基于卓越工程师计划的三性实验教学改革

陈飞 孙斌 赵玉晓

[摘 要] 针对高校实验教学的传统理念的弊端，提出从培养三基能力到三性实验的转变，需要在实验理念、实验教学方法、实验内容等方面做较大的改革。基于“卓越工程师计划”，针对测控技术与仪器专业，确定改革实验教学的思路、具体方案。四年的改革探索与实践表明，旨在提高学生的工程能力和创新能力，成果凸现。该项研究针对实验教学改革，内容也适用于开展大学生课外科技活动、拓展实践能力，可以为相关专业提供有益的参考。

[关键词] 卓越工程师计划；三性实验；实验理念；教学体系改革

[中图分类号] TP273 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）05-0106-04

0 引言

中国高校实验教学的理念是20世纪50年代首次提出的，实验教学是培养学生的三基能力：即掌握实验基础知识的能力、掌握基本实验方法的能力、掌握基本操作的能力。60年代进一步提出“通过实验培养学生严谨的科学态度、逻辑思维能力以及培养学生的忠诚老实、勤俭节约的优良品质。”在这种理念支配下，实验教学主要存在以下问题：（1）实验性质以验证性实验为主；（2）在教学方法上，老师讲、学生听，实验操作照方抓药；（3）不考虑学生个性、特长，按照一种模式造就学生；（4）实验内容脱离社会、生产、科研实际，不能激发学生兴趣；（5）实验经费短缺，先进的仪器设备数量、种类不足；（6）实验设备的可操作性低，不能满足学生深层次探索的需求。因此，培养出来的学生虽然具有较系统的基础知识，实验操作规范，但缺乏活力，扼杀了个性的发展，不利于综合能力和创新能力的培养[1]。

教育部在《教育部关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知》（教高[2005]8号）中提出“加强综合性、设计性、创新性”的意见，简称为“三性”实验。从三基到三性的转变需要在实验理念、实验内容、实验教学方法等方面做大量的工作。比如，在实验内容方面，国内原有的实验教材模式单调，不能调动学生自主学习的积极性，试验设备及实验指导书虽然很多，但基本是一种模式，内容也大体相同，以经典实验为主，实验的操作步骤十分详细，学生可以不动脑筋，按部就班操作，因此严重束缚了学生思维。英国、法国等高校的实验没有统一教材也很少出版教材，以活页式的讲义为主，每年都有不少实验进行更换，原理写得很详细，操作步骤简单，除经典实验外还有大型仪器实验和前沿学科的实验。如巴黎高师二年预备后，进入导师实验室进行科学研究的训练。基于“卓越工程师计划”将上述信息融入实验教学改革，以测控技术与仪器专业为研究对象，设计开发从培养三基能力到三性实验的转变，旨在提高学生的工程能力和创新能力。

1 改革的理念、思路及创新点

1.1 改革的理念

在素质教育的大背景下，明确提出了实验教学的新理念：即以人为本，融知识传授、能力培养、素质教育全面协调发展。这一教学理念是我国高校传统的实验教学理念的继承和发展，以人为本即在实验室建设和教学中要以学生为主体，教师为主导，这种教学理念有利于学生个性和潜力的发展，有利于学生创新能力的培养。

提高学生的科研实践能力、增强对专业课程的学习兴趣，对专业教学来说是一个刻不容缓的事情，是一个需要国家、学校、教师及学生共同努力才能实现的事情。目前，学校、浙江省、教育部为培养学生的科研实践创新能力提供了许多机会，如举办各种创新设计竞赛、学生自主申报科研课题、参加省市国家级创新大赛等，都对学生的实践动手能力、对专业的学习兴趣方面起到了很大的促进作用[2，3]。

1.2 改革的思路

针对目前教学环境，建立适合学生认知规律和创新能力培养的新的实验教学体系具有十重要的意义。具体改革思路如下[4-6]。

1）实验教学理念。紧密结合测控相关专业实验教学特征，严格按照素质教育的基本要求，坚持以学生为本，突出学生的主体地位，强化实验教师的指导功能，注重实验过程管理。注重启发学生的创新思维，激发探索精神，培养团结合作的态度，锻炼表达能力。

2）实验内容改革。在实验项目设计上，坚持特色、突出综合与创新、强化实验内容与科研、课外科技的结合，开发的三性实验项目最大程度上保证学生创新能力的培养。三性实验内容改革坚持多课程综合性实验项目设计；传统实验项目与最新科研成果相结合的创新实验项目设计；体现专业特色的创新实验项目设计；结合新苗计划、创新竞赛等课外科技活动的创新实验项目设计。

