張 婷

(北京理工大學(xué) 自動化學(xué)院,北京 100081)

“教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見”指出各高等學(xué)校要堅持立德樹人,圍繞學(xué)生忙起來、教師強(qiáng)起來、管理嚴(yán)起來、效果實(shí)起來,深化本科教育教學(xué)改革,培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人,全面提高課程建設(shè)質(zhì)量[1]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托于實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行教學(xué),存在著實(shí)驗(yàn)室資源有限、不利于器材維護(hù)與增加運(yùn)行成本等諸多不足之處[2]。

北京理工大學(xué)自動化專業(yè)為落實(shí)“以學(xué)生為中心,學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效驅(qū)動”的教育理念,開展自動化本科專業(yè)本科生培養(yǎng)方案修訂工作,研究建設(shè)高水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程群,優(yōu)化公共實(shí)驗(yàn)課、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課比例結(jié)構(gòu),加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程體系整體設(shè)計,提高課程建設(shè)規(guī)劃性、系統(tǒng)性,避免實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的隨意性、碎片化。

1 原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)置

目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系主要有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、綜合課程設(shè)計、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三種形式。

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)由于課時少,碎片化教學(xué)完全依賴?yán)碚撜n程進(jìn)度,不能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)功能,其大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

課程設(shè)計要求學(xué)生自主選型、設(shè)計、調(diào)試和測試,完成綜合性的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。課程設(shè)計在培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力中起到了積極作用,但是綜合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很多課程內(nèi)容重復(fù),例如多門課程設(shè)計中,都需要進(jìn)行電機(jī)數(shù)學(xué)建模、PID參數(shù)調(diào)整和檢測傳感器參數(shù)設(shè)置,重復(fù)教學(xué)降低了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性[3-4]。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新?lián)Q代速度很快,但受實(shí)驗(yàn)室資源限制,很多實(shí)驗(yàn)條件很難滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求,創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)也并非適合所有學(xué)生[5]。

2 自動化實(shí)驗(yàn)課程群建設(shè)思路

課程群構(gòu)建是世界范圍內(nèi)課程建設(shè)的發(fā)展趨勢,是在課程領(lǐng)域研究的新方向,各高校在課程改革方面已經(jīng)意識到實(shí)踐教學(xué)課程群建設(shè)的重要性[6-7]。從2019年起,北京理工大學(xué)自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會重新梳理實(shí)驗(yàn)課程體系,建立了實(shí)驗(yàn)課程群,將原有的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程相融合,去除重復(fù)內(nèi)容,增加挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí),取得了良好的效果。

2.1 建設(shè)目標(biāo)

突出圍繞以學(xué)生為中心,培養(yǎng)學(xué)生解決工程復(fù)雜問題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、品學(xué)兼優(yōu)的素質(zhì)為宗旨,打破學(xué)科壁壘,按照先進(jìn)性、工程性、實(shí)踐性、綜合性和系統(tǒng)性為原則整體設(shè)計,融入課程思政,遵循實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念,通過進(jìn)行課程群的建設(shè)和研究,構(gòu)建高水平、跨專業(yè)、超學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程體系。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

1) 打破實(shí)驗(yàn)課程僅為課程服務(wù)的傳統(tǒng)思想,建設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)

學(xué)科交叉融合,引入以解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)理念,研究現(xiàn)有培養(yǎng)方案各個課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性,聽取企業(yè)專家、責(zé)任教授、大學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求,取消課內(nèi)實(shí)驗(yàn),建設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)。自動化專業(yè)將檢測、控制、執(zhí)行各個功能模塊集中建設(shè)為一個綜合實(shí)驗(yàn),使學(xué)生能夠從局部到全局、從部件到系統(tǒng)、從經(jīng)典到現(xiàn)代全面掌握實(shí)驗(yàn)精髓。

2) 校企協(xié)同,對接產(chǎn)業(yè),引入企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目

