面向测控技术与仪器应用型人才培养的实践教学环节建设研究

李公法 周兴林 陶 波 王 涛 杨 丹 赵梓辰

（[1]武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室 湖北·武汉 430081；[2]武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室 湖北·武汉 430081；[3]武汉科技大学机械国家级实验教学示范中心 湖北·武汉 430081）

在十九大报告中，习总书记提出“优先发展教育事业，加快一流大学和一流学科建设，实现高等教育内涵式发展”，同年，新工科研究与实践项目正式启动。在这一背景下，由学科导向过渡到产业需求导向，这种转变更是测控技术与仪器专业需要实现的。按照新工科的建设要求，测控技术与仪器专业在培养学生时，应突出学生能力的培养，将能力培养作为学生专业学习的目标。近年来，本科生人数不断增加，为了保证本科生的培养质量，培养高层次的创新型应用人才是我国高校当前的重要任务，对本科生的培养环节设计应该与时俱进，不仅仅着眼于学科要求，提升综合实力，培养实践创新力才能更好地适应时代发展的要求。本文将以测控技术与仪器专业研究人才培养为背景，从实践教学环节存在的问题、差异化多维一体化的完成创新平台建设和改革成效三个方面进行探讨。

1 实践教学环节的现状

近年来，随着国家“工业4.0”和“中国制造2025”等重大举措的实施和推进，更加需要加快创新应用型测控技术与仪器的人才培养。测量、控制和仪器仪表是实现中国制造业数字化、网络化和智能化的关键所在。在长期的教学经验积累的基础上，我校机械自动化学院于2016年开设测控技术与仪器专业，培养适应我国智能发展需求和富有创新能力的应用型人才。然而，随着人工智能、大数据等新一代信息技术的飞速发展，传统的培养过程往往不尽人意，所以亟须在培养模式方面实行全方位差异化培养，在满足不同时期和不同阶段的教育需求下，建设多维一体化的实践创新平台。

1.1 学科交叉不够深入

本科教育阶段更加注重专业知识的学习与科研能力的培养，因此出现了专业知识扎实，但知识面不够广泛的情况，传承式的教育方法使得学生缺乏创新力，相对较窄的知识面导致了学生的思维局限性，由于受学科边界的限制,科学研究时会受限于某一理论和相关方法，创新思维很难得到系统提高。目前，学科的发展趋势是各学科交叉渗透，多学科融合发展。在本科阶段，要围绕培养需求进行放射式延伸学习，从而拓宽知识面，有效开展实践创新。

1.2 实践教学模式不够丰富

在测控技术与仪器专业中，实验教学模块大都是验证性实验，以各自课程为主，各个课程之间的理论联系情况极差，实验课程之间的联系更是没有综合化。这种单一的验证性实验，虽然可以训练学生动手能力和巩固相关的理论知识，但是从长远的角度考虑，这种片面的方案，不利于学生构建系统的、完整的知识框架，对其创新能力的培养也是微乎其微。

传统的验证型实践环节过度依赖于理论课程，为了满足实验操作的准确性与规范性，在实验内容的设计上，往往有着完整且过于详细的实验步骤，教师进行演示，学生进行模仿，学生即使不加思考也可以大致达到实验目的，这样很容易导致学生的思维“同一化”。与此同时，单一的教学模式，不仅限制了对学生自主学习和创新能力的培养，学生的综合素质能力也得不到锻炼与提高。

1.3 实验平台搭建不够综合化

对测控技术与仪器专业的学生来说，实践创新能力是不可或缺的，同时也是培养目标之一。因此，搭建信息化、网络化和智能化的综合性实践创新平台十分重要。测控技术与仪器专业是一个多学科融合交叉的专业，实验项目集光、机、电、算为一体，学生如果在没有经过虚拟仿真操作情况下直接进行实践，很容易操作失误，导致设备损毁，严重还可能造成人身伤害。同时这一因素还会使学生有所顾虑，不敢大胆的动手尝试，这将大幅度限制了实践创新能力的培养。