3）实验方法改革。采用基于项目的专业实验教学手段，提高学生兴趣。取消满堂灌、注入式的教学法，运用启发式、讨论式、互动式的教学方法。同时大力运用计算机网络化的辅助教学，进行网络化、开放式实验教学模式。加强网站建设，增进学生与教师的互动。加强实验过程管理，注重培养学生的创新能力，强化学生的团队合作意识、表达能力的培养，充分利用网络化、信息化资源。

1.3 改革的创新点

1）设计开发多课程综合性实验项目。按照分阶段、多层次的原则设计相应实验项目，注重课堂教学内容与生产实际的有机结合。

2）实验项目与课外科技活动的有机结合。根据浙江省新苗人才计划项目、大学生科技创新项目等设计相应实验内容，注重实验内容与毕业设计、学生作品（论文、专利等）有机结合。

3）在实验过程管理方面注重实验过程，实验内容管理通过计算机进行，通过网络预约、远程实验、网络交流等方式增加师生互动。

4）采用基于项目的实验模式，有利于培养学生的团队精神、创新能力及表达能力。

5）多种教学手段的利用，提高学生实验兴趣。开放实验、远程实验的应用充分体现了以学生为本的教学理念。

2 具体实践方案

本项目具体实现方案是总体上开发一个创新实验平台，该平台包括开发创新实验项目及其信息管理系统。创新实验项目的设计充分体现素质教育要求，在实验项目选择、实验过程管理、实验考核等方面充分考虑学生的认知规律，充分发挥教师的指导作用，强化师生互动，以培养学生的创新意识及创新能力为核心。信息管理系统能够实现实验项目的管理、实验学生的考勤，特别突出对实验过程的管理，具体设计方案如图1所示。该系统在开发相应创新项目的同时进行试验信息管理系统的设计，这样能最大程度地保障创新项目的开展，可以很大程度地调动学生的学习兴趣，增强学生的创新意识，提高学生的创新能力。

2.1 创新实验项目设计方案

创新实验项目设计坚持多课程综合性、传统实验项目与最新科研成果相结合原则，实验项目要体现专业特色，并且与新苗计划、创新竞赛等课外科技活动有机结合，开发部分适于远程实验的实验项目。实验项目的设计注重开放性，即学生在实验内容的选择上具有更大的自由度，可以根据兴趣选择相应的实验内容。

1）多课程实验项目。实验项目的设计首先坚持多课程相结合的原则，结合测控等相关专业的《信号分析与处理》、《自动控制原理》、《虚拟仪器》、《MATLAB程序设计》、《热工过程控制系统》、《可编程序控制器》、《自动检测技术》、《调节仪表》、《现场总线系统设计》等多门课程开发综合性、设计性实验项目，所开发的实验项目分为4个项目群，30多个新的实验项目。

第一，半实物仿真实验项目主要结合《MATLAB程序设计》、《自动控制原理》、《热工过程控制系统》、《自动检测仪表》等开发半实物仿真系列实验。实验对象利用实验室中的电加热炉、自动控制原理试验箱、热工过程实验台进行。该系列实验项目可以进行PID控制、模糊控制、神经网络、预测控制等先进控制算法。可以进行单回路控制、串级控制、前馈控制、史密斯预估控制等实验。可开发10个以上综合性实验项目。

第二，过程控制实验类主要开发基于《自动检测技术》、《热工过程控制系统》、《可编程序控制器》、《虚拟仪器》等课程的系列控制实验。该部分实验主要训练学生的工程设计能力，利用相关课程理论，采用工程上最新的技术实现过程控制。其中包括分布式控制系统、PLC控制系统、软逻辑控制系统等。该过程应用组态监控技术、OPC技术等最新工控成果，使实验内容更加贴近工程实际。该系列拟开发10个以上工程型实验项目。

第三，IEC61131-3语言实验项目重点突出实训，结合《虚拟仪器》、《可编程序控制器》、《过程控制系统》、《现场总线系统设计》等课程开发实训项目。重点突出触摸屏技术、OPC技术、IEC61131-3语言应用技术、网络技术在控制中的应用。该部分实验内容主要分为电器控制、运动小车控制、交通灯控制等。预计开发20个实验项目。

第四，信号分析与处理实验类结合《信号分析与处理》、《MATLAB程序设计》、《虚拟仪器技术》等课程开发既能仿真又能实时分析的信号处理系统。该实验系列主要利用数据采集卡、虚拟仪器软件等开发设计相应的信号发生器、示波器、频谱分析仪等实现信号的分析与处理。这一部分重点利用虚拟仪器的信号处理工具包开发高级信号处理实验项目，包括短时傅立叶变换、小波分析、希尔伯特变换等时频分析项目。预计开发10个实验项目。

