省级实验教学示范中心的持续创新发展

崔家瑞， 李 擎， 阎 群， 李希胜， 徐银梅

(北京科技大学 a. 自动化学院； b. 工业过程知识自动化教育部重点实验室， 北京 100083)

0 引 言

实验教学示范中心作为培养学生工程实践能力的重要载体是各高校重点建设方向之一。2005年教育部组织发布了《关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知》[1]，明确了形成国家级、省级两级实验教学示范体系的建设目标，并建设了一大批具有辐射作用的示范中心[2-6]。近年来，随着高等工程教育的持续推进，特别是国家重大发展战略对高端工程人才的急切需求，对实验教学示范中心复合型工程创新人才培养提出了更高要求，许多高校进行了实验教学示范中心再发展的思考与研究[7-11]。

自动化学院实验教学中心作为信息工程北京市实验教学示范中心，面向复合型工程创新人才培养，进行了持续性创新发展，并取得了阶段性成果[12-17]。本文重点介绍在实验教学方面的成果。

1 实验教学示范中心基本概况

信息工程实验教学中心成立于2001年，由自动化、计算机、信息安全、电子信息、通信工程专业实验室、电工基础实验室、学校计算中心合并组建而成。2008年7月，通过了“北京市高等学校实验教学示范中心”申报评审[18]。经过6年建设，2014年顺利通过验收。2015年顺利通过工程教育专业认证，2016年获批北京高等学校示范性校内创新实践基地建设。

实验教学示范中心在原有基础上整合为12个实验教学平台，包括：2个校级公共课基础教学实验教学平台、8个专业实验平台、1个创新实验平台、1个实训实验平台。基础教学实验教学平台包括：电工电子、计算机基础实验教学平台；专业实验平台包括：自动化、智能科学与技术、测控技术与仪器、计算机、信息安全、通信工程、电子信息、物联网8个实验平台；创新实验平台由电工电子创新实验室、勤敏轩学生创新实验室、智能科学与技术创新实验室组成；实训实验平台由CDIO自动化实训实验室和物联网实训实验室组成。

实验教学示范中心负责校级41个相关专业各类型实验教学任务，包括电工学、电子学及计算机文化基础等校公共基础课程。年均开设实验课程(含课程设计)总共136门，此外还承担暑期计算机实践、认识实习、生产实习及毕业设计等实践教学任务；同时实验室还面向全校所有教师及学生开放，支持学生完成创新性、研究性实验项目。实验室年均接待学生约9 300人次，完成的实验年均约为43万人时。各专业的实验课开出率达到100%，综合性、设计性和创新性实验的比例达到80%以上。

2 实验教学理念的持续创新

在“以学生为中心”的框架下，将已应用于我校自动化学院的CDIO-OODA工程教育理念[13-14]和主动式项目[15]的教学思想相结合，坚持一切从学生的需求出发，注重对学生工程实践能力、创新精神和社会责任感的综合培养，兼顾知识传授和能力培养，充分调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力。

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate) ，以产品研发到运行的生命周期为载体，培养学生的工程实践能力。OODA，即观察(Observe)、确认(Orient)、决策(Decide)、执行(Act)，OODA概念来自美国空军的飞行员R．Boyd，现 广泛应用于决策过程的流程化。

CDIO-OODA工程教育理念在宏观层面将工程项目的执行过程分解为构思、设计、实施、运行4个过程，在微观方面，又采用OODA循环执行CDIO的每个过程，重点培养学生的解决工程问题的思维方式和能力。

主动式项目的教学思想是以问题为导向，以学生主动提出问题、解决问题和创新知识为核心，促进学生积极思维，感受创新的艰辛与乐趣，重视团队协作能力。将CDIO-OODA工程教育理念与主动式项目的教学思想融合，取长补短，则可充分发挥“学生主体”作用，使学生学习更有的放矢，有效提升学生获取知识及掌握知识应用的能力。该理念的具体执行流程如下：

(1) 项目需求。教师提出项目需求，并展示项目相关背景知识；由学生以小组形式认领任务需求，并学习相关背景知识。

(2) 问题分析。学生自主分析项目需求，提出对应的科学问题，并通过小组讨论形式，确定小组分工；教师主要进行小组管理和协调引导工作。该过程对应于CDIO的构思阶段。

(3) 方案设计。学生自主完成产品的详细设计方案；同时，完成小组间的交流讨论，该过程可以充分调动学生的主观能动性和思维活跃性，加深学生对所学知识的理解。教师主要监督学习过程，并提供技术咨询服务。