2 差异化多维一体化的实践创新平台建设

针对上述问题，基于我校的冶金特色和智能制造对测控的需求，培养测控技术与仪器专业学生的“卓越”素质，机械自动化学院建立了差异化多维一体化的实践创新平台（见图1）。

图1：差异化多维一体化的实践创新平台建设

2.1 提出明确阶段规划

2.1.1 实践方向清晰化

在不同阶段，需要将知识问题实例化，将相关知识与实际问题充分融合，尽可能使其情景化，因为同一问题在不同环境下，表现也会有所不同。在实践教学环节的安排上，要以整合优质教育资源为目的；高校应着重考虑学生的兴趣方向，设计与之相匹配的实践环节。学生可以参与教师的实际课题，借此提高查找学术资料、提炼科学问题并提出解决方法的科研实践能力。

与此同时，在实践教学环节可以引入3D打印技术，得益于3D技术的快速呈现优势，实践者的方案可以及时得到具体反馈，正因如此，学生也更愿意去尝试制定个性化方案，进而营造更加良好的教学氛围。与此同时，在建模期间会有一定的材料消耗，这一因素对学生绿色思维的培养也会有一定的提高。

2.1.2 校企结合，多学科交叉实践

跨学科实践创新与解决实际问题是21世纪重要的学习能力。一个学科往往与多个学科发生联系。目前的研究队伍大多数是在行政体系的约束下建立的，不同学科的研究课题有时也会密切相关，但是由于所属不同行政院系，在交流上难免会有不便，这对于科学技术的发展十分不利。因此，课题组的成员需要不同专业，在科研实践中，团队成员合作交流，在已有的知识储备上，通过这种方式，学习新的知识。

与此同时，应该加强校企之间的合作，为学生提供贴合实际和前沿的实践机会，例如面对企业课题，不同阶段的学生可以相互结合，明确分工，解决企业面临的问题和挑战，使所学知识得到更好的实践。

2.2 差异化多维实践教学

2.2.1 全方位培养差异化

以优化人才培养体系为目标，在理论知识传授与实践教学环节中，融入差异多维的培养理念。针对学生的兴趣程度和个人职业规划的不同，进行差异化多维一体的实践教学；为满足不同学生的培养目标，授课教师应以社会需求为引线，面对不同的项目，采用偏向理论知识或工程应用的方法解决问题。将项目需求贯穿于理论和实践的教学应用中，使学生实现由被动接受到主动探索的转变。

与此同时，积极开展实践教学，增加研究性实验所占的比例，尽可能减少老师的示范工作，锻炼学生的自主性和创造能力，促进实践教学与科研实践的更好结合。针对所学的某一知识，进行自主思考，并结合实验室设备独立设计实验，可以将其作为检验学生动手能力的指标，同时还可以更好地帮助学生理解基础知识，掌握基本实验技能。通过建设科研实验室，不但使学生的动手能力、分析和解决问题的能力得到了大幅提高，还是进行实践创新探索的重要途径。

2.2.2 充分利用科研竞赛

测控技术与仪器专业和工程实践有着紧密的联系，对于学生来说，由于比赛涉及范围广泛，各种要求与标准各不相同，因此能够更为全面的提升自己的实践能力。除技术专长外，业界还要求毕业生具备广泛的专业技能，包括沟通、团队合作、领导才能和创新能力。面对不同的赛题，既锻炼了创新能力，又可以凭借比赛来夯实相关的专业理论知识，提高团队协作能力，积累丰富的比赛经验，锤炼科研功底。学生可以在比赛中发现不足，使科研实践能力得到有效的提高。

在实践教学中，应高度关注所采取的教学行为，考虑是否能促进学生主动参与。考虑到一些学生担心自身能力不足，对比赛望而却步的现象，为满足学生多样化的学习要求，将比赛纳入相关课程，由教师将比赛内容进行充分理解，并从中筛选、简化出符合基础学生的内容，让学生以小组为单位进行讨论，开展实践设计，从而增加专业的趣味性，引发学生的思考，在这一过程中还可以锻炼学生的科研实践和撰写材料的能力。

