满足学生个性化发展需求的实验教学研究与课程建设

葛亚明，苗志怀，薛 睿，宋金华，王彬彬，纪 纬

（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）

0 引言

当前科技的发展，给高校提出了高水平建设的要求；学生的个性化发展需求，给高等教育提出了个性化教学的改革。建设满足学生个性化学习需求的实验课程，充分调动学生实验积极性，鼓励创新、个性化思维融入实验中，正确与否都在实验中检验，用实验结果提出问题、分析问题，用理论支撑实验去解决问题，强调实验是检验理论、探索未知的最佳途径。很多高校都在加强加大实验环节的教学学时和教学任务，力求将理论付诸于实践［1-15］。

充分利用实验室设备，不断改进、改良实验设备，不断研究开发具有研究性的实验项目，从竞赛、当前研究热点中提炼实验项目，从科研项目中提炼科创探索实验项目，融会贯通各学科知识内容，有针对性地提高学生专注于某一方面的研究能力，引导学生深入一个领域的研究，并在该研究道路上走得很远。让学生在实验中寻找到“为什么要做这个实验”“做这个实验的用处是什么”“哪些实验能作为我延伸学习的基础”此类问题的答案。

为满足学生个性化需求角度出发，以实验设备为中心，结合案例，探讨实验教学视频共享资源的建设方法，进而延伸实验设备应用，建设个性化创新实验课程和企业创新实验课程以及建立创新类实验课程教学效果检验的评价方法。

1 实验教学视频共享资源建设

实验教学围绕设备开展，学生首先关注的是如何使用设备，使用中遇到的问题如何解决，实验任务如何在设备上实现，因此，专注设备的实验教学资源建设尤为重要。以设备为主角从单设备使用方法、多设备联合开发、综合性实验项目等几个方面展开实验教学视频资源建设。将制作的视频资源课件发布到MOOC平台。根据学生学习遇到的问题，不断更新、完善课件内容。此外，配套各类说明手册、使用攻略以及常见问题解答指南等。

1.1 单设备使用方法

例1 基础仪器设备的使用。针对大一学生提出任务，完成一个自制直流电动机驱动电路的测试，需要用到直流电源、任意波形发生器、示波器等基础仪器，使用基础仪器给系统提供具有一定功率的电源、占空比可调节的方波、测试经驱动电路输出的波形。对于大一学生来说，几乎都没有使用过这3 种设备，对使用中出现的问题及分析方法更是无从着手，因此，在课件资源建设中，首先给出3 种仪器设备的操作使用讲解视频，再对使用过程中的现象进行分析，让学生学会根据测试波形分析实验现象。例如，使用直流电源时，当显示的电压比设置的电压低很多，说明外接电路有短路现象；当显示的电流为零，说明外接电路有断路现象，要立即停止供电检查电路。

例2 专业设备的使用。针对大三学生的控制课程，使用直线电动机一级倒立摆设备。大三学生，经过两年的各类基础实验课程的训练，软硬件的上手能力已经很好，因此，在课程资源准备中，除了设备的操作使用方法讲解外，还应加入如何使用不同的算法去控制系统，不同算法在系统上实施的可行性，产生的实验效果分析。例如，用状态控制方法设计参数，使倒立摆系统达到稳定状态。倒立摆系统有位置、速度和加速度3 个状态，可选择的控制方法有状态1～3 控制，经实验验证，系统只有在状态3 控制算法下，受到外界干扰时，能自动调节到稳定状态，而在使用状态1、2 控制时，系统会在一定范围内达到临界的准稳定，也就是在稳定位置有一定幅度的波动，所以，必须要先将直线电动机摆放到中间位置，以备有足够的调节距离，另外，在扶起摆杆的时候，动作要慢，待摆杆稳定后才放开手，这样，系统更容易找到稳定点。根据各种实验现象，再让学生去反推理论的状态反馈参数，反复实验，逐步加深对理论知识的理解。

对于工科的学生来说，课程大纲中除了C 语言，几乎没有触及其他的软件，实验课程中使用到的软件，均需学生自学，建设的共享资源，能够弥补这一点。由于资源是以实现一个完整的实验项目为导向去讲解软件的操作与使用，将使用该设备的软件架构描述清清楚楚，清晰标注需要学生编写的软件代码部分，提示调试中出现的错误如何应对，让学生通过这样的资源全程学习，可以应对实验任务，并能有效地掌握软硬件知识。

