智能科学与技术专业开放性实验教学的改革

赵 勇

(西安邮电大学 自动化学院，陕西 西安 710121)

智能科学与技术专业开放性实验教学的改革

赵 勇

(西安邮电大学 自动化学院，陕西 西安 710121)

重点介绍在开放性实验项目内容设置、实验开展方式、实验过程管理等方面的改革举措。通过设置层次化和模块化的实验内容、实施多元化的实验开展模式、强化实验教学过程的科学管理等改革措施，进一步提升了学生参与开放性实验的积极性和主动性，增强了学生的科学实验素质和综合创新能力。

智能科学与技术；开放性实验；教学改革

智能科学与技术专业是一个新兴的交叉学科，主要培养具有智能理论和智能应用技术的本科人才，重在教授学生获取信息和提炼知识的方法，训练学生具备应用所学知识解决实际问题的能力[1]。作为一个面向高科技前沿的年轻专业，智能科学与技术专业的很多特色课程都带有较浓的研究性质，实践环节存在验证型实验内容较多，综合型实验内容和设计型实验内容相对较少，实验教学过多地依赖理论教学等问题，从而导致学生参与实践环节的积极性不高。针对这一现象，目前很多高校教学改革的重点和热点之一就是实践教学的改革，以提升学生的实践动手能力和创新能力，其中设置开放性实验普遍被认为是一种切实可行的方案[2]。

开放性实验教学是一种新兴的教学方式[3]。1979年，黄嘉豫[4]首次在国内提出了开放性实验的概念，教育部本科教学水平评估指标体系中已经将开放性实验列为重要观测点之一，反映了其在高校人才培养中的重要性[5]。在开放性实验实施过程中，指导教师不再是实验的主导者，而是实验的引导者、实验方法与内容的把关者和过程的管理者。开放性实验通过转换实验主体实现创新能力培养，在高等学校实践教学体系中已经确立了重要地位[6-8]。

1 实验内容的系统化整合以及模块化设计

结合智能科学与技术专业的特点，构建了以学科竞赛为导引，以机器人技术为主线，以机械结构组建、传感器信息采集、驱动电路搭建和控制算法设计为主要内容的开放实验教学体系。具体是考虑人、信息、机器和环境等信息社会的构成要素，将具有感知能力、运动能力和思维能力的智能机器人作为智能科学与技术专业开放性实验的研究载体。面向智能科学与技术专业学生开展的《移动机器人设计与制作》系列开放性实验以年度为单位滚动开放。

经过几年的实践，《移动机器人设计与制作》系列开放性实验，以机器人相关学科竞赛的部分内容为基础，积累和总结了一批面向不同年级、不同基础学生的层次化和模块化的开放性实验项目。对于大二学生，由于其专业基础知识比较欠缺，针对性地开设了较为简单的轮式循迹机器人和轮式避障机器人等入门级的实验项目，实验项目的内容主要包括51单片机的基础开发实验、电机驱动实验(包括直流电机驱动、步进电机驱动和舵机驱动等)、传感器实验(包括红外传感器、光电传感器等)以及机器人装配调试实验等，重点培养学生在实验习惯养成、基础电路设计及程序设计等方面的能力，为参加下一阶段的开放性实验打好基础。而对于大三、大四等高年级学生，实验项目的内容则以算法设计及编程实验为主，如基于双目视觉的移动机械臂目标追踪与定位，以及四自由度机械手的目标抓取等，着重培养学生的综合实验能力和创新意识。具体开放性实验内容体系如表1所示。

表1 《移动机器人设计与制作》开放性实验内容体系

2 实验室开放模式的层次化

高校实验室是高校教育和科研的技术支撑体系，是创新活力的源头[9-10]。开放性实验教学以实验室的开放为依托，实验室免费向学生开放，并在开放性实验项目基金的支持下为学生免费提供实验耗材和主要元器件。学生可以选择不同的开放实验室进行相关文献查询、实验方案的设计以及实验作品的调试与制作，最终完成选做的开放性实验项目。实验室根据学生所选开放性实验项目的性质和自身的条件，采用适当的开放模式，达到预期的开放性实验教学效果。

自动化学院智能科学与技术实验中心下设专业基础实验室和学生科技创新实验室。针对不同年级、不同基础的学生，采用了层次化的实验室开放模式。专业基础实验室主要面向低年级学生开设基础性的开放性实验项目(如循迹机器人和避障机器人等)，采用部分开放的模式，即在某一特定时间段内向学生开放，实行师生二级管理的实验室管理方式[11]。具体是在满足教学计划内的实验课安排后，将实验室可接受的开放时间进行统计公示，学生根据公示时间预约进入实验室。学生科技创新实验室采用完全开放的模式，学生自主管理为主，教师管理为辅，主要面向高年级学生开设综合创新性的开放性实验项目(如舞蹈机器人和移动机械臂等)。实验室所有设备对学生完全开放，学生可根据自己的时间进入实验室，独立完成自己选定的开放性实验项目。

3 实验过程管理的科学化

3.1 加强开放性实验的宣传工作，强化开放性实验学生的入口管理

首先，加强开放性实验的宣传工作，如在校园醒目的位置张贴海报或横幅宣传开放实验；其次，充分利用低年级同学认识实习、参观实验室的机会向其宣讲开放性实验在本专业课外实践教学中的重要意义；再次，充分发挥实验室兴趣小组的学生对其同班同年级同学以及低年级学生的引领作用，激发其参加课外实践活动的热情，力争有更多的学生能够加入到开放性实验中来，进一步扩大开放性实验在学生中的受益面。另外，有意向参加开放性实验的学生，必须提交开放性实验申请表，申请表的内容一般包括申请人的自我介绍、申请参加开发性实验的原因以及每周的拟出勤时间等内容；申请表由指导教师和实验室负责人审批后，学生方可进入实验室。

