“新工科”背景下以自制教仪服务于实验教学的探讨与实践

2018-10-11李鸿儒吴传平

实验技术与管理 2018年9期

关键词：新工科工科实验教学

鲍艳, 李鸿儒, 张羽, 吴传平

(东北大学信息科学与工程学院, 辽宁沈阳 110819)

党中央、国务院于2015年作出了建设世界一流大学和一流学科的重大战略决策,明确指出高等学校“着力培养具有历史使命感和社会责任心,富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才”的“双一流”建设任务[1-3]。

2017年在复旦大学召开的一场关于综合型高校工程教育发展的战略研讨会,立足于高校工科教育,通过对新兴产业和新经济需要的剖析,解释和厘清了工科专业在高素质工程实践创新人才培养中应起到的作用和具体任务,为高校工科专业发展改革指明了方向[4]。

高校各专业教学实验室是大学生接触工程实践教育最初期、最基础性的实践平台,实验教学工作者必须主动思考实验室建设、实验平台的建设应采取哪些持续的、必要的改革举措,才能不断适应工程实践人才培养的需要[5]。

1 新工科背景下实验教学改革方向

本科生专业实验教学是大学生参与度最高的普适型实践教育平台,学生参与专业实验课程学习过程中的体验和收获,对其未来专业实践创新能力的发展具有关键的启发和导向作用。在“新工科”背景下,如何将工程教育改革在专业实验教学中做深、做实,使高校实践教学成为高素质复合型“新工科”人才培养最稳固的基础,是值得和必须探讨的重要课题。

实验教学仪器设备是开展实验教学的硬件基础。实验教学仪器设备的性能优劣,对学生实践创新能力培养具有举足轻重的影响[6]。可以认为,一所高校在教学实验室方面的建设,尤其是教学仪器设备的购置和使用方面的建设情况,直接影响其实践教学育人的效果。

依托控制科学与工程一流学科优势,东北大学国家级电子实验教学示范中心在本科实验教学建设与改革中,探索出一条以自主开发设计实验教学仪器设备(以下简称自制教仪)促进专业实验教学体系建设,服务于实践教学育人的可行之路。多年来积累了丰富的建设经验,取得了宝贵的建设成果。

2 高校实验教学现状问题分析

高校工科专业本科教学实验室的建设,第一步就是实验平台的建设。结合作者多年来参与校内实验室建设的经验,发现目前国内高等院校在本科教学实验教学仪器的建设上存在不少共性的问题,严重制约了“新工科”发展步伐,主要体现在以下几个方面。

(1) 被动选择教学仪器,开放性和灵活性不足。教师在选择实验教学设备时,一贯的做法是调研国内外教学仪器设备厂家,参考厂家提供的产品目录选择相对适合的设备。在使用购置的产品开展实验教学时,实验内容通常来自设备说明书提供的实验例程,设备的功能和开放性有限,完全对口于课程实践要求的仪器和实验内容并不多[7-8]；对于一些专业性、综合性非常强的实验课程,也经常出现实验与理论教学内容契合度不足的问题。

(2) 不同仪器关联度低,课程之间协调性差。同一专业不同课程专业理论相通,如果这些课程在可能情况下使用同样的实验仪器设备,实验内容上更容易做到理论性连续、知识点互补。根据自动化专业实验教学经验,学生在同一平台上完成多门专业课实验时,能更好地理解控制系统在不同课程、不同角度的研究分析重点和意义,更容易建立起系统性的专业认识；而基于不同实验平台进行实验操作,学生更难理解课程相关于控制理论的研究意义。随着年级升高,专业理论综合性越来越强,这一现象愈加明显。

(3) 反复学习仪器使用,计划内教学效率低。学习实验仪器设备的基本操作方法、对实验控制对象进行参数辨识、基础特性验证,是开展控制理论实验研究必需的基础工作。在有限的实验学时和次数之内,学生每接触一门新的实验课,不得不利用1～2次实验课进行基础实验。基础性重复性的操作耗费时间和精力,特殊或复杂的深层次实验内容却受到学时的限制不易开展,成为实验教学盲区。

3 自制教仪工作建设要素和特色分析

为了从根本上解决上述问题,我校电子实验教学示范中心转变实验室建设的惯性思维,变被动为主动,鼓励教师根据课程特点设计开发实验装置,用于实验教学。自制教仪是一项系统工程,涉及需求分析、原理设计、仿真论证、硬件实现、测试、生产等一系列环节,过程漫长、难度较高,影响因素众多,必须在一定的支持条件下,才能顺利进行。以下几个方面的特色要素对自制教仪成功与否具有非常关键的推进作用。

3.1 设计需求定位精准,明确根本前提

自制教仪的建设与商家开发产品最突出的区别在于追求目标的不同：产品的生产是为了盈利,而教师开发实验装置完全出于教学的需要。自制教仪必须以教学实际需要为出发点,一切研究工作都围绕体现专业知识和培养学生实践创新能力去开展。有了明确的目标,充分论证分析必要性和可行性,方可立项建设。

