实验教学内容体系化及分级化教学模式研究

葛亚明， 李 军

(1. 哈尔滨工业大学(深圳) 实验与创新实践教育中心， 广东 深圳 518055;2. 中山大学 智能工程学院， 广东 深圳 518055)

0 引 言

实验教学是培养大学生实践能力的重要环节，也是对理论知识深化理解的关键部分。我校实验与创新实践教育中心，由深圳市政府大力支持建设，从建立初期就秉承“功夫到家”校训和满足深圳特区对专业人才的需求，确立高水准、特色鲜明的实践教学模式。自动化专业是机电工程和自动化学院核心专业，包括自动控制原理等专业基础课程和运动控制等专业实验教学内容。以自动化专业实践教学和实验室建设为契机，从实验课程群角度，对自动化专业所有实验内容进行体系化建设与规划，充分体现系统性、层次性与合理性，避免不同课程之间实验内容的重复，并保留课程自己的特色。

近年来，很多高校提出了对本专业实践教学模式的改革[1-13]，如“四位一体”的实践教学体系，提出了课程实验、计算机仿真设计、课程设计、课外科技创新活动“四位一体”的实践教学体系的构想；集知识应用、能力培养和素质铸造“三元一体化”新型实验教学模式，任务驱动型实验教学模式，多元协同学习实验教学模式，能力培养和团队协作的考核模式等。

本文以自动化专业实验教学为研究对象，改革实验实践教学模式，将以老师为主的教学模式，转向以学生自由发挥、自主创新为主，教师引导思路、解决疑问为辅的方式，调动学生的积极主动创新能动性，实现贴切企业实际所需的实践教学。提出免做升级式的教学模式，旨在让学生以一种类似竞技的方式积极主动地对待实验课，而不是被动地按部就班地照搬照做。考核方式采用多元化模式，不再以结论定分，也不仅限于实验报告方式的结果提交，从多角度评价实验效果。演示性实验、验证性实验、基础类的实验，不再占用更多的实验课内时间，留有足够的时间让学生自由发挥，也是促进学生主观能动性的重要举措。

1 构建自动化专业实践教学体系

构建系统、合理的自动化专业实验教学体系，避免专业课程之间实验内容的重复性，并做到内容的承接和延续。自动化专业的实验室建设分基础类和专业类两大类实验室。基础类实验室以自动控制原理和自动控制实践为核心课程，开设自动控制原理、现代控制理论、自动控制元件、控制系统设计、计算机控制、系统建模与仿真等实验内容。在这些理论为基础背景，分运动控制方向、过程控制方向以及智能感知与控制3个方向展开具体的专业实践教学，课程体系如图1所示。实验课程内容从基础到专业，有效区分和设置各门课程的实验内容，做到真正意义上的方向性划分。不同方向的实验课程的开设，分别使用各自的实验室，做到专设专用。

自动化专业的实践课程包括基础课程实验、专业课程实验、创新训练课、课程设计、毕业设计，其中创新训练课分别安排在大一和大二的夏季学期，学生在修完公共基础的课程之后(还未开始上专业课)，开始接触专业的动手实践，利用这两个训练时段，以感知、认知、实践、理解、反理解的方式循序渐进地设置实践环节内容，为大三的专业基础课的学习和实践打下基础，更为后续的“免做升级式”教学模式的开展做铺垫。大三的专业基础课以自动控制理论和自动控制实践课程为主，这是自动化专业最为重要也是最基础的课程，实验环节以验证性、综合性和设计性逐步开展，认知控制系统构成、熟悉系统的控制方法、宏观设计系统、精细调节系统，步步加深的设计实验项目内容。后续的专业课分为过程控制方向、运动控制方向和智能感知与控制方向，实验项目的设置以每个方向的当前社会发展动向为导向，贴合实际应用，充分展开对系统的分析、设计、控制。课程设计题目的设置也要分方向进行，让学生充分了解自己所选方向的研究内容，为将来的毕业设计课题做准备。

图1 自动化专业实验课程体系

图2所示为实践教学关系图，实践教学的两大主体分别是人和物，人包括教师和学生，物是指设备，服务于课程内容，而课程内容要成立一个课程体系。一切都围绕课程来展开，课程产出的结果包括成绩以及创新团队。因此研究的重点，应放在课程内容与实验设置的合理性，从实验类型角度，结合专业课程大纲的设置体系，理清各门课程之间的关联、知识的承接性、递进性。