(4) 产品研发。学生自主完成产品的软硬件开发及实验室调试；教师主要监督学生进展情况，并提供技术咨询服务。

(5) 产品上线。学生以小组形式发布产品视频、技术报告、PPT展示及WIKI，其他小组则通过查看产品相关资料，对产品提出问题，展示小组则需给出解答。教师主要监督学习过程，并根据攻防过程给出小组评价。

(6) 成果展示与答辩。该过程学生主要完成成果现场展示和结题答辩材料的撰写；教师则主要组织成果现场展示、答辩，并给出评价。

3 实验教学体系的持续优化

高校实验教学作为高等教育教学的重要组成部分，在新的历史时代背景下，要主动应对主要矛盾的变化，以立德树人为根本任务[19-20]，以交叉跨界问题、综合复杂问题和未来前沿问题等为导向，把培养学生的设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终身学习、沟通协商能力和工程领导力贯穿于工程教育的全过程。

因此，在原有“以验证实验为本、综合设计实验为主、创新实验为优”的三层式实验教学体系基础上，融入卓越工程师培养计划、中国工程教育专业认证和新工科等新时代工程教育需求，形成了多层次、立体化、递进式、不间断复合型创新人才培养体系。

整个体系由第一、二课堂组成。第一课堂包括新生研讨课、课堂教学(均含设计性作业)、实验、SRTP、课程设计、校内实习/实训、校外生产实习和毕业设计8个层次；第二课堂包括基础技能培训、校内学科竞赛、省部级及以上学科竞赛、国内外专家讲座、就业技能培训、企业在岗实习6个层次。如图1、2所示。

图1 人才培养体系框图

图2 第一、二课堂具体内容

多层次、立体化体现在该体系根据学生学习过程规律，在大一到大四各个层面设计对应的工程问题，分阶段、分层次培养学生的工程实践能力和创新能力，并且第一二课堂相辅相成、互为补充。递进式、不间断体现在大一至大四学生实践能力培养过程中，采用的工程问题也是由理论到实践，逐渐深入，由课堂教学讲解到实验验证和模块设计，再到SRTP和课程设计完成工程问题的实践，最后，在实训、校外实习和毕业设计中，完成解决实际工程问题能力的培养。

同时，在教学内容上，实验中心教师不断改革创新，在已有实验设备的基础上，结合课程要求，将科研成果转化为实验项目，自主研发了20种实验装置及实验软件，并配套编写了相应的实验教材及讲义，如工业自动化生产线实训课程以实际工业系统为原型，研制了涵盖完整的自动化工厂实训系统，包括过程控制、运动控制和制造自动化等多个行业子系统；嵌入式控制课程设计研制了面向智能楼宇应用的能耗监测与优化控制系统实验平台；控制系统的设计与实现课程设计以铝电解管控一体化为背景，研制了数字电解槽槽况在线监测与诊断实训平台等。在实验教学、科技创新活动及学科竞赛指导中应用效果良好，获得学生的好评。

4 教学方法与教学手段的持续改进

(1) 实验室小班授课。单片机原理及应用等多门课程开展实验室小班授课，要求实验上机学时占课程的50%以上，主讲教师与实验教师双指导。

(2) 口袋教学与口袋实验室。自主研发了信号源、测试仪器等和实验设备一体化的口袋实验室，弥补了传统口袋实验室无法集成信号发生器、示波器等常用工具的缺陷，彻底解决了受限于实验室场地的问题。

(3) 翻转课堂。以北京市级视频公开课、校级重点专项MOOCs项目和研究型教学为抓手，要求讨论学时不少于1/3，考核则采用综合作业、课堂展示、答辩等形式进行。开发的配套线上线下资源包含150 GB视频、328 MB Word文档、156 MB pdf、12门微课公众号、20门百度网盘资源。

(4) 项目驱动教学方法。课程设计与实训类课程采用全流程CDIO培养理念，将课程内容以实际工程项目为单位，由学生以项目组形式，按照全寿命周期管理的形式完成项目的全过程实践。

(5) 基于Moodle平台管理课程。以Moodle平台作为课程过程的管理系统，管理课程项目资源、监控学生的学习过程、实时在线评价学生学习效果，实现课程资源(教师与学生各自形成的成果)的迭代优化，提高教师与学生之间的沟通协调效率。

