(xué)開始，循序漸進開展實訓(xùn)項目、課程設(shè)計、學(xué)科競賽等一系列實踐教學(xué)與訓(xùn)練環(huán)節(jié)。

對每個實踐教學(xué)項目進行修改，制訂了符合創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求的實驗教學(xué)計劃和教學(xué)大綱，編寫了實驗教材；探索實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的新方法和新思路，完成了測控專業(yè)實驗教學(xué)、課程設(shè)計、企業(yè)實習(xí)、創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科競賽與畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的方案修訂；制訂了專業(yè)實驗室建設(shè)計劃和企業(yè)培養(yǎng)實施計劃，形成了實踐教學(xué)與科技創(chuàng)新結(jié)合、校內(nèi)學(xué)習(xí)和企業(yè)學(xué)習(xí)配合的實踐教學(xué)培養(yǎng)體系，提出并實施了在4 年學(xué)習(xí)中持續(xù)強化實踐教學(xué)、帶動學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力逐步大幅提升的教學(xué)理念。

與此同時，測控專業(yè)在課程教學(xué)體系中拓寬學(xué)科基礎(chǔ)、夯實專業(yè)基礎(chǔ)、加強多專業(yè)融合，以工程實踐作為導(dǎo)向進行理論知識點的滲透和穿插，安排專業(yè)前沿講座，增加課程思政、工程倫理、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展以及創(chuàng)新設(shè)計實踐等有關(guān)內(nèi)容，構(gòu)成一個完整的課程教學(xué)與實踐教學(xué)體系。使實踐課程教學(xué)既相對獨立、又與理論課程教學(xué)相互統(tǒng)一，將理論知識和實踐能力貫穿起來，變重理論傳授為理論知識、實踐技能、創(chuàng)新意識并重，變學(xué)校獨立培養(yǎng)為校企聯(lián)合培養(yǎng)，全面提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和組織協(xié)調(diào)能力。

2.2 校內(nèi)外實踐教學(xué)基地的完善

傳統(tǒng)的以實驗課程為主的實踐教學(xué)授課過多、動手太少，實驗功能單一且封閉［11］，學(xué)生接觸不到實際工業(yè)過程，難以掌握本專業(yè)最新科技動態(tài)。為了達到新工科人才培養(yǎng)目標與工程教育專業(yè)認證標準，讓學(xué)生能夠?qū)W到真正的專業(yè)知識和技能，緊密聯(lián)系工程實際，專業(yè)出臺了多項鼓勵政策調(diào)動教師主動參與校內(nèi)外實踐基地建設(shè)的積極性。多渠道探索實踐性教學(xué)的新模式，搭建多層次實踐教學(xué)平臺，進一步提高教學(xué)水平，為學(xué)生創(chuàng)造良好的軟硬件環(huán)境。

建設(shè)了校內(nèi)實踐教學(xué)基地，建有傳感與檢測、電氣測量、虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)測控、智能儀器等本科教學(xué)實驗室，實驗室面積達350 m2，設(shè)備達420 臺（套）；利用校企科研合作優(yōu)勢與校友資源獲得了企業(yè)的實驗室建設(shè)捐贈，建設(shè)了NI -湖南大學(xué)虛擬儀器實驗室、海興-湖南大學(xué)電測實驗室2 個開放實驗室；與多個相關(guān)知名企業(yè)建立了穩(wěn)固的聯(lián)合實訓(xùn)實踐基地，現(xiàn)建有杭州海興電力科技股份有限公司、長沙開元儀器有限公司、力合科技（湖南）股份有限公司等多個實訓(xùn)實踐基地，為學(xué)生提供多種創(chuàng)新實踐平臺和全面素質(zhì)培養(yǎng)基地。

2.3 實踐教學(xué)資源的研發(fā)

