测控技术与仪器专业实践教学改革_唐求 (1).pdf

第 卷 第 期 年 月：测 控 技 术 与 仪 器 专 业 实 践 教 学 改 革唐 求，滕召胜，姚文轩，周朝霞，曹琳琳（湖南大学 电气与信息工程学院，长沙）摘 要：以湖南大学测控技术与仪器专业面向新工科建设进行的实践教学改革为例，通过分析高校传统实践教学模式的局限性，探索和构建新型实践教学体系，完善实践教学与训练环节，搭建实践教学与训练平台，改进实践教学模式与教学方法，训练学生的创造性思维，有效提升学生的实践能力和科学研究能力，推进专业人才创新创业能力培养进程。关键词：新工科建设；实践教学；测控技术与仪器中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：基金项目：年湖南省普通高等学校教学改革研究重点项目（）作者简介：唐 求（），女，湖南长沙人，博士，教授，主要研究方向为智能仪器、智能信息处理等。：；：通信作者：曹琳琳（），女，湖南长沙人，本科，助研，长期从事高校教务管理工作。：；：引 言“新工科”建设计划于 年正式推出，是教育部为主动应对新一轮的科技革命与产业变革，提出的推动高等工程教育改革的“中国方案”。“新工科”建设以产业需求为引导，不仅是创建一批新型工科专业，更是对传统工科专业进行升级与改造，实现多学科多专业发展相融合，强化学生实践综合能力的培养。新工科建设给传统工科专业发展带来了新的机遇与挑战，创新创业能力成为新工科人才培养的一个重要目标。实践教学是工科专业培养学生实践能力、创新意识、综合素质的主要渠道，传统的实践教学模式难以完成创新人才培养任务，为促进工程教育与新工科创新人才培养实践教学改革迫在眉睫。测控技术与仪器专业（以下简称测控专业）作为智能制造高新技术密集型综合专业，在全国 多所高校相继开设。其融合了机械、电子、控制、计算机与 第 期唐 求，等：测控技术与仪器专业实践教学改革信息技术等多学科知识为一体，涉及信息获取、信息传输、信息处理与信息利用的全过程，是典型的理论与实践紧密结合的工科专业。该专业以传感检测和仪器开发为核心，是我国产业转型升级过程中实现信息化、自动化和智能化的关键。为满足新工科人才创新创业能力培养的需求，我校测控专业针对实践教学存在的教学体系不完善、教学项目单一、教学方法不灵活等主要问题，探索了面向新工科人才培养的实践教学环节改革基本思路：构建测控专业特色实践教学体系，在测控专业实践教学培养方案、教学方法、评价体系革新的基础上，结合产学研合作、交叉学科等多方力量，通过科学实验、学科竞赛、企业实训、科研开发等各种实践环节，培养学生的科研兴趣，训练学生的创造性思维，提升学生的实践能力和科学研究能力，推进专业人才创新创业能力培养进程。测控专业实践教学体系的建设 传统实践教学模式的局限性课程体系是人才培养的关键组成部分，经过多年的改革，测控专业的课程体系比较完善，课程教学与实践教学模块设置合理，各模块学分比例符合工程教育认证标准要求，体现了测控专业特色。但在实践教学过程中侧重于传授理论知识，实践教学环节形式单一，没有形成一个完整的系统工程。传统实践教学大部分在实验室完成，以演示、验证实验为主，不利于大学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的创新能力和可持续发展能力培养，不能满足新工科高素质创新人才培养需求。如何根据测控专业培养目标与课程教学大纲，结合新工科人才培养方案与工程教育专业认证标准，并充分考虑实际实践条件、专业特色和仪器学科的产业特点，规划各门课程的理论和实践教学内容，设置各种实践环节，形成一个完整的实践教学体系成为实践教学改革的首要任务。