3.2 重视开放性实验的过程监控

在开放性实验的开始阶段，由于大部分学生已经习惯了以教师为主导的传统课堂教学模式，学习的主动性较差；而另外一方面，开放性实验又不同于传统的实验教学，需要给于学生更大的自由发挥空间。因此，采取 “节点式”过程监控措施，充分发挥指导教师的引导和监督作用是非常必要的。智能科学与技术实验中心在开放性实验的开展过程中，要求学生每周向指导老师提交本周开放性实验进展情况报告，该报告亦作为学生开放性实验最终成绩考核的重要组成部分；指导教师需要认真批阅并提出具体指导意见或建议，以书面或口头方式传达给学生。通过这种方式，可进一步引导和督促学生顺利完成开放性实验的预定任务。

3.3 完善开放性实验学生实验成果的考核机制

在开放性实验的实施过程中，学生通常是以小组为单位进行实验，每组3-4人，每个小组应该在开放性实验结束时提交实验作品和实验报告，并制作PPT进行现场答辩。答辩评委由3个在开放性实验过程中表现突出的学生和1位指导教师组成。答辩评委根据答辩者在开放性实验过程中的平时表现、每周实验进展情况报告、实验作品调试效果、实验报告质量和答辩情况等进行综合评定，给出最终成绩，其中学生评委和教师评委给定的成绩各占50%的权重。在对学生实验作品调试效果的考核方面，我们遵循了既定性又定量的考核原则。所谓定性考核是指学生的实验作品是否达到了实验项目的基本要求，如轮式循迹机器人是否能够在特定的场地条件下实现循迹；定量考核是指在实验作品满足基本要求的前提下，重点对其性能指标的考核，如轮式循迹机器人在特定场地条件下完成循迹的最短时间，即同时考核了实验作品的稳定性和快速性指标。考核结果合格的学生，可为其计入相应的课外创新学分。另外，考核结果也可作为选拔学生参加相关学科竞赛的重要参考依据。

4 结语

开放性实验教学改革是一项复杂的系统工程，涉及到实验教学内容、实验教学开展方式、实验教学过程管理等诸多方面。以智能科学与技术专业开放性实验教学为例，通过设置层次化和模块化的实验内容、实施多元化的实验开展模式、强化实验教学过程的科学管理等改革措施，进一步提升了学生参与开放性实验的积极性和主动性，增强了学生的科学实验素质和综合创新能力。近几年来，智能科学与技术专业学生在机器人大赛、“挑战杯”竞赛、智能车竞赛等学科竞赛中屡获佳绩，其中国家级奖项5项，省级奖项13项。在今后的教学实践过程中，我们将进一步总结经验和教训，积极推进智能科学与技术专业开放性实验教学的改革与创新。

[1] 刘丽珍，王函石，刘杰,等.智能科学与技术专业学科发展与核心课程群建设的研究[J].计算机教育,2014(19):70-73.

[2] 龙春光,陈友良,艾楚君,等.基于开放性实验与大学生创新计划的创新人才培养[J].中国科教创新导刊,2012(20):33-34.

[3] 俞远志,张立庆,傅晓航.开放性实验教学模式的实践与思考[J].实验室研究与探索,2012,31(3):153-155.

[4] 黄嘉豫.对理工科大学物理实验课改革的建议[J].西安交通大学学报,1979(2)：133-141.

[5] 温龙岚,岑玲.地方本科院校开放实验教学存在的问题与对策[J].教育探索,2014(7)：64-65.

[6] 韩响玲,金一粟,穆克朗,等.以实践创新能力培养为核心全面推进实验室面向本科生开放[J].实验技术与管理，2013,30(2):10-11.

[7] 郑家茂,熊宏齐,潘晓卉.构建开放创新实验教学体系推动学生自主学习[J].中国高等教育，2009(5):39-41．

[8] 成琼，鲁嘉华，张燕.构建创新实验项目开放式运行模式的实践探索[J].实验室研究与探索,2012，31(7):138-140.

[9] 曾锐，徐朝军.开放实验室管理理念及实现[J].实验室研究与探索,2002，21(3): 108-109+112．

[10] 褚晓锐,钱波.基于应用能力培养的工科开放实验教学管理研究[J].高校实验室工作研究,2010(4):42-44.

[11] 李勇峰,尹雄,黄娟,等.基于师生二级管理的实验室开放模式建设[J].实验室研究与探索,2014,33(4):237-239.

[责任编辑、校对：梁春燕]

Reform and Practice of Opening Experiment Teaching for Intelligent Science and Technology Specialty

ZHAOYong

(School of Automation, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China)

With a view to the characteristic of opening experiment teaching reform for intelligent science and technology specialty of Xi'an University of Posts and Telecommunications, the paper focuses on the content setting, how the experiment is conducted and experiment process management.Practice shows that the hierarchical and modular experiment content, different experiment modes and scientific management of experiment process can stimulate student's enthusiasm and initiative to take participate in the opening experiment, and enhance students' ability of scientific experiment and comprehensive innovation ability.

intelligent science and technology; opening experiment; teaching reform

2015-02-13

西安邮电大学教学改革项目(JGB201321)

赵勇(1979-)，男，陕西周至人，高级工程师，从事智能机器人、智能控制等方面的研究。

G642.0

A

1008-9233(2015)03-0090-03