通過真實(shí)項(xiàng)目案例的訓(xùn)練,全面提升學(xué)生的創(chuàng)新能力,增加項(xiàng)目管理、環(huán)境保護(hù)和工程倫理等環(huán)節(jié)拓展,培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神,激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

3) 資源共享,開發(fā)線上、線下、混合實(shí)驗(yàn)方式

實(shí)施“線上+線下”混合式的教學(xué)模式,以翻轉(zhuǎn)課堂滿足多樣化學(xué)習(xí)需求,線上線下“兩線”全過程良性互動,構(gòu)建“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”開放型課程群。

2.3 建設(shè)方案

依托“控制科學(xué)與工程”雙一流學(xué)科建設(shè),堅持“以一流為目標(biāo)、以學(xué)科為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心”的基本原則,每學(xué)期設(shè)置1門核心實(shí)驗(yàn)課程群,強(qiáng)化專業(yè)素質(zhì),讓學(xué)生學(xué)得精、學(xué)得深,自覺自主學(xué)習(xí),大幅度提高專業(yè)素質(zhì)和實(shí)踐能力,實(shí)驗(yàn)課程群一覽表如圖1所示。

第1、2學(xué)期:通識實(shí)驗(yàn)課程群。該課程群采用生動的案例,列舉自動化技術(shù)革新在支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要學(xué)科和國家科技現(xiàn)代化的案例,激發(fā)學(xué)生對自動化專業(yè)的認(rèn)識和熱愛。課程群與大學(xué)生創(chuàng)新計劃相結(jié)合,鼓勵學(xué)生提出新的設(shè)想,通過方案設(shè)計和推演,了解項(xiàng)目實(shí)踐中需要的專業(yè)技術(shù)和管理,做中學(xué)、學(xué)中做,提高學(xué)生實(shí)踐動手能力。課程引入自動化工程倫理和項(xiàng)目管理技術(shù),提高學(xué)生職業(yè)精神和管理能力。

第3學(xué)期:智能檢測實(shí)驗(yàn)課程群。通過對光電、超聲波、音頻等32種傳感器的認(rèn)識和了解,增加學(xué)生探求智能檢測領(lǐng)域的敏感度。課程平臺采用智能機(jī)器人,從了解機(jī)器人的感覺和觸覺傳感器出發(fā),深入理解自動化控制系統(tǒng)對傳感器檢測的技術(shù)要求。

第4學(xué)期:智能控制器實(shí)驗(yàn)課程群。以典型的控制器為例學(xué)習(xí)控制器原理和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)平臺為單片機(jī)、PLC(邏輯控制編程器)和DSP等多種,學(xué)生根據(jù)不同的項(xiàng)目選擇控制器型號,并比對各種控制器的特點(diǎn)。課程中介紹我國控制器研制過程中遇到的瓶頸問題,涉及化學(xué)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和物理技術(shù)等基礎(chǔ)學(xué)科。

第5學(xué)期:控制原理與驅(qū)動實(shí)驗(yàn)課程群。結(jié)合電力電子驅(qū)動器、控制原理和控制器、執(zhí)行電機(jī)等搭建自動控制系統(tǒng),以項(xiàng)目為牽引,解決一個真實(shí)的控制系統(tǒng)案例,增強(qiáng)善于解決問題的實(shí)踐能力。例如:原有的課程體系中,“微機(jī)原理”“電力電子技術(shù)”“電機(jī)學(xué)”“檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)”各有8學(xué)時的課內(nèi)實(shí)驗(yàn),經(jīng)過課程整合,將4門實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)技術(shù)融合到一項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn),綜合實(shí)驗(yàn)有搬運(yùn)機(jī)器人、冬奧訓(xùn)練機(jī)器、無人機(jī)等項(xiàng)目。

第6、7學(xué)期:以項(xiàng)目為牽引的綜合性實(shí)驗(yàn)。引入真實(shí)的工程項(xiàng)目、科研項(xiàng)目,學(xué)生以小組形式進(jìn)行方案設(shè)計、平臺設(shè)計和搭建、算法設(shè)計和調(diào)試,通過現(xiàn)場測試和答辯,最終完成一個項(xiàng)目工作。