新型实践教学体系构建根据测控专业创新人才培养计划与工程教育专业认证的要求，以培养学生工程实践能力、提升学生专业技能为目的，我校测控专业对原有的实践课程体系进行了彻底优化。在对比分析国内外 多所著名高校实践教学体系的基础上，围绕如何提高学生工程实践能力进行了充分研讨、反复论证，结合本专业特色、新工科建设、专业认证要求与创新人才培养方案，构建了包括工程训练、课程实验、课程设计、实习环节、创新性项目训练、项目、学科竞赛和毕业设计等多个环节的新型实践教学体系。根据学术发展特点，针对课程教学要求和不同年级学生知识掌握情况来开展实践教学，按照“基础知识教育 基本技能培养 设计能力训练 综合技能提升 创新成果研究”逐步实现创新人才培养。面向新工科建设的测控专业新型实践教学体系如图 所示。图 测控专业实践教学体系 测控专业的实践教学分为 个阶段，这 个阶段的实践教学对学生的培养侧重点不同，根据专业课程学习进度与要求，贯穿于整个本科学习阶段，交叉进行，由浅入深、由面向点来开展。大学低年级以第 阶段实践教学为主，大学中高年级学生主要进行第、阶段的实践学习。实践教学第 阶段主要由演示实验、基础实验、开放实验、学科前沿讲座与学科基础知识竞赛等环节组成，以基础知识、基本技能学习为主，帮助学生夯实专业基础，培养学生对实验过程的正确认识，激发学生的实践热情和探索精神；强调掌握和运用工程实践基础知识，以活跃思维、提高学生对学科专业和工程设计的兴趣为目的，为学生综合素质的养成打下坚实的基础。实践教学第 阶段主要由实习实训、综合实验、创新训练与课程设计等环节组成，以设计能力、综合能力训练为主，帮助学生深入了解和掌握专业知识，强调以动手能力、实践能力为主的专业性课程实践教学，启发学生重视设计环节、完善方案，动手、动脑和学习交流结合，提高学生创新兴趣，培养学生发现问题和解决问题的能力。实践教学第 阶段以培养学生综合知识应用能力为主，由毕业设计、项目、科研项目研究、开放创新项目和学科竞赛等环节组成，强调工程实践能力、创新思维能力和可持续发展能力的培养，引导学生将所学知识综合应用于本专业领域的实践，进一步提高学生的归纳问题、分析问题和解决问题能力，形成基础扎实、勤于思考、勇于实践的高素质人才培养实践教学环节。实践教学与训练平台的搭建 实践教学项目的设计在新型实践教学体系的建设中，测控专业广泛征集了行业和企业专家意见，不断完善实践教学与训练环节，聘请了一批高层次校外导师参与实践教学工作第 卷环节。根据不同年级学生知识结构的差异，设计了一套贯穿于整个大学 年的完整实践教学项目，从演示实验、基础实验与开放实验相结合的基础实验教学开始，循序渐进开展实训项目、课程设计、学科竞赛等一系列实践教学与训练环节。对每个实践教学项目进行修改，制订了符合创新能力培养要求的实验教学计划和教学大纲，编写了实验教材；探索实践性教学环节的新方法和新思路，完成了测控专业实验教学、课程设计、企业实习、创新训练、学科竞赛与毕业设计等实践教学环节的方案修订；制订了专业实验室建设计划和企业培养实施计划，形成了实践教学与科技创新结合、校内学习和企业学习配合的实践教学培养体系，提出并实施了在 年学习中持续强化实践教学、带动学生实践能力、创新能力逐步大幅提升的教学理念。与此同时，测控专业在课程教学体系中拓宽学科基础、夯实专业基础、加强多专业融合，以工程实践作为导向进行理论知识点的渗透和穿插，安排专业前沿讲座，增加课程思政、工程伦理、环保与可持续发展以及创新设计实践等有关内容，构成一个完整的课程教学与实践教学体系。使实践课程教学既相对独立、又与理论课程教学相互统一，将理论知识和实践能力贯穿起来，变重理论传授为理论知识、实践技能、创新意识并重，变学校独立培养为校企联合培养，全面提升学生自主学习能力、创新能力和组织协调能力。