图2 实践教学关系图

2 分级化、兴趣化的实践教学模式

分级化、兴趣化的实验教学模式，不仅因材(学生动手能力)施教、合理规划实验项目内容难度，而且引入学习“兴趣因子”，从而有效提高学生学习效率和教学质量。该教学模式按实验内容分级、实验项目免做、学生分级3个方面实施。

2.1 实验内容分级

实验内容由浅入深，由验证到综合，由综合到设计，由基础到创新，阶梯式分级推进，促进学生创作的积极性，有种升级游戏的激发模式，触发学生的竞争意识，挑战意识，作为引起学生兴趣的因子，积极的对待实践教学环节。

实验内容分级是从专业知识运用的综合性、研究手法的创新性角度去界定级别，指导书中给出的所有验证性和部分综合性实验作为最基础的级别，并将这部分内容使用的实验设备、实验原理、实验方法及实验分析要点等以文字、视频、动画等形式放在智慧实验室系统中，学生可以进行预习、试做，并将结果发布在系统中，申请教师审核。通过基础级别测试的同学，可以申请做更高一级别的实验内容。学生也可以在智慧实验室系统中申请使用实验室，自主做实验，实验过程可以录像，作为考核级别的判定材料。

实验内容的分级以过程控制系统为例具体说明。大纲规定的实验项目有：系统模型建立、PID控制以及参数整定、前馈反馈控制3个实验。第1个实验项目是对系统的认知与辨识，确定系统的类型，作为基础的第1级；第2个实验是使用自动控理论知识展开对系统的控制，作为验证理论和实践控制方法的第1级；前馈反馈控制控制的变量有2个，执行机构也有2个，控制难度加大，可以作为综合实验的第2级。再开发大纲以外的综合类和设计类的实验项目，作为第3和第4级，分别是：解耦控制系统设计(综合类，自主选择2个互相制约的变量设计系统并实现控制)，使用集散控制系统和现场总线仪表实现流量、压力串级控制(设计类，涉及的专业内容包括集散控制、现场总线)。

2.2 实验项目免做

通过当前级别的测试者，可升级实验难度，这也是激发学生实践积极性的兴趣因子，有种任务感和成就感。免做的模式能够促进学生学习的积极性，不仅限于实验课时内的学习时间，更能有效利用课下课余时间自由、自主完成基础类实验，提高实验积极性和实验效率、实验质量。根据教学大纲合理制定免做的实验项目内容，重点以验证性实验免做为主，及时跟进免做的学习效果。通过这样的教学模式，争取做到所有课程的验证性实验不再占用课内教学时间，重点开发和研究综合性和设计性实验项目。

以自动控制原理课程为例，校正装置的模拟实验、对象频率特性的测试均为验证性的、同一级别的实验项目，这2个实验项目学生可以通过智慧实验室系统自主了解实验设备，申请自主进入实验室做实验，然后提交实验结果分析报告，经教师审核通过了，即可不再跟班统一修该实验内容。

免修的另一种情况是：学生在大一的创新训练课实践中，掌握了不同深度、不同层次的专业知识，根据实践效果，给学生的实践能力打分，判断该学生哪些实验可以免修(从入学开始，记录所有学生的实践内容及教师评价，作为个人实践档案资料，载入智慧实验室系统，该资料作为免修资格判冲条件之一)。

2.3 学生分级

将学生按动手能力强弱分级指导，这样既可以强化训练动手能力弱的学生，又可以让动手能力强的学生提高自己的效率，按需教学。

动手能力强弱分化是实验教学中的常态，产生的原因因专业不同而各有不同，如：对新的仪器设备有种无从下手的畏惧感，对动手操作和实践没有信心，理论与现实的结合之间有一个莫名的屏障，或根本就没有兴趣操作的也大有人在，对于种种约束实践教学的因素，产生了学生之间的分级。

分类别、分侧重点培养学生的动手实践，给学生创造适当的机会和条件进入实验室学习，缩小学生之间动手能力的差异性。通过以下的方式激发学生实践的兴趣和积极性：从大一新生开始，就施行导师制，让学生一进入校园，就了解并适当参与到导师研究的课题，提早进入实践模式；在理论教学的过程中，留有一定的疑问点，需要学生在实践中获得答案；通过分组的方式完成小项目、小课题，充分发挥各自所长，互相带动。