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)基于真實的儀器設(shè)備，電壓等級高、電流強度大、實驗成本高、場地占用大的實踐項目難以開展，探索性實踐受限。測控專業(yè)組織研發(fā)了如圖2 所示的“電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真實驗”教學(xué)平臺，利用3D 仿真建模、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代手段，開展虛實相結(jié)的實踐教學(xué)模式。虛擬仿真實驗平臺開放性強，學(xué)生可以自行選擇、添加、配置實驗設(shè)備，模擬電氣化鐵路運行場景與設(shè)備原型，實現(xiàn)電氣化鐵路諧波產(chǎn)生、檢測與控制等多場景、多任務(wù)實驗。系統(tǒng)拓展性高，具有豐富的二次編程接口，并可與專業(yè)編程工具及信號分析軟件拓展連接，在基礎(chǔ)實驗上設(shè)置了具有擴展性、前瞻性和挑戰(zhàn)性的個性化仿真任務(wù)，為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力提供了優(yōu)良實驗條件。

圖2 諧波檢測與控制虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

為了將教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、實驗項目的實施融為一體，課程團隊設(shè)計與自制了“單片機口袋實驗室平臺”“微電機自動控制實驗室平臺”等教學(xué)實驗設(shè)備，如圖3 所示。這些自制的實驗設(shè)備體積小、攜帶方便，學(xué)生可參與實驗設(shè)備的設(shè)計、裝配與調(diào)試以及實驗項目的開發(fā)過程，解決了實驗教學(xué)學(xué)時有限、內(nèi)容固化、實驗與教學(xué)脫節(jié)等問題。在課程教學(xué)進程中，邊教、邊學(xué)、邊做、邊思考，“教-學(xué)-做-研”的有機融合［12］，由簡到繁循序漸進地幫助學(xué)生掌握系統(tǒng)分析、設(shè)計與改進的應(yīng)用技能，促進學(xué)生的實踐興趣，培養(yǎng)學(xué)生的研發(fā)意識，對提高大學(xué)生創(chuàng)新能力起到了良好的推動作用。

圖3 自制教學(xué)實驗設(shè)備

3 實踐教學(xué)模式與教學(xué)方法的改進

3.1 真實實驗與虛擬仿真結(jié)合

新工科建設(shè)為多樣化、創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)指引了方向，而虛擬仿真實驗正是調(diào)動學(xué)生創(chuàng)新意識，訓(xùn)練自主探究能力的有效手段［13］。“電氣化鐵路諧波檢測與控制虛擬仿真實驗”平臺以電氣化鐵路諧波產(chǎn)生、檢測、控制為對象，在VR 虛擬場景中模擬電氣化鐵路運行場景與設(shè)備原型，有機串聯(lián)了電氣化鐵路設(shè)備認知、諧波檢測、諧波控制等既相對獨立、又層層遞進的實驗過程。學(xué)生可對虛擬仿真實驗平臺的實驗方案和窗函數(shù)、采樣率、數(shù)據(jù)長度、不同信噪比白噪聲注入等多個探索環(huán)節(jié)進行實驗設(shè)計與對比分析。

在“智能儀器”與“電氣測量技術(shù)”課程實驗、專業(yè)綜合設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合的新型實踐教學(xué)模式，減少演示型、驗證性實驗內(nèi)容，適當增加設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容。采用理論聯(lián)系實際、虛實結(jié)合的方式，通過“設(shè)備認知—理論授課—虛擬仿真—實驗考核”一系列實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，課前、課中、課后分階段突出不同教學(xué)重點，開展諧波概念、諧波產(chǎn)生、諧波危害等基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)；在線認知相關(guān)設(shè)備；設(shè)計實驗方案；設(shè)定實驗參數(shù)，開展實驗操作，比較不同實驗方案的實驗效果差異，形成實驗報告。真實與虛擬仿真相結(jié)合的實踐教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生工程能力的同時，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3.2 課堂與實驗教學(xué)融合

傳統(tǒng)的課程理論教學(xué)與實驗教學(xué)是獨立的，學(xué)生很難將理論知識與實驗?zāi)康南肼?lián)系，缺乏主動學(xué)習(xí)與創(chuàng)新意識［14］。面向新工科人才培養(yǎng)，在實驗教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)課程的差異與學(xué)生基礎(chǔ)，不斷改進實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式?？梢詫⑴c實驗密切相關(guān)的一些理論課程教學(xué)搬進實驗室，在實驗室中進行相關(guān)理論課程學(xué)習(xí)，使課堂教學(xué)與實驗教學(xué)融合，打破教學(xué)與實驗的界限［15］。此外，還可以根據(jù)不同課程需求，將實驗搬進教室，在講授理論知識的同時開展實驗教學(xué)，使學(xué)生能夠更好地理解、消化與吸收知識點。課堂教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)相融合，不僅充分利用了實驗室儀器設(shè)備資源，最大限度地發(fā)揮了實驗室設(shè)備的使用效率，更提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖4 為學(xué)生在課堂教學(xué)過程中使用“單片機口袋實驗平臺”“微電機控制實驗平臺”等便攜式實驗設(shè)備。

