自動化專業本科生實驗課程群建設

張 婷

(北京理工大學 自動化學院,北京 100081)

“教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見”指出各高等學校要堅持立德樹人,圍繞學生忙起來、教師強起來、管理嚴起來、效果實起來,深化本科教育教學改革,培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人,全面提高課程建設質量[1]。

傳統的實驗教學依托于實驗器材進行教學,存在著實驗室資源有限、不利于器材維護與增加運行成本等諸多不足之處[2]。

北京理工大學自動化專業為落實“以學生為中心,學生學習與發展成效驅動”的教育理念,開展自動化本科專業本科生培養方案修訂工作,研究建設高水平的實驗教學課程群,優化公共實驗課、專業基礎實驗課和專業實驗課比例結構,加強實驗課程體系整體設計,提高課程建設規劃性、系統性,避免實驗項目的隨意性、碎片化。

1 原有實驗教學課程設置

目前的實驗教學課程體系主要有課內實驗、綜合課程設計、創新性實驗三種形式。

課內實驗由于課時少,碎片化教學完全依賴理論課程進度,不能充分發揮實驗功能,其大多是驗證性實驗,不能激發學生的學習興趣和探索精神。

課程設計要求學生自主選型、設計、調試和測試,完成綜合性的系統實驗。課程設計在培養學生工程設計能力中起到了積極作用,但是綜合系統實驗中很多課程內容重復,例如多門課程設計中,都需要進行電機數學建模、PID參數調整和檢測傳感器參數設置,重復教學降低了學生學習積極性[3-4]。

創新性實驗內容更新換代速度很快,但受實驗室資源限制,很多實驗條件很難滿足學生自主學習需求,創新性實驗也并非適合所有學生[5]。

2 自動化實驗課程群建設思路

課程群構建是世界范圍內課程建設的發展趨勢,是在課程領域研究的新方向,各高校在課程改革方面已經意識到實踐教學課程群建設的重要性[6-7]。從2019年起,北京理工大學自動化專業教學指導委員會重新梳理實驗課程體系,建立了實驗課程群,將原有的獨立實驗課程相融合,去除重復內容,增加挑戰性學習,取得了良好的效果。

2.1 建設目標

突出圍繞以學生為中心,培養學生解決工程復雜問題能力、創新創業意識、品學兼優的素質為宗旨,打破學科壁壘,按照先進性、工程性、實踐性、綜合性和系統性為原則整體設計,融入課程思政,遵循實驗教學理念,通過進行課程群的建設和研究,構建高水平、跨專業、超學科的實驗課程體系。

2.2 建設內容

1) 打破實驗課程僅為課程服務的傳統思想,建設綜合性實驗

學科交叉融合,引入以解決復雜工程問題能力培養為目標的教學理念,研究現有培養方案各個課內實驗的相關性,聽取企業專家、責任教授、大學生對實驗教學的需求,取消課內實驗,建設綜合性實驗。自動化專業將檢測、控制、執行各個功能模塊集中建設為一個綜合實驗,使學生能夠從局部到全局、從部件到系統、從經典到現代全面掌握實驗精髓。

2) 校企協同,對接產業,引入企業真實項目

通過真實項目案例的訓練,全面提升學生的創新能力,增加項目管理、環境保護和工程倫理等環節拓展,培養學生精益求精的大國工匠精神,激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

3) 資源共享,開發線上、線下、混合實驗方式

實施“線上+線下”混合式的教學模式,以翻轉課堂滿足多樣化學習需求,線上線下“兩線”全過程良性互動,構建“以學生為主體、教師為主導”開放型課程群。

2.3 建設方案

依托“控制科學與工程”雙一流學科建設,堅持“以一流為目標、以學科為基礎、以學生為中心”的基本原則,每學期設置1門核心實驗課程群,強化專業素質,讓學生學得精、學得深,自覺自主學習,大幅度提高專業素質和實踐能力,實驗課程群一覽表如圖1所示。

第1、2學期:通識實驗課程群。該課程群采用生動的案例,列舉自動化技術革新在支撐國民經濟發展的重要學科和國家科技現代化的案例,激發學生對自動化專業的認識和熱愛。課程群與大學生創新計劃相結合,鼓勵學生提出新的設想,通過方案設計和推演,了解項目實踐中需要的專業技術和管理,做中學、學中做,提高學生實踐動手能力。課程引入自動化工程倫理和項目管理技術,提高學生職業精神和管理能力。