校内外实践教学基地的完善传统的以实验课程为主的实践教学授课过多、动手太少，实验功能单一且封闭，学生接触不到实际工业过程，难以掌握本专业最新科技动态。为了达到新工科人才培养目标与工程教育专业认证标准，让学生能够学到真正的专业知识和技能，紧密联系工程实际，专业出台了多项鼓励政策调动教师主动参与校内外实践基地建设的积极性。多渠道探索实践性教学的新模式，搭建多层次实践教学平台，进一步提高教学水平，为学生创造良好的软硬件环境。建设了校内实践教学基地，建有传感与检测、电气测量、虚拟仪器与网络测控、智能仪器等本科教学实验室，实验室面积达 ，设备达 台（套）；利用校企科研合作优势与校友资源获得了企业的实验室建设捐赠，建设了 湖南大学虚拟仪器实验室、海兴 湖南大学电测实验室 个开放实验室；与多个相关知名企业建立了稳固的联合实训实践基地，现建有杭州海兴电力科技股份有限公司、长沙开元仪器有限公司、力合科技（湖南）股份有限公司等多个实训实践基地，为学生提供多种创新实践平台和全面素质培养基地。实践教学资源的研发传统的实验教学基于真实的仪器设备，电压等级高、电流强度大、实验成本高、场地占用大的实践项目难以开展，探索性实践受限。测控专业组织研发了如图 所示的“电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真实验”教学平台，利用 仿真建模、网络技术等现代手段，开展虚实相结的实践教学模式。虚拟仿真实验平台开放性强，学生可以自行选择、添加、配置实验设备，模拟电气化铁路运行场景与设备原型，实现电气化铁路谐波产生、检测与控制等多场景、多任务实验。系统拓展性高，具有丰富的二次编程接口，并可与专业编程工具及信号分析软件拓展连接，在基础实验上设置了具有扩展性、前瞻性和挑战性的个性化仿真任务，为培养学生解决复杂工程问题的能力提供了优良实验条件。图 谐波检测与控制虚拟仿真实验教学平台 为了将教师教学、学生学习、实验项目的实施融为一体，课程团队设计与自制了“单片机口袋实验室平台”“微电机自动控制实验室平台”等教学实验设备，如图 所示。这些自制的实验设备体积小、携带方便，学生可参与实验设备的设计、装配与调试以及实验项目的开发过程，解决了实验教学学时有限、内容固化、实验与教学脱节等问题。在课程教学进程中，边教、边学、边做、边思考，“教 学 做 研”的有机融合，由简到繁循序渐进地帮助学生掌握系统分析、设计与改进的应用技能，促进学生的实践兴趣，培养学生的研发意识，对提高大学生创新能力起到了良好的推动作用。（）单片机口袋实验平台（）微电机控制实验平台图 自制教学实验设备 实践教学模式与教学方法的改进 真实实验与虚拟仿真结合新工科建设为多样化、创新型工程人才培养指引了方向，而虚拟仿真实验正是调动学生创新意识，训练 第 期唐 求，等：测控技术与仪器专业实践教学改革自主探究能力的有效手段。“电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真实验”平台以电气化铁路谐波产生、检测、控制为对象，在 虚拟场景中模拟电气化铁路运行场景与设备原型，有机串联了电气化铁路设备认知、谐波检测、谐波控制等既相对独立、又层层递进的实验过程。学生可对虚拟仿真实验平台的实验方案和窗函数、采样率、数据长度、不同信噪比白噪声注入等多个探索环节进行实验设计与对比分析。在“智能仪器”与“电气测量技术”课程实验、专业综合设计等实践环节采用传统实验与虚拟仿真实验相结合的新型实践教学模式，减少演示型、验证性实验内容，适当增加设计性、综合性、创新性实验内容。