新工科背景下自动化专业课程实验教学体系构建与实践

吴家荣，廖义奎，马伏花，韦峻峰，王擎宇

（广西民族大学 电子信息学院，广西南宁 530006）

为适应新工科背景对人才培养的需求，具有扎实理论知识基础、较强动手实践能力、敢于创新的高端综合型人才是未来人才的培养目标[1-4]。实验教学作为工科专业的必修环节，是培养学生实践能力及创新能力的重要方式之一，其与理论教学相比具有更丰富的内容、更鲜明的直观性和更加突出的创新性及综合运用性，对培养全面建设社会主义现代化国家的高端创新型人才具有现实意义[5-6]。

自动化专业作为工科主要专业之一，在工程应用领域发挥着重要作用[7-8]。学生不仅要对自动化专业理论知识进行深入学习，更要进行相应的实验研究[9]。然而，传统实验教学随着高校课程的改革、课时的缩减等因素，导致难以提升教学质量[10-11]。随着教育教学改革的不断深化，如何优化实验教学方式，改进实验授课内容，从而进一步培养学生的综合实践能力及激发学生的创新意识，是高校推进自动化专业课程实验教学体系改革的重要研究方向[12-14]。

1 存在问题的原因

针对以上问题，教师在实验教学过程中不断对授课学生进行调查分析及评价总结。经过多年的实验教学发现：学生虽然学习了很多自动化课程知识，同时也在实验室完成了很多相对应的课程实验，但在各种竞赛、课程设计、研习周、毕业论文设计等知识综合应用环节中，所呈现出来的知识综合实践能力和创新意识还是有所欠缺，其原因主要有以下几方面。

1.1 重理论轻实践

实验教学模式“以知识为本位”，强调以教材为中心、以教师为中心、以课堂为中心。教学过程以原理知识为主，应用技术少有提及，课堂上注重基础知识的教学，忽略对学生综合运用知识能力的培养。部分教师将实验课当成理论课，大量讲解教材知识、实验目的及实验注意事项，过多占据学生动手实验的时间。学生对实验原理、实验过程等环节均未深入理解，难以激发学生的创新意识。

1.2 实验教学方式不合理

传统的实验教学大量使用实验箱，其开发能力较弱，仅能完成一些简单的验证性实验，学生对于每个实验课程的具体实现方法、设计原理了解较少。有些学校每个学年均开设研习周，其中包含实验课程的实物制作环节，但由于学生平时实践能力较弱，缺乏经验，导致实验调试时经常出现元件损坏或电路板烧坏等情形。为了避免这种情况的发生，有些教师以实验箱代替进行相关实验内容的验证，这种实验教学方式不利于培养学生的动手能力和综合运用知识的能力。

1.3 知识综合应用受限

自动化专业的课程实验往往与某一门理论课程相对应，如自动控制原理实验、现代控制理论实验等，这些实验课程的内容通常仅与之相对应的理论课程相关。学生进行简单的验证性实验，仅能实现原理性、概念性、理论性的实验验证。学生虽然在操作过程中能学到一些该课程的理论知识，却难以与其他课程相关联。此外，教师在实验教学过程中很少就某个实验内容及与之相关联的其他课程知识进行过多讲解，导致学生的知识综合应用存在很大的局限性。

鉴于以上情况，基于广西民族大学对自动化专业课程的定位及新工科对人才培养的总体要求，构建一套“课内实验—课外实验”阶梯式实验教学体系，对现有的自动化专业课程实验教学进行改革与实践，旨在增强学生自主学习意识、培养其创新精神、提高其实践能力，形成一套适合教师教学与学生学习的有机整体。

2 实验教学新体系构建

2.1 课内实验

课内实验以巩固基础理论知识和提升实践动手能力为目标，将课内实验分为基础性实验和验证性实验两个培养层次，不同层次采用不同的教学内容和实践方式。

2.1.1 基础性实验

在基础性实验层次中，将仿真软件引入自动化专业课程实验教学，将抽象知识模块化、系统化、直观化，激发学生主动学习、自我提高的动力，促使学生转变被动学习状况，培养学生的创新能力。通过设计和实现仿真实验，如直流变换器控制系统的仿真等，以达到对概念性、理论性实验的理解，这也是验证性实验的基础阶段。