第3學期:智能檢測實驗課程群。通過對光電、超聲波、音頻等32種傳感器的認識和了解,增加學生探求智能檢測領域的敏感度。課程平臺采用智能機器人,從了解機器人的感覺和觸覺傳感器出發,深入理解自動化控制系統對傳感器檢測的技術要求。

第4學期:智能控制器實驗課程群。以典型的控制器為例學習控制器原理和應用。實驗平臺為單片機、PLC(邏輯控制編程器)和DSP等多種,學生根據不同的項目選擇控制器型號,并比對各種控制器的特點。課程中介紹我國控制器研制過程中遇到的瓶頸問題,涉及化學技術、光學技術和物理技術等基礎學科。

第5學期:控制原理與驅動實驗課程群。結合電力電子驅動器、控制原理和控制器、執行電機等搭建自動控制系統,以項目為牽引,解決一個真實的控制系統案例,增強善于解決問題的實踐能力。例如:原有的課程體系中,“微機原理”“電力電子技術”“電機學”“檢測技術實驗”各有8學時的課內實驗,經過課程整合,將4門實驗課程相關技術融合到一項綜合實驗,綜合實驗有搬運機器人、冬奧訓練機器、無人機等項目。

第6、7學期:以項目為牽引的綜合性實驗。引入真實的工程項目、科研項目,學生以小組形式進行方案設計、平臺設計和搭建、算法設計和調試,通過現場測試和答辯,最終完成一個項目工作。

2.4 平臺建設

實驗平臺面向企業、面向國家,汲取國際優秀實驗資源,引入前沿科技。以實驗課程群的形式研究制定公共平臺,建設電動、液動、氣動控制系統,實現計算機控制、遠程控制的綜合性實驗平臺,涵蓋經典和現代的控制手段,實驗臺面向學生教師開放共享,提高學生自覺自主學習的能力和鉆研精神[8-9]。

為每位學生提供專屬實驗平臺,以便他們培養獨立鉆研精神,開發潛能,培養拔尖創新意識。學生在大二入學后,可在實驗室選擇一個實驗裝備,保留至大四上學期結束。

實驗基礎平臺分為機器人、無人車、無人機等。機器人平臺有各種類型人形機器人、車型機器人、機械臂、自主設計機器人等,無人車包含電動、液動、氣動驅動四輪、三輪和兩輪車,無人機包含旋翼機、固定翼、仿生類型。如圖2所示為部分機器人平臺實驗裝置,可拆卸、可二次開發,每年實驗平臺推陳出新,不斷完善擴充。

圖2 機器人平臺實驗裝置

實驗綜合平臺包含電動、液動、氣動綜合實驗臺(如圖3所示),培養學生解決復雜工程問題的能力,每個綜合實驗平臺都包含著檢測、驅動、控制等各個功能,根據實驗的需求設計了上位機監控、虛擬仿真與遠程控制等,學生在實踐工程中增強了對現代企業管理的認識和安全意識。

圖3 電動、液動、氣動綜合平臺

2.5 教師隊伍建設

打破原有1門課程由1～2位教師主講的授課形式,采用課程群形式,根據實驗內容、培養目標進行教師人員配置。實施課程講授或指導時,理論任課教師參與實驗指導并定期參與實驗內容研討。

培養一批高素質的有工程背景和工程項目的實驗教師隊伍,積極引進企業、科技人員作為兼職教師,參與課程建設和平臺建設研究。

引進高水平的博士研究生作為實驗教學助理,有效利用開放平臺進行指導;吸收高年級的本科學生作為實驗助管員,提高學生自主自覺建設實驗室意識,鼓勵學生對實驗課程、實驗平臺提出建議。

3 結語

通過建設實驗課程群,促進了實驗資源整合,提高了實驗平臺利用率,避免了實驗教學內容的重復率,實驗課程不再相互獨立,專業知識交叉融合,解決了多年來課時多、學習效率低的問題。對2019級自動化專業160余位學生的調研表明,實踐課程具有很高的挑戰性,激發了學生自主學習的積極性。課程群的建設也迅速提高了實驗教師水平,企業、科研專家、理論教師和實驗教師在教學方法、實驗平臺建設方面相互交流,形成了實驗教學規范發展和持續改進的良性循環。雖然實驗課程群的建設和實踐取得了階段性成果,但是還存在實驗教師隊伍人員數量少、綜合性實驗教材少、課程群管理機制的完善等諸多問題,需要進一步研究和探索。