2.3 实践环节虚实综合化

信息技术如此发达的今天，如果不使用信息和通信技术，这是对资源的浪费。近几年，本着“虚实结合、相得益彰”的原则，虚拟仿真技术已被多所高校应用到理论实践教学中。机械自动化学院具备良好的行业合作基础和完备的软硬件条件，我院目前拥有国家级机械实验教学示范中心，冶金装备及其控制教育部重点实验室，机械传动与制造工程实验室，湖北高校省级示范实习实训基地、博士后创新实践基地，能够为平台的开展提供充足的保障。

2.3.1 开展智能测控虚拟仿真实验

考虑到实际实验的多种限制，为保证实践教学与学生安全，设计开展虚拟仿真实验，可以实现实验者与虚拟实验环境的可视交互，帮助学生进一步理解复杂的科学问题，同时为教师提供一个全新的智能实验教学平台，使人才培养模式更加网络化、差异化、科学化。例如在减速器的设计上，学生先是进行理论计算，然后依照装配的流程，依次将计算出的参数输入到NX软件中，借助软件，学生可以将得到的数据很快的实例化，通过这一虚拟交互环节，大大提高了学生的学习兴趣，在实践教学上也可事半功倍。

在疫情期间，为了满足实践教学要求，同时解决实验条件不足的问题，采取开展虚拟仿真实验的方法，进行“云实验”，借用人机交互等方法模拟实验场景，可以达到实验多样化，同时也具备很好的可控性。

2.3.2 开放科研实验室

由于课堂时间有限，积极性高和基础好的学生，在完成课内实验后，很难有机会进行自主实验。所以在满足正常实验教学的基础上，开放科研实验室是很有必要的。同时结合互联网搭建实验室网络预约系统，鼓励学生跨学科自主选题进行研究，学生可在实验前通过平台预习、进行虚拟仿真，并预约实验室进行自主实验。

在虚拟实验过程中，教师与学生可以进行线上的互动指导，实验结束后，指导教师可以根据学生的实验操作过程和学习态度进行打分，同时学生也可以对教师的指导方法进行评价，以实现对实验教学的反馈修正。

3 教学成效

调查结果表明，建设此实践创新环节的举措是行之有效的。学生在学习上的主动性得到了增强，对相关知识的理解也更加的透彻，几乎每一名同学都可以找到适合自己的学习实践模式。通过自主设计实验，学生有机会验证自己的想法，由被动接受开始向主动学习转变。我院学生获国家级、省级大学生创新创业训练计划项目14项，在中国大学生起重机创意大赛、美国数学建模大赛、亚太区数学建模大赛等省级及以上科技竞赛中成绩突出。发表论文30多篇，专利的质量也有了显著提高，获得授权发明专利20多项。

与此同时，实践环节实现系统化，对学生工程素养的提升有了很大的帮助。实验由简入繁，由基础到综合，循序渐进，不仅实际动手能力得到了锻炼，学生的思维创新能力也有了很大的提高。在不同阶段下，差异化多维一体实践创新平台的建设，让每一名学生都能得到更好的培养，使其在毕业时具备更好的综合素质，更具竞争力。

4 结束语

本文以测控技术与仪器专业为背景，针对本科生教育阶段的培养需求，提出了基于不同研究领域和阶段，以培养创新型应用人才需求为目标的实践创新环节。通过建设科研实验室，形成科研与教学相互作用和转换的良性循环，同时鼓励学生自主选题，实现差异化教学，提高大学生整体实践水平，使优质的教育资源得到整合，人才培养体系得到进一步优化。教学实践表明，这一差异化多维一体实践创新平台的建设，更好地促进了本专业人才的培养，主要体现在学术科研和科技竞赛上，获批专利和比赛获奖人数有着显著提高，工程实践能力、创新能力和团队协作精神都得到了很好的锻炼。通过建设研究实践教学环节，实现应用型人才培养，满足产业需求导向的需要。