2）与科研相结合的实验项目。该部分实验项目设计主要把与专业比较接近的科研项目转化为实验项目。具体实现方式：一是利用科研项目研制的样机开发实验项目；二是根据一些科研项目的试验结果开发实验项目，这一部分已经具有一定的基础，目前已经开设的科研类实验项目共有十多项。在此基础上进一步的开发，争取科研类实验项目的数量在10项以上。

3）特色实验项目。结合专业特色开发更加接近于工程应用的实验项目，笔者结合计量、检定、校准特色，拟开发转子流量计自动检定系统实验、动态比对自动检定系统实验、钟罩自动控制系统实验等突出特色的实验，预计开发10个实验项目。

4）开放式、远程实验项目。该类实验项目重点设计符合远程实验要求的实验题目，通过网络可以方便实现操作及观测试验结果。根据以往的研究基础计划开发10多个远程实验项目，包括运动小车控制、交通灯控制、灯光控制、数码管显示控制、挖掘机控制等。

2.2 实验信息管理系统

实验信息管理系统包括WEB服务器设计、考勤系统设计、实验项目管理系统设计等内容。WEB服务器设计主要包括实验预约系统、实验内容介绍、师生交流系统等内容，利用该服务器可以进行远程实验项目。实验考勤主要实现实验的自动考勤功能，避免复杂的填表操作，该部分采用RFID技术设计自动考勤系统。实验项目管理系统主要利用数据库实现实验项目的选择、分类、实验过程管理等功能。信息管理系统可以提高实验效率，增强实验的开放性，有利于实验的过程管理。

3 创新实验实例

《基于虚拟仪器及IEC 61131-3语言的网络化电气控制实训系统设计》被列为2010年中国计量学院开放实验室课题，学生科研小组开发出可用于《可编程序控制器》、《测控系统设计》等课程的实验项目，实现了网络控制、监控功能和动画效果等，实验项目界面之一如图2所示，能够每年对相关专业学生开放160人次，并在核心期刊上发表实验类教学改革论文1篇。

4 改革实践的成果

近4年来，面向本科生，课题组围绕专业实验教学体系开展了大量教学研究工作，承担了浙江省教育厅计划项目、浙江省新世纪高等教育教学改革项目、中国计量学院高教研究课题等多项教学研究课题；为《实验室研究与探索》、《实验技术与管理》、《高校实验室工作研究》等实验室类期刊输送了十余篇实验类教学改革论文，撰写针对教育类期刊的教改论文2篇；开发出适合测控专业的创新类实验项目50项；已结题浙江省大学生科技创新活动计划项目6项、目前正承担着1项，已结题浙江省科技创新项目1项，已结题学校开放实验室项目8项；学生实践作品（一部分已应用于实际工程中，另外一部分直接用于教学环节）获学校设计竞赛一等奖1项、三等奖1项；申报成功校重点建设课程《自动检测系列实验》项目1项，校重点建设教材《IEC61131-3语言实训教程》1部；设计完成了创新实验平台的信息管理系统，该实验创新平台完善后可以在相关学校及相关专业进行推广应用。

中国计量学院与测控技术与仪器专业相近的专业有：机械设计制造及其自动化、机电工程、自动化、电气自动化，这4个专业每年招收24个教学班，近一千名学生，该实验教学平台推广后，受益面将非常广。

5 结束语

通过近四年的改革探索与实践，明显感觉到学生的实践动手能力、创新设计能力、学习兴趣等方面都取得了很大的成效，同时对实践教学体系改革、实验设备更新升级等方面也产生了许多积极的影响。在取得成绩的同时，也感觉到了肩上任务的艰巨，作为教师有责任继续努力。

参考文献

[1]刘国存.大学生科技创新能力培养存在的问题及原因探究[J].河南教育（高校版），2007，（9）：12-13.

[2]李实.培养具有创新精神与实践能力的高素质人才[J].理工高教研究，2007，26（4）：47-48.

[3]郑炳年.在实践教学中培养大学生创新能力的探索与实践[J].科技资讯，2008，（21）：145.

[4]陈丽娜.综合性设计性实验和大学生创新实验项目相结合的研究[J].商丘师范学院学报，2011，27（3）：126-128.

[5]石长虹，胡将军，刘慧龙.课内课外、校内校外相结合，建立创新学习和自主学习的模式[J].科教文汇，2011，（上旬刊）：77.

[6]姜晶，赵阿勐.实验室开放与大学生创新能力相结合[J].实验室研究与探索，2010，29（7）：201-203.