圖4 實驗搬進理論教學(xué)課堂

3.3 校企聯(lián)合培養(yǎng)

測控專業(yè)已經(jīng)與多家科研院所、知名企業(yè)有著長期、穩(wěn)定、良好的項目共同研發(fā)和人才聯(lián)合培養(yǎng)關(guān)系，建立了多個實訓(xùn)實踐基地，將實踐教學(xué)課堂搬進企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，學(xué)校導(dǎo)師與企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，形成了校企融合的“教-學(xué)-做-研”一體化的實踐教學(xué)方式。企業(yè)為學(xué)校提供實訓(xùn)實踐基地，配備企業(yè)指導(dǎo)教師，提供生產(chǎn)操作實訓(xùn)、科研技能培訓(xùn)與科技項目研發(fā)的條件和機會，開展實習(xí)實踐教學(xué)活動；學(xué)校聘請企業(yè)專家為實踐教學(xué)指導(dǎo)教師，為企業(yè)靶向培養(yǎng)人才，解決生產(chǎn)實際問題，學(xué)生、學(xué)校和企業(yè)三方受益，形成了校企合作培養(yǎng)測控技術(shù)與儀器專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的新模式。圖5 為學(xué)生在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場開展實踐教學(xué)活動。

圖5 學(xué)生在企業(yè)實踐教學(xué)活動

3.4 課堂教學(xué)與科技活動緊密相連

測控專業(yè)理論與實踐聯(lián)系緊密，仍沿用傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方法已經(jīng)無法適應(yīng)新知識的發(fā)展［16］。在實踐教學(xué)過程中應(yīng)緊跟科學(xué)技術(shù)的進步，不斷改進教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，采取遞進式、多樣化、靈活化的實踐教學(xué)方法，最大程度激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。密切結(jié)合與課程相關(guān)的科研、生產(chǎn)實際課題來展開實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，在組織教學(xué)內(nèi)容時，留部分知識點引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生運用網(wǎng)絡(luò)、虛擬儀器開發(fā)平臺等學(xué)習(xí)工具，了解本學(xué)科的前沿知識；積極組織和指導(dǎo)測控專業(yè)學(xué)生參加學(xué)校設(shè)立的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃（SIT）專項，參加各種形式的湖南省和全國大學(xué)生科技文化活動，參與教師的實際科研項目，在實踐中得到鍛煉，提高個人的團隊協(xié)作精神，綜合運用能力和科研創(chuàng)新能力。

4 結(jié) 語

通過近幾年的實踐教學(xué)改革，測控專業(yè)完善了實踐教學(xué)與訓(xùn)練環(huán)節(jié)，形成了自己獨特的實踐教學(xué)方法，建成了一整套貫穿于整個大學(xué)4 年的完整實踐教學(xué)體系，實踐教學(xué)水平也得到了提高，取得了一系列創(chuàng)新成果：①培養(yǎng)了一大批品學(xué)兼優(yōu)、理論結(jié)合實際、創(chuàng)新成果突出的優(yōu)秀學(xué)生，測控專業(yè)畢業(yè)生受到企業(yè)的青睞，一次性就業(yè)率從全校排名中等一躍成為全校第一；②更多的測控專業(yè)學(xué)生加入各類學(xué)科競賽與實際項目研發(fā)中，先后獲得了中國機器人大賽國家級一等獎、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎、智能汽車競賽國家級二等獎等獎勵，形成了測控專業(yè)學(xué)生積極參加實訓(xùn)實踐、學(xué)科競賽的良好風(fēng)尚和創(chuàng)新人才培養(yǎng)特色。