采用理论联系实际、虚实结合的方式，通过“设备认知理论授课虚拟仿真实验考核”一系列实践教学环节，课前、课中、课后分阶段突出不同教学重点，开展谐波概念、谐波产生、谐波危害等基础知识学习；在线认知相关设备；设计实验方案；设定实验参数，开展实验操作，比较不同实验方案的实验效果差异，形成实验报告。真实与虚拟仿真相结合的实践教学模式在培养学生工程能力的同时，激发了学生的创新意识、提高了学生的综合素质。课堂与实验教学融合传统的课程理论教学与实验教学是独立的，学生很难将理论知识与实验目的想联系，缺乏主动学习与创新意识。面向新工科人才培养，在实验教学过程中应根据课程的差异与学生基础，不断改进实验教学内容和教学模式。可以将与实验密切相关的一些理论课程教学搬进实验室，在实验室中进行相关理论课程学习，使课堂教学与实验教学融合，打破教学与实验的界限。此外，还可以根据不同课程需求，将实验搬进教室，在讲授理论知识的同时开展实验教学，使学生能够更好地理解、消化与吸收知识点。课堂教学与实验环节相融合，不仅充分利用了实验室仪器设备资源，最大限度地发挥了实验室设备的使用效率，更提高了学生的学习兴趣。图 为学生在课堂教学过程中使用“单片机口袋实验平台”“微电机控制实验平台”等便携式实验设备。图 实验搬进理论教学课堂 校企联合培养测控专业已经与多家科研院所、知名企业有着长期、稳定、良好的项目共同研发和人才联合培养关系，建立了多个实训实践基地，将实践教学课堂搬进企业生产现场，学校导师与企业导师共同指导实践教学环节，形成了校企融合的“教 学 做 研”一体化的实践教学方式。企业为学校提供实训实践基地，配备企业指导教师，提供生产操作实训、科研技能培训与科技项目研发的条件和机会，开展实习实践教学活动；学校聘请企业专家为实践教学指导教师，为企业靶向培养人才，解决生产实际问题，学生、学校和企业三方受益，形成了校企合作培养测控技术与仪器专业创新创业人才的新模式。图 为学生在企业生产现场开展实践教学活动。图 学生在企业实践教学活动 课堂教学与科技活动紧密相连测控专业理论与实践联系紧密，仍沿用传统的实践教学方法已经无法适应新知识的发展。在实践教学过程中应紧跟科学技术的进步，不断改进教学内容和教学方法，采取递进式、多样化、灵活化的实践教学方法，最大程度激励学生的学习热情。密切结合与课程相关的科研、生产实际课题来展开实践教学，培养学生创新创业能力，在组织教学内容时，留部分知识点引导学生自学，指导学生运用网络、虚拟仪器开发平台等学习工具，了解本学科的前沿知识；积极组织和指导测控专业学生参加学校设立的大学生创新训练计划（）专项，参加各种形式的湖南省和全国大学生科技文化活动，参与教师的实际科研项目，在实践中得到锻炼，提高个人的团队协作精神，综合运用能力和科研创新能力。结 语通过近几年的实践教学改革，测控专业完善了实践教学与训练环节，形成了自己独特的实践教学方法，建成了一整套贯穿于整个大学 年的完整实践教学体系，实践教学水平也得到了提高，取得了一系列创新成果：培养了一大批品学兼优、理论结合实际、创新成果突出的优秀学生，测控专业毕业生受到企业的青睐，一次性就业率从全校排名中等一跃成为全校第一；更多的测控专业学生加入各类学科竞赛与实际项目研发 中，先后获得了中国机器人大赛国家级一等奖、“挑（下转第 页）第 期孙 渊，等：“流体传动与控制综合实验”教学改革探索与实践 结 语应用型本科专业建设以实践能力为主线，构建了实验课程、综合实验课程和综合实践环节，本课程是综合实验课程，其开设是运用多知识进行实验学习，培养学生综合应用能力和工程实践能力。针对本课程教学中出现的问题，进行了课程教学改革，从面向现实工程问题，关注工程实际应用技术，建立了多知识融合项目库，实施了不同学情学生科学分组，探索了多项能力递进培养模式，从而全方位调动学生学习力，培养学生的高阶思维能力、设计创新能力和专业知识综合应用能力。