(6) 问题驱动教学方法。在工程问题的需求分析和方案设计阶段，主要采用问题驱动的教学方法，以问题形式，引导学生思考，强调以学生主动学习为主，把学习设置到复杂、有意义的问题情境中，通过学习者的自主学习和协作学习来解决真正的问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力，达到建构经验的目的。

(7) 主动探究式学习和小组协作学习。在实际方案设计和产品研发阶段，指导学生采用自主探究式和小组协作的学习方法，强调学生根据教师提出的项目问题，自主探究问题的答案，并在寻求答案的过程中，自我提问自我解答，并通过小组成员之间的分工与协作，完成问题的解答和学习资源的共享，提升整体学习效率。

(8) 小组攻防式学习。在项目方案设计和产品上线阶段，借鉴辩论会攻防思想，主要采用小组攻防的学习方式，即由其他组针对答辩组的解决方案提出问题，由答辩组进行问题解答，由教师评审团评价攻防的有效性。一方面有利于充分调动全体学生的积极性，提升学生提出问题和分析问题的能力，另一方面有利于学生发散思维，增加知识眼界。

5 实验教学成果与示范

(1) 学生成果。实验教学体系的改进与实施使得学生工程实践和创新能力有了较大幅度的提升。在此基础上，学生借助于SRTP项目和实验室研究，与教师共同研发新实验装置，共同发表“基于蓝牙4.0无线数据通信的智能冬暖鞋”等论文20余篇、授权“一种基于太阳能供电的无线网络测距系统”等发明专利5项、“一种基于微控制器控制的节能新型电热开水器”等实用新型专利20余项，授权“基于LabVIEW的环境监测系统软件”等软件著作权20余项，学生省部级以上竞赛获奖率(见图3)达到专业人数的30%以上，并且逐年增长，连续3年全校第一，其中，获国家级奖项150余项，省部级奖项200余项。毕业生就业率达到了98%，就业质量明显高于同类211高校。

2014年(27.17%)

2015年(32.97%)

2016年(43.24%)

图3 2014～2016年省部级学科竞赛获奖率

(2) 教师成果。近3年，获北京市教育教学成果二等奖1项、获批“基于课程地图的自动化专业培养方案优化研究”等北京市教改项目3项、“工程教育专业认证背景下自动化专业实验实践类课程教学改革与实践”等校级教改重点项目4项、面上25项；“面向解决复杂工程问题的自动化专业实践能力培养体系构建与实施”等获校级教育教学成果特等奖、二等奖各1项；出版“工业自动化生产线实训教程”等实验/实训教材5部；在实验类中文核心期刊发表教改论文20余篇，“‘卓越计划’下项目驱动型自动化生产线实训平台研究”等获北京高教学会实验室工作会优秀论文一等奖2项、二等奖4项，获物资研究分会优秀论文一等奖2项；授权发明专利5项、实用新型22项、软件著作权25项，自制设备基于CDIO培养模式的自动化生产线实训平台等分别获校级实验技术成果特等奖、二等奖各1项。

(3) 辐射示范作用。实验中心在逐年的建设中，逐步形成了一套卓有成效的运行管理模式和实验教学理念和方法，同时建立了数个具有自身特色的实验室，在其他高校中形成了一定的影响，具有较好的学科示范作用。目前已有国内中国石油大学(华东)、北京邮电大学等多所高校实验室负责人前来学习交流，接待来自美国伊利诺伊大学、日本高知县立大学、德国工程师协会、法国图尔工程师学院、捷克布尔诺大学等多国以及台湾地区台湾大学、台湾科技大学等大学的多名教师、学者参观访问。

此外，自主研发的多容水箱控制实训系统、工厂污水处理系统、基于计算机网络的控制实验平台等装置已推广到外校使用。其中多容水箱控制实训系统已推广到哈尔滨工业大学、西南大学、南京航空航天大学等10余所高校。由我专业李华德、李擎教授编写的《电力拖动控制系统(运动控制系统)》(1、2版)等教材已被天津大学、华南理工大学、湖南大学、郑州大学、武汉理工大学、湘潭大学、哈尔滨理工大学、河北大学、空军工程大学等80余所高校作为主教材或参考书，销售册数突破1万册。

5 结 语

在工程教育专业认证和新工科建设背景下，进行了信息工程北京实验教学示范中心的持续性创新发展，特别是在实验教学方面，从教学理念与教学内容、教学方法与手段等方面进行了持续改进与优化，并取得了一系列教学效果和成果，大幅度提高了学生工程实践能力和创新意识的培养，有效发挥了省级实验教学示范中心在实验教学方面的作用，具有广泛的辐射效应。