例3 ROS 移动机器人控制的软件资源建设。ROS（Robot Operating System）是机器人操作系统的简称，是用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构，在Linux系统下使用，学生首先需要熟悉Linux系统，再熟悉ROS，这一类的学习资源在B站上有一些经典的资料，可以提供给学生自学。以移动机器人的建图导航为实验案例进行资源建设，首先测试底盘串口、雷达、摄像头等硬件。以笔记本电脑为主控制器和操作台，让笔记本电脑通过USB 串口方式找到这些硬件，并使用笔记本电脑分别测试移动机器人底盘运动及数据、雷达数据、摄像头数据，以此了解移动机器人各个硬件组成部分是否正常；接下来，利用键盘或遥控手柄控制移动机器人在实验场地运动，对场地进行地图构建，这部分让学生了解使用激光雷达建图的方法，熟悉软件关键代码的架构；最后，使用Rviz软件打开建好的地图，找到移动机器人在实验场地的确切位置，给定目标点让机器人运动，此部分内容让学生了解避障、路径规划的关键代码，指导学生可以在哪里修改代码，使用自己的优化算法去规划机器人运动路径。学生熟知这一过程后，会有一个整体的概念，捕捉到涉及的知识点后，再根据需求去寻找更为具体的知识点进行补充。

1.2 综合性实验项目开发

开发综合性实验项目就是抛开以某一门课程的实验需求为目的来使用设备，而是以设备能做哪些实验，能应用到哪一知识领域为目的来开发设备，提高设备利用率吸引学生接触设备，使用设备。

以直流伺服系统设备实验项目开发为例，分别开发了力矩环模式下和速度环模式下的时域分析、根轨迹分析、频率特性分析、PID校正、根轨迹校正、频域法校正、状态反馈控制等实验项目；从系统分析角度开发了不同转动惯量下PID 参数的调整、干扰对位置环和速度环的影响、系统的建模与分析等实验项目，其中，力矩环实验迎合了机械专业的需求，速度环实验满足了自动化专业的需求，系统分析实验给系统建模与仿真课程提供了可行性，可对系统进行辨识与建模。

1.3 多设备联合开发

为了寻求设备使用或开发的多样性，探索多种设备之间的综合交叉使用渠道，在实验过程中，充分利用实验室设备，将设备的功能开发到极致，为学生的课题研究、大作业等实践环节提供一种思路和方法。

以dSPACE公司的数据采集与控制设备的应用开发为例，开发了XY 平台、埃夫特机器人、四旋翼飞行仿真系统。XY平台和埃夫特机器人属于运动控制范畴，运动轨迹规划、速度规划在算法上可以通用，四旋翼飞行仿真系统使用的电动机及驱动机构与XY平台和埃夫特机器人类似，从电动机控制方法上可以相互借鉴。另外，数据采集与控制设备被称为是一种万能的控制器，开发不同的设备，只需解决接口以及算法设计问题，免去了学习不同专用软件所花费的冗长时间。

1.4 探索类研究课题开发

教学的目的就是为了应用，学生在以后的工作岗位或研究领域，能够用到实验教学中的相关内容，是实验教学的最高目标。因此，在实验教学资源建设中，开发一些研究性的实验项目，为学生提供一种使用实验设备进行科学研究的思路。

以动态捕捉系统设备开发使用为例，该系统用于捕获任何可运动的物体的位姿，获得角度和位置信息，多用于无人机、机器人、无人车等运动物体姿态的捕捉。动态捕捉系统可以作为其他系统的位置传感器，如调试无人机，抛开视觉传感器，利用动捕获的位姿信息，实时控制无人机的飞行，动捕系统会记录此次飞行过程的数据信息；通过解算动捕记录的数据信息，抛开动捕系统，使用摄像头作为反馈，控制无人机的飞行，通过调节PID参数，使无人机的飞行准确性达到与动捕系统的位姿相吻合。做了一个无人机投放物品到行进中的车上的研究案例，用到的实验室设备有动捕系统、无人机、移动机器人，无人机的位姿数据由动捕系统实时提供，电脑实时解算该数据，并控制移动机器人运行，无人机追踪移动机器人进行投放物品。

2 个性化创新实验课建设

创新实验课是为满足学生个性化需求开展的一门可修创新学分的课程，课程建设的内容要区别于课内实验，面向有自主研究能力、有精力深度学习的学生，选课不限制学生的专业。创新实验课课题大都来源于各个专业方向的研究热点，或者是从教师科研项目中提炼的子任务以及从各类竞赛中凝练的高于竞赛研究深度的课题。

创新实验课的开展，给本科生提供了一条通往创新的探索之路，教师提供方向指引、研究思路、研究方法以及必要的设备和耗材，与学生定期开展小组讨论，共同解决遇到的问题，推动学生获得一定的高于本专业大纲要求的技能。课程的内容随着一届一届学生发现的问题以及学生的感兴趣点，逐步更新和完善。

以无人驾驶智能车设计与控制创新实验课建设为例［16］，课程最初以智能车竞赛为切入点，并融入当前无人驾驶汽车控制的研究热点，构建了无人驾驶车机械结构设计、ROS 软件的开发、交通环境识别、避障、车辆编队控制5 个实验子模块。车模机械结构设计采用阿克曼、全向轮结构、差速轮结构，机械结构设计得好坏决定了控制效果的优劣，在学生选课面试环节，有意识让学生软硬件偏好的互补搭配成立研究小组，各有专攻；ROS 软件的开发，是需要全体学生掌握的内容，以授课和实验相结合的方式进行；交通环境识别和避障，学生可二选一，以课题研究形式进行。交通环境识别，以摄像头为主要传感器去识别车道线、红绿灯、路边标识物等；避障，以激光雷达为主要传感器去构建地图，规划路径，避开障碍；车辆编队控制，作为全体选课学生配合完成的项目，车辆间交互信息或车辆间相互协助，完成规定的队形或指定的任务。