在以上直流变换器控制系统的仿真实验中，教师首先为学生讲解直流变换器的工作原理，让学生学会建立直流变换器的数学模型及分析控制系统的性能。仿真实验内容包括直流变换器控制系统的输入输出波形观测、参数变化对控制系统性能的影响等。教师指导学生在仿真软件上搭建直流变换器的控制系统模型，要求学生自行选择合适的电路参数和控制参数进行仿真验证。同时，教师要记录学生在仿真过程中所遇到的疑点和难点。对于学生共同存在的问题，教师组织学生通过分组讨论的形式对相关问题进行探讨，必要时及时集中解答，对于个别问题可采用一对一答疑的方式进行解决。

2.1.2 验证性实验

验证性实验是基础性实验的递进。本层次实验主要是让学生自主制作出一个实际的直流变换器控制系统，并加以验证。根据以上基础性实验建立的仿真系统，要求学生搭建相对应的实验平台，研制直流变换器控制系统的原理样机。通过验证性实验，加强学生的动手实践能力及激发学生将理论应用于实际的学习兴趣，为学生进入下一层次实验的学习奠定良好基础。

在以上实际直流变换器控制系统制作中，要求学生根据自己的设计方案列出电路元器件，并自行查阅元器件资料，了解电路元器件的结构及功能。此外，要求学生对控制系统使用的电路元器件进行选型及分析，尽量让学生独立完成直流变换器原理样机的成品，达到提升学生实践动手能力的目的。最后，通过测试、调试完成直流变换器控制系统的制作并分析处理所得的实验数据。

2.2 课外实验

课外实验以培养学生的综合实践能力和创新能力为目标，以科技类竞赛为主、以科研项目为辅。课外实验分为综合性实验和创新性实验两个培养层次，进一步培养学生的综合知识应用能力和创新意识。

2.2.1 综合性实验

参加科技类竞赛是培养学生综合知识应用能力的重要途径，可以激发学生的创新思维和实践能力，为培养创新型人才奠定良好基础。科技作品的制作与实现往往涉及多门课程的知识。教师鼓励学生参加 “挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国电子设计大赛、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛等科技类比赛，旨在培养学生将专业所学知识应用于实践的能力，发挥学生综合运用知识解决实际问题的能力。

在综合性实验中，教师首先需要和学生商定作品的选题，进而要求学生利用课外时间查阅相关资料和制定实施方案，并在教师的指导下进行作品的创作。在学生创作过程中，教师和学生要及时沟通，对于学生反馈的难题，教师需及时作答，并修改或更换实施方案。此外，在竞赛时间外，教师需对实验题目进行不定期更新，便于学生平时训练，进一步提升学生综合应用知识的能力。

2.2.2 创新性实验

学生参与教师的科研项目研究，是培养创新能力的有效方式。学生通过参与教师科研课题进行一定的科研基础训练，能有效激发科研创新兴趣，加快创新意识的形成。对于加入教师科研项目并在实施中取得一定科研成果的学生，教师要加以奖励，从而激发学生的钻研热情及营造鼓励更多学生参与课题的良好氛围。

在实验中，教师向学生公布科研课题的研究方向，学生则以个人或团队的形式加入，师生双方均具有双向选择的权利。教师需对加入的学生进行培养，引导学生对参与课题的目标、意义、重点和难度有一个较为清晰的认识，进而通过指导学生如何获取期刊文献及学术成果资料、如何撰写学术论文等方式提高学生的科研能力。学生则以教师的科研课题为契机，独立或共同完成科研课题中的部分工作，如实验数据处理与分析、学术论文撰写与优化等。

以上各个实验层次在实施过程中均注重学生对实验效果的评价，教师通过问卷调查、面对面交流等方式了解学生对整个实验过程中知识与能力的把握程度，经常检验教学的实施效果，及时总结经验，进一步完善实验教学内容与实施方案。

3 结束语

基于新工科背景，对自动化专业课程构建了一套“课内实验—课外实验”递进式实验教学体系。在广西民族大学2019、2020 级自动化专业进行实验教学，实践表明：与前几届自动化专业学生相比，所构建的实验教学体系能使学生对自动化专业课程的学习兴趣有所提升，参加科技类竞赛的获奖成绩有所突破，发表学术论文的学生数量有所增加，有效提高了学生的综合实践能力和创新能力。