对于动手能力弱的学生采取2种方式培训授课：① 实验教师专门指导(工作时间，实验教师可以保证工作时间内全天开放实验室[14-15]，学生可以提出申请，对做得不好的实验可以反复重做)；② 助教辅助指导(工作以外的时间，学生自由选择)，做到专人专项培训，解决学生自身个例问题。这样对应的考核方式是：根据重复做的次数，分数每次按80%递减。考虑到差异化对学生会产生的心理影响，考核的标准和重点还是放在最初的大纲规定内容上，对于动手能力强的同学，根据难度的级别，分数按实验基础分+难度级别系数与基础分之积计算。

3 多元化考核模式

服务于分级化、兴趣化教学模式的多元化考核模式的研究，能够更合理、更准确、更方便地考核学生的实际能力，为学校创新团队选拔人才提供参考数据。切实分析各类实验考核模式，对实验过程评价、教师团队评价、学生自我评价等评价模式，逐项列表试用，细化评价点，多渠道验证考核模式的可行性。校区实验中心的成立，给学科之间的互动、交叉学习提供了无比优越的实践场所，新的教师团队的建设和学生创新团队的建设势在必行，新的教学模式、考核模式的实施将会促进实践教学的高效运行。

针对不同的教学模式，制定不同的考核方式。传统的实验评分一般以预习、实验过程表现、实验结果、实验报告4部分来综合打分，这样的打分方式对于常规化的、教学指定的实验环节依然适用，对于升级的实验项目，拟采取实验过程评价、实验结果(效果)、先进性或创新性或实用性、教师团队评价(涉及到跨专业的实验项目，拟请相关专业教学参评)、学生自我评价(作为加分点)、学生互评等评价模式，为学生的实验成绩综合打分。每个环节的评定标准作为重点研究内容，依据每个实验项目的具体情况或有不同。

在分级化教学模式中提到了学生从大一开始就建立实践教学档案，对学生的实践环节做记录，记录结果可用于考核、免修的参考，类似于一种积分积累的模式。充分利用智慧实验室管理系统[16]，做到一人一账户，登录账户后，所有涉及到该人身份的信息都将显示在主页上，学生能够看到自己的积分级别，以及和自己实践学习相关的其他事项，比如实验课表，优先要完成的预习内容，教师给的评价及实验考核成绩，可选择的实验项目内容、级别、教学资源，获得审批的实验室利用资格等。

4 学生创新队伍的建设

学生创新队伍的建设，能够促进学生之间的交流与合作，让实验室变成实实在在的实践教学基地。创新这个词，一直存在各高校的实验实践教学中，各高校都在倡导各类创新活动，力求挖掘学生自主动手、自主学习、创新求知的精神。各类规模的竞赛比比皆是，也是一种促进创新实践的手段。文章提出的创新队伍建设，意义不仅限于此。旨在让学生将实验室作为自己实践的学习场所，让学生的想法能够付诸于实际，而实验室不仅能提供所学专业知识范围内的物资、设备条件，更要创造“意外的、溢出的”条件，用“廉价的”物资付出，开发出“有益的、高质的”实验实践项目。创新队伍的建设本着“创造源于生活，更要付诸实践于生活”的原则，创造出“高大上”的亮点。

学生创新队伍建设，成立实践学习小组，对其专门培训，以学生带动学生的方法扩大学生创新队伍，一届带动一届，成果届届相传。这种学生创新队伍的建设，重在培养学生动手实践的积极性，利用现有的实验设备和实验器材，实现各种小想法、小课题、小项目，乃至更深一步的大想法、大课题、大项目。

从大一新生开始，就执行导师制，学生零基础了解教师研究的课题，介入真正的科研之中。比如使用开源Arduino开发板设计机器人巡线小车，利用3学时就可以教会学生基础的编程及接线，接下来就是学生自主设计与调试，这样的训练题目将在大一的夏季学期创新训练课中得到深化，根据学生的表现情况，慕选创新队伍成员，并逐步扩大范围。也就是说，从大一开始，就建立创新队伍，循序渐进地加强对学生的实践能力培养。

5 结 语

结合我校新建校区集中建设实验中心的特点，研究了自动化专业实践教学内容的体系化、教学模式的分级化和兴趣化、考核模式的多元化，从新的角度提出了学生创新队伍的建设思想，并有效结合学校的智慧化校园建设项目，充分利用智慧实验室系统，让学生在系统中完成实验的预习、实验项目的申请、实验室项目的预考核等，充分利用学生的自由时间。专业指导教师起到应有的实践指导作用，有效引导学生自主创新实践。将实验室变成真正的实践教学基地，培养大学生的创新实践能力；教学资源得到有效利用，教师团队、学生团队各尽所职。教师提出设计要求，启发思路，检查重点，点拨难点，学生自主设计，独立思考，创新思维，个性发挥。