自动化专业本科生实验课程群建设

张 婷

(北京理工大学 自动化学院,北京 100081)

“教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见”指出各高等学校要坚持立德树人,围绕学生忙起来、教师强起来、管理严起来、效果实起来,深化本科教育教学改革,培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人,全面提高课程建设质量[1]。

传统的实验教学依托于实验器材进行教学,存在着实验室资源有限、不利于器材维护与增加运行成本等诸多不足之处[2]。

北京理工大学自动化专业为落实“以学生为中心,学生学习与发展成效驱动”的教育理念,开展自动化本科专业本科生培养方案修订工作,研究建设高水平的实验教学课程群,优化公共实验课、专业基础实验课和专业实验课比例结构,加强实验课程体系整体设计,提高课程建设规划性、系统性,避免实验项目的随意性、碎片化。

1 原有实验教学课程设置

目前的实验教学课程体系主要有课内实验、综合课程设计、创新性实验三种形式。

课内实验由于课时少,碎片化教学完全依赖理论课程进度,不能充分发挥实验功能,其大多是验证性实验,不能激发学生的学习兴趣和探索精神。

课程设计要求学生自主选型、设计、调试和测试,完成综合性的系统实验。课程设计在培养学生工程设计能力中起到了积极作用,但是综合系统实验中很多课程内容重复,例如多门课程设计中,都需要进行电机数学建模、PID参数调整和检测传感器参数设置,重复教学降低了学生学习积极性[3-4]。

创新性实验内容更新换代速度很快,但受实验室资源限制,很多实验条件很难满足学生自主学习需求,创新性实验也并非适合所有学生[5]。

2 自动化实验课程群建设思路

课程群构建是世界范围内课程建设的发展趋势,是在课程领域研究的新方向,各高校在课程改革方面已经意识到实践教学课程群建设的重要性[6-7]。从2019年起,北京理工大学自动化专业教学指导委员会重新梳理实验课程体系,建立了实验课程群,将原有的独立实验课程相融合,去除重复内容,增加挑战性学习,取得了良好的效果。

2.1 建设目标

突出围绕以学生为中心,培养学生解决工程复杂问题能力、创新创业意识、品学兼优的素质为宗旨,打破学科壁垒,按照先进性、工程性、实践性、综合性和系统性为原则整体设计,融入课程思政,遵循实验教学理念,通过进行课程群的建设和研究,构建高水平、跨专业、超学科的实验课程体系。

2.2 建设内容

1) 打破实验课程仅为课程服务的传统思想,建设综合性实验

学科交叉融合,引入以解决复杂工程问题能力培养为目标的教学理念,研究现有培养方案各个课内实验的相关性,听取企业专家、责任教授、大学生对实验教学的需求,取消课内实验,建设综合性实验。自动化专业将检测、控制、执行各个功能模块集中建设为一个综合实验,使学生能够从局部到全局、从部件到系统、从经典到现代全面掌握实验精髓。

2) 校企协同,对接产业,引入企业真实项目

通过真实项目案例的训练,全面提升学生的创新能力,增加项目管理、环境保护和工程伦理等环节拓展,培养学生精益求精的大国工匠精神,激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

3) 资源共享,开发线上、线下、混合实验方式

实施“线上+线下”混合式的教学模式,以翻转课堂满足多样化学习需求,线上线下“两线”全过程良性互动,构建“以学生为主体、教师为主导”开放型课程群。

2.3 建设方案

依托“控制科学与工程”双一流学科建设,坚持“以一流为目标、以学科为基础、以学生为中心”的基本原则,每学期设置1门核心实验课程群,强化专业素质,让学生学得精、学得深,自觉自主学习,大幅度提高专业素质和实践能力,实验课程群一览表如图1所示。

第1、2学期:通识实验课程群。该课程群采用生动的案例,列举自动化技术革新在支撑国民经济发展的重要学科和国家科技现代化的案例,激发学生对自动化专业的认识和热爱。课程群与大学生创新计划相结合,鼓励学生提出新的设想,通过方案设计和推演,了解项目实践中需要的专业技术和管理,做中学、学中做,提高学生实践动手能力。课程引入自动化工程伦理和项目管理技术,提高学生职业精神和管理能力。