3.2 开发团队技术过硬,具备必要条件

开发团队的技术水平,是自制教仪开发过程中最关键的因素。高校自制实验教仪的开发团队主力是教师。开发设计实验仪器,要求教师不但具有较高的理论水平,更要有丰富的项目开发经验和一定的管理协调能力。我校电子实验教学示范中心教师队伍由高水平高职称的专任教师和实践经验丰富的实验技术人员组成[9],在实验室建设工作中,凝聚控制科学与工程一流学科优势力量,以课程为核心,专任教师侧重把握理论高度和建设定位、专职实验教师侧重实践论证和执行,理论与实践充分结合。这一模式为教师自主设计开发实验装置提供了稳固的技术保障。

3.3 激励机制政策支持,提供环境保障

我校从绩效考核、教学改革研究成果的认定方面制定了多项针对性措施,鼓励教师在教学改革、实践创新上多做工作、多出成果,促进教师自身业务素质和实验室建设水准同步提升。学校、学院投入专项经费供教师购置实验材料用于教学研究；制定对外交流制度有计划地组织教师参加技术培训和交流；教师依托研发成果发表论文、申请专利、出版教材等辅助性成果,均予以经费支持；在教师绩效考核办法中,提高核心实验教学工作量以外的教学研究工作量认定力度[10-11]。适当的激励机制,使教师的技术优势和科研潜力被充分调动,为教师设计研发实验仪器设备提供政策保障。

3.4 启动实验教学立项,搭建有效载体

在质量工程、创新创业教育、双一流建设等大方向建设思路的指导下,学校、学院愈加注重为师生搭建各类项目建设平台,便于师生更自由地开展求真务实的教学研究活动。学校、学院定期组织开展实验、实践教学改革立项,重点支持有创意、有意义的实验装置设计改造、实验内容与模式改革方面的课题[12]。极大地调动了实验教师教学研究的积极性,借助项目经费的支持,将工作设想付诸于实际,取得丰富的研发成果。

3.5 吸引学生寓教于研,融入有效推力

教师指导学生进行实验装置仪器的研发设计工作,有助于培养学生专业实践创新能力。学生在开发、调试、应用过程中,能收获实用的工程项目经验,这是工科专业对工程型人才非常有效的一种培养途径[13]。参与研发工作能为学生发表学术论文、申请专利、完成毕业设计积累丰富的专业素材和技术经验,有经验的学生在就业时也表现出明显的技术优势。师生团队的研发成果直接应用于实验室建设,从研发到应用过程完整,科研成果有实用价值,经济成本相对低,且能更好地满足教学需要。寓教于研,是高校学生培养的根本任务与科研工作产学结合的高度体现。

4 自制教仪案例

我校电子实验教学示范中心成立之初,就提出了依托强势学科、借助中心教学专业覆盖面广的优势,自主开发研制实验装置的建设思路。中心努力为教师从事自制教仪的研发提供建设保障,对可行、必要的装置,投入充实的师资力量和经费、制度保障,充分发掘和吸引优秀学生参与到实验室建设工作中,取得了多项成功的自制教仪成果。在自制教仪平台上开展实验教学工作,逐渐进入常态化。

(1) 双腔体炉温控制系统实验装置。计算机控制和现代控制理论教学团队联合研发制作的温度控制系统实验装置,由双腔体电加热炉和控制装置组成[14]。温度控制系统分为PC机-仪表结构和PC机-插板结构两种形式,如图1所示。

图1 双腔体炉温控制系统实验装置

该装置主要应用于自动化专业高年级多门实验课程。控制算法灵活性强,在工控组态软件环境下可任意设计各种复杂控制器；硬件结构透明,适合于硬件开发设计方面的综合性实践场合。该装置采用的工控软件、传感器、数据转换卡等关键部件,均采用工业实际常见的产品,突破了简单教仪与生产实际不符,难以让学生体验真正工业技术的限制,在实验室就能把所学知识运用到与生产实际相一致的平台上。

(2) 便携式微机原理实验装置。图2所示是以微机原理相关教学团队为主要力量开发研制的便携式微机原理实验箱。该装置以单片机作为主控芯片,支持串口程序烧写,对开发设备要求低,开发效率高。外设芯片种类丰富,扩展功能强大[15]。实验箱开放性和灵活性极强,能进行与单片机设计和硬件系统搭建相关的各种实验和实践操作。

图2 便携式微机原理实验装置

除了功能集成、开放性强,该装置最大的特色还包括便携式的设计,每套实验装置封装在可手提的实验箱中,重量轻,实验操作需要的外部资源简洁(只需要上位机电脑和与之相连的数据线即可进行实验)。学生做好借用、使用记录,即可将实验箱带回去,随时随地进行实验。便携式的特点,突破实验时间和空间的诸多限制,极大地调动了学生主动实践的积极性,他们可以完全依据个人的需要进行个性化、针对性的实验练习。学生实践创新的主观能动性得到大幅提升。