参考文献（）：朱高峰 关于工程教育和一般教育问题的再思考 高等工程教育研究，（）：许江波，骆永震，包 含 论 理念下的工程类高校教育模式改革 大学教育，（）：李学光，王淑坤，高艺，等 机械类专业“卓越工程师教育培养计划”运行机制研究 高教学刊，（）：胡良斌，高丽娟，李必文，等 新工科背景下校企产教融合协同育人模式探索与实践 中国教育技术装备，（）：顾 涵，房勇 基于工程教育专业认证标准和 理念对毕业设计环节的创新探索与实践 实验技术与管理，（）：肖 念，芮 言 认证背景下成果导向的专业课程教学改革教学研究，（）：王丽伟，吴静怡，张执南 构建面向未来的工程教育体系 高等工程教育研究，（）：李 晶，姜歌东，陶 岳 面向智能制造的数控技术实验教学探索与实践 实验室研究与探索，（）：叶回春，张洪伟，倪向贵 虚拟仿真技术在超精密加工实验教学中的应用 实验室研究与探索，（）：赵劲松，孙鑫宇，董杰 电液伺服实验台在实践教学中的应用 实验室研究与探索，（）：朱玉平，张学军，高翔，等 工程实践创新能力融合培养研究 实验科学与技术，（）：胡 蔓，赵云龙，栾晓娜 新工科背景下工程训练实践教学模式探索 实验技术与管理，（）：严寒冰，姚兰，秦东兴 面向智能制造的机电专业实践教学体系研究 西南师范大学学报（自然科学版），（）：焦连志 理论视野下的高校大学生创新创业能力培养现代教育科学，（）：徐则阳，周庆平，李显良 理念下“计算机应用基础”分层教学考核评价的研究 江苏科技信息，（）：陈军涛 最近发展区理论在教学模式中的应用 当代教育论坛（宏观教育研究），（）：张广兵，董发勤，谢鸿全 成果导向教育模式之溯源、澄清与反思 黑龙江高教研究，（）：（上接第 页）战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、智能汽车竞赛国家级二等奖等奖励，形成了测控专业学生积极参加实训实践、学科竞赛的良好风尚和创新人才培养特色。参考文献（）：卢晶琦，邓春健，师向群，等 新工科视域下的电子信息创新人才培养实践 实验技术与管理，（）：吴爱华，侯永峰，杨秋波，等 加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济 高等工程教育，（）：洪海涛“新工科”背景下的视觉检测与机器人技术 大学教育，（）：杜义浩，马俊霞，谢 平 新工科人才创新创业能力培养探索与实践 电气电子教学学报，（）：委福祥，王延庆，刘洪涛，等“新工科”背景下材料专业实践教学体系探索 实验室研究与探索，（）：葛 青，赵晓云，甘 媛 测控专业工程实践教学改革探讨教育教学论坛，（）：宋爱国，吴 涓，崔建伟 测控技术与仪器专业学生工程意识培养与创新教育的探索 中国大学教学，（）：梁 军，侯迪波，张光新 新工科背景下自动化专业课程教学体系的优化重构 中国大学教学，（）：马子骥，汪沨，蔡立军 从学科竞赛和训练基地角度探索创新能力培养模式 实验技术与管理，（）：戴 蓉，赵 燕，胡 剑，等 测控技术与仪器专业卓越工程师课程体系整体优化研究 中国电力教育，（）：杨泽青，肖艳军，刘丽冰 基于华盛顿协议的测控专业实践教学体系优化重构 实验室研 究与 探索，（）：滕召胜，温 和，高云鹏，等“教 学 做 研”一体化的单片机教学模式研究 实验室科学，（）：曾飞，王涛 冶金高校智能测控虚拟仿真实验平台建设 实验技术与管理，（）：杨洪涛，王小兵 工程教育专业认证标准下的测控专业实践 实验技术与管理，（）：唐 求，高云鹏，曹琳琳 虚拟仪器课程教学改革与实践教学环节的建设实施 实验技术与管理，（）：芮 杰，张 健，陈 华 新工科背景下高等院校创新人才培养研究 教育教学论坛，（）：