选定ROS 移动机器人作为课程的前期学习基础研究设备，使用该设备，学生不仅可以了解硬件基本架构，还可以熟悉ROS下各类传感器消息的获取与信息处理、信息发布等。学生在熟悉了这些硬件、软件的基础后，开始自行研制机械结构，自制车模，再将软件移植到新制车模上反复调试，最后达到课程的预期目标。此外，利用动态捕捉系统获取数据，可方便完成车辆编队的控制。

课程选课采用面试方式，我校很多专业，在大一年级就开设动手实践课程以及大一立项，经历这样的实践训练，会有一批学生脱颖出来，他们对此类创新实验课程需求最大，选此类课程的人数也比较多。但创新实验课是小众化的授课方式，建议选课人数不超过设备的配备数，能够保证1 人1 台设备，确保每个人都能完整地做完课程要求的任务。

3 校企合作式企业创新实验课建设

实践教学与企业相结合，能无缝地将企业的需求与教学内容相贴合，让学生懂得学有何用，学该如何用，以应用促进实践教学的发展，推动学生实践成果的产出，理论与实践相结合，在实践中深化理论教学内容，激发学生学习理论的热情和兴趣。

企业创新实验课是以企业工程师主讲、实验教师辅助的创新实验课程，该课程的教学大纲、教案、讲课资料、教学日历均由负责该课程协调的实验教师协助完成，再经学校审核及对企业主讲工程师的试讲评定后，方可开出此课程。此类课程建设的目的是与企业深度接触，让学生所学更接近未来的工作应用，更重要的是填补学生授课大纲之外的、使用又很频繁的知识，而这些知识适合以一个硬件平台为基础去展开学习。

以机器人创新综合实践企业创新实验课的建设为例，课程以智能物流分拣为应用背景，提炼出6 个实验项目进行授课——基于激光雷达的SLAM 算法及实践、基于激光雷达的路径规划算法及实践、基于MoveIt！的机械臂编程以及定点物体抓取、使用python构建神经网络模型、基于卷积神经网络的印刷体识别、模拟物流分拣。这些授课内容在学生的教学大纲中是没有的，但是这些方法是当前控制移动机器人使用最为广泛的方法，也是行之有效的方法。设备采用企业提供的移动机器人作为底盘，加装学校现有的三自由度机械臂。

课程建设过程中，授课内容、授课学时、讲解环节与实践环节的时间分配、授课的方式方法、考核评价标准是非常关键的部分，需要与企业讲师不断沟通，细化教学文件，反复试讲，寻找到一种最为适合的方案，并预测学生在学习过程中会遇到的问题，做出预案，以备授课时应对。这一环节需要实验教师专门对接，协助反复修改教学材料。授课过程中，实验教师全程跟踪，辅助授课，对于讲授过程中学生难以理解和掌握的内容，会做出相应的教学方式、方法上的调整。此外，企业讲师在课后答疑环节也很重要，及时给学生答疑解惑，让实践环节能顺利地进行。

4 实验效果检验的评价方法

创新实验课注重的是实践环节，目的是让学生会用设备的同时，能完成教师布置的小任务及大作业任务，因此，评价重点包含几个环节：课内小任务考核、大作业中期考核、大作业期末考核、答辩环节及研究报告。

课内小任务考核，为了让授课内容比较集中，采取全天授课方式，上午集中讲解，下午布置小任务，让学生自行完成，并当场记录成绩，此部分占30%。

大作业考核，大作业是在授课结束之后布置的综合性任务，考查学生对课程整体的理解与应用情况，分中期和期末两次进行考核，占比40%。学生在完成大作业期间，教师根据学生需求安排多次答疑，以促进学生的完成度。

答辩环节是考查学生对课程整体认识度和理解度的重要一环，学生在表述过程中，重点关注逻辑思维、对知识理解的深度、对遇到问题的解决方法、对课程的评价以及对课程延伸拓展的期望等，并按照这些方面分项打分，占比15%。

研究报告占比15%。要求学生以发表文章的格式去撰写研究报告，旨在锻炼学生的写作能力，并学会将自己学到的知识转变成知识成果，训练富有严谨性、科研性的思维。

5 结语

目前，已经在MOOC 平台上建设了一门综合性的课程——自动化专业实验课程综合，将自动化专业实验涉及的设备使用方法、可开发的实验项目、应用案例等以视频形式共享给学生，要求学生课前预习一遍相关视频，节省了授课时的讲解时间，同时，更提高了学生对设备的使用效率和熟悉程度。创新实验课和企业创新实验课的开展，满足了学生个体化需求，促进了一部分学生积极投入竞赛、科研、各类立项等工作中，同时，这些学生也带动了一部分未参加此类课程的学生加入到创新学习中。