2.4 平臺建設(shè)

實(shí)驗(yàn)平臺面向企業(yè)、面向國家,汲取國際優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)資源,引入前沿科技。以實(shí)驗(yàn)課程群的形式研究制定公共平臺,建設(shè)電動、液動、氣動控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制、遠(yuǎn)程控制的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺,涵蓋經(jīng)典和現(xiàn)代的控制手段,實(shí)驗(yàn)臺面向?qū)W生教師開放共享,提高學(xué)生自覺自主學(xué)習(xí)的能力和鉆研精神[8-9]。

為每位學(xué)生提供專屬實(shí)驗(yàn)平臺,以便他們培養(yǎng)獨(dú)立鉆研精神,開發(fā)潛能,培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新意識。學(xué)生在大二入學(xué)后,可在實(shí)驗(yàn)室選擇一個實(shí)驗(yàn)裝備,保留至大四上學(xué)期結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺分為機(jī)器人、無人車、無人機(jī)等。機(jī)器人平臺有各種類型人形機(jī)器人、車型機(jī)器人、機(jī)械臂、自主設(shè)計機(jī)器人等,無人車包含電動、液動、氣動驅(qū)動四輪、三輪和兩輪車,無人機(jī)包含旋翼機(jī)、固定翼、仿生類型。如圖2所示為部分機(jī)器人平臺實(shí)驗(yàn)裝置,可拆卸、可二次開發(fā),每年實(shí)驗(yàn)平臺推陳出新,不斷完善擴(kuò)充。

圖2 機(jī)器人平臺實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)綜合平臺包含電動、液動、氣動綜合實(shí)驗(yàn)臺(如圖3所示),培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,每個綜合實(shí)驗(yàn)平臺都包含著檢測、驅(qū)動、控制等各個功能,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控、虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制等,學(xué)生在實(shí)踐工程中增強(qiáng)了對現(xiàn)代企業(yè)管理的認(rèn)識和安全意識。

圖3 電動、液動、氣動綜合平臺

2.5 教師隊伍建設(shè)

打破原有1門課程由1～2位教師主講的授課形式,采用課程群形式,根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行教師人員配置。實(shí)施課程講授或指導(dǎo)時,理論任課教師參與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)并定期參與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容研討。

培養(yǎng)一批高素質(zhì)的有工程背景和工程項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教師隊伍,積極引進(jìn)企業(yè)、科技人員作為兼職教師,參與課程建設(shè)和平臺建設(shè)研究。

引進(jìn)高水平的博士研究生作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)助理,有效利用開放平臺進(jìn)行指導(dǎo);吸收高年級的本科學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)助管員,提高學(xué)生自主自覺建設(shè)實(shí)驗(yàn)室意識,鼓勵學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)平臺提出建議。

3 結(jié)語

通過建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程群,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)資源整合,提高了實(shí)驗(yàn)平臺利用率,避免了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)率,實(shí)驗(yàn)課程不再相互獨(dú)立,專業(yè)知識交叉融合,解決了多年來課時多、學(xué)習(xí)效率低的問題。對2019級自動化專業(yè)160余位學(xué)生的調(diào)研表明,實(shí)踐課程具有很高的挑戰(zhàn)性,激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。課程群的建設(shè)也迅速提高了實(shí)驗(yàn)教師水平,企業(yè)、科研專家、理論教師和實(shí)驗(yàn)教師在教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)方面相互交流,形成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范發(fā)展和持續(xù)改進(jìn)的良性循環(huán)。雖然實(shí)驗(yàn)課程群的建設(shè)和實(shí)踐取得了階段性成果,但是還存在實(shí)驗(yàn)教師隊伍人員數(shù)量少、綜合性實(shí)驗(yàn)教材少、課程群管理機(jī)制的完善等諸多問題,需要進(jìn)一步研究和探索。