第3学期:智能检测实验课程群。通过对光电、超声波、音频等32种传感器的认识和了解,增加学生探求智能检测领域的敏感度。课程平台采用智能机器人,从了解机器人的感觉和触觉传感器出发,深入理解自动化控制系统对传感器检测的技术要求。

第4学期:智能控制器实验课程群。以典型的控制器为例学习控制器原理和应用。实验平台为单片机、PLC(逻辑控制编程器)和DSP等多种,学生根据不同的项目选择控制器型号,并比对各种控制器的特点。课程中介绍我国控制器研制过程中遇到的瓶颈问题,涉及化学技术、光学技术和物理技术等基础学科。

第5学期:控制原理与驱动实验课程群。结合电力电子驱动器、控制原理和控制器、执行电机等搭建自动控制系统,以项目为牵引,解决一个真实的控制系统案例,增强善于解决问题的实践能力。例如:原有的课程体系中,“微机原理”“电力电子技术”“电机学”“检测技术实验”各有8学时的课内实验,经过课程整合,将4门实验课程相关技术融合到一项综合实验,综合实验有搬运机器人、冬奥训练机器、无人机等项目。

第6、7学期:以项目为牵引的综合性实验。引入真实的工程项目、科研项目,学生以小组形式进行方案设计、平台设计和搭建、算法设计和调试,通过现场测试和答辩,最终完成一个项目工作。

2.4 平台建设

实验平台面向企业、面向国家,汲取国际优秀实验资源,引入前沿科技。以实验课程群的形式研究制定公共平台,建设电动、液动、气动控制系统,实现计算机控制、远程控制的综合性实验平台,涵盖经典和现代的控制手段,实验台面向学生教师开放共享,提高学生自觉自主学习的能力和钻研精神[8-9]。

为每位学生提供专属实验平台,以便他们培养独立钻研精神,开发潜能,培养拔尖创新意识。学生在大二入学后,可在实验室选择一个实验装备,保留至大四上学期结束。

实验基础平台分为机器人、无人车、无人机等。机器人平台有各种类型人形机器人、车型机器人、机械臂、自主设计机器人等,无人车包含电动、液动、气动驱动四轮、三轮和两轮车,无人机包含旋翼机、固定翼、仿生类型。如图2所示为部分机器人平台实验装置,可拆卸、可二次开发,每年实验平台推陈出新,不断完善扩充。

图2 机器人平台实验装置

实验综合平台包含电动、液动、气动综合实验台(如图3所示),培养学生解决复杂工程问题的能力,每个综合实验平台都包含着检测、驱动、控制等各个功能,根据实验的需求设计了上位机监控、虚拟仿真与远程控制等,学生在实践工程中增强了对现代企业管理的认识和安全意识。

图3 电动、液动、气动综合平台

2.5 教师队伍建设

打破原有1门课程由1～2位教师主讲的授课形式,采用课程群形式,根据实验内容、培养目标进行教师人员配置。实施课程讲授或指导时,理论任课教师参与实验指导并定期参与实验内容研讨。

培养一批高素质的有工程背景和工程项目的实验教师队伍,积极引进企业、科技人员作为兼职教师,参与课程建设和平台建设研究。

引进高水平的博士研究生作为实验教学助理,有效利用开放平台进行指导;吸收高年级的本科学生作为实验助管员,提高学生自主自觉建设实验室意识,鼓励学生对实验课程、实验平台提出建议。

3 结语

通过建设实验课程群,促进了实验资源整合,提高了实验平台利用率,避免了实验教学内容的重复率,实验课程不再相互独立,专业知识交叉融合,解决了多年来课时多、学习效率低的问题。对2019级自动化专业160余位学生的调研表明,实践课程具有很高的挑战性,激发了学生自主学习的积极性。课程群的建设也迅速提高了实验教师水平,企业、科研专家、理论教师和实验教师在教学方法、实验平台建设方面相互交流,形成了实验教学规范发展和持续改进的良性循环。虽然实验课程群的建设和实践取得了阶段性成果,但是还存在实验教师队伍人员数量少、综合性实验教材少、课程群管理机制的完善等诸多问题,需要进一步研究和探索。