新工科背景下测控专业实践体系建设探索

李季 任远 熊飞丽

[摘 要] 新工科建设对学生创新实践能力的培养提出了新的要求，而实践体系为创新能力培养提供保障。根据测控技术与仪器专业实践能力培养的要求，针对目前国防科技大学测控技术与仪器专业实验体系存在的问题，对实验教学体系进行优化重构，建立分层次、模块化的测控专业实践培养体系，并通过建设以学生为中心的实验教学体系、构建全开放的实验环境、改革考核方式等手段，为学生创新能力和工程素养的培养提供有力支撑。

[关键词] 测控专业;实践体系;分层次;模块化

[基金项目] 2018年度国防科技大学校级教育教学研究资助项目“强军新工科背景下测控技术与仪器专业实验体系建设探索与实践”（U2018012）

[作者简介] 李 季（1979—），女，河南南阳人，博士，国防科技大学智能科学学院智能机械与仪器系副教授，主要从事测控技术与仪器研究;任 远（1986—），男，湖南望城人，博士，国防科技大学智能科学学院智能机械与仪器系讲师，主要从事智能传感与探测研究;熊飞丽（1963—），女，湖南长沙人，硕士，国防科技大学智能科学学院智能机械与仪器系高级实验师，主要从事传感器与测试技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）47-0075-04    [收稿日期] 2021-05-08

一、引言

随着人工智能、大数据、云计算等技术的发展，以智能产业牵引的新一轮科技革命和产业革命正如火如荼地进行着，新科技革命、新产业革命正以指数级速度展开，而“新工科”是在此背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后我国工程教育发展的新思维、新方式[1，2]。我国正深入推动实施“创新驱动”“中国制造2025”“互联网+”等重大战略，为在未来全球创新生态系统中占据战略制高点，迫切需要培养大批拥有更强创新能力的新型工程科技人才。教育部组织开展并形成的“复旦共识”“天大行动”“北京指南”统一了思想，将高等院校的发展带入了“新工科”的全新阶段[3]。“新工科”呼唤新的人才培养方案、培养目标和培养方式。而实验作为培养学生实践能力和创新精神的重要手段，在“新工科”人才培养中占据重要地位。通过实验使学生在获取知识的基础上，具有科学探究、主动思考、批判反思和自主创新的能力[4，5]。因此，在“新工科”背景下，探索如何通过实践体系的改革，使之真正成为学生创新能力培养的主战场是全国各高校都在积极开展的一项工作。

本文以测控技术与仪器专业实验体系为研究对象，着眼于我校培养“新工科”人才的需求，探讨如何理顺专业课程实验与实验课程间的关系，建立科学的实验教学体系，并结合任职需求建设以学生为中心、有利于学生创新能力和工程素养提升的实验平台与环境，为提高学生创新能力和综合素质打下坚实的基础。

二、我校測控专业实验体系现状及存在的问题

作为信息学科的源头，测控技术与仪器专业主要是培养学生具有信息获取与处理方面的基本知识和能力，如传感器设计与应用能力和信息获取、传输、控制等能力。在“新工科”建设中，如何通过优化、重构专业知识体系，建立全过程覆盖的工程实践能力培养体系，强化学生工程实践能力和素质的培养，是首先需要解决的问题[6-8]。对标“新工科”建设要求，分析我校实际情况，目前我校测控专业实验体系尚存在一些问题。

1.实践教学环节设置的系统性不强，与专业应用结合不够紧密，以校内教学为主，未突出专业特色与应用，导致学生在学习阶段与工作阶段存在缺乏衔接感，不利于学生未来任职能力的提高。

2.专业实验体系（包括课程实验和实验课程）缺少顶层设计，各环节层次不分明，课程实验和实验课程的设计以满足于某一课程的建设为目标，缺少从学生任职需求倒逼学员能力培养而进行的系统性实践体系设计。而且专业实验门类多，部分实验内容重复，这就使得学生在校培养期间缺少对专业知识和技能的总体认知和训练。

3.课程实验体系中验证性实验项目较多，学生容易以完成规定操作过程为目标，按照实验指导书设计好的步骤加以重复，并设法将实验结果向实验教学内容规定的结论靠拢，缺乏实践的主动性和创新意识，不利于学生综合实践能力和创新精神的培养。

因此，本文根据测控技术与仪器专业学生能力培养多层次的需求，探讨如何通过顶层设计，打通专业实践培养体系各个环节，设置符合新工科培养需求的专业实验体系，并构建服务于学生任职能力培养的实验环境，以学生为中心全面培养学生的实践创新能力和工程素养。

三、测控技术与仪器模块化专业实验体系构建

由于测控技术与仪器专业课程门类众多，涉及光学、机械、电子、控制等多领域知识，实践环节通常包括课程实验和实验课程、综合设计、专业实践等。在原来的培养方案中，部分课程定位不清楚，内容陈旧，甚至不同实验课程内容之间存在一定重复。基于此，对测控技术与仪器专业培养方案中的课程实验、实验课程、课程设计等实验教学内容进行梳理、修改和完善，将学员创新实践能力的培养分为四个层次，由低到高，逐步推进，打通实践环节各门课程之间的联系，并按照信息获取、信息处理、信息传输、测试系统四个模块重新设置实验体系，对实验课程内容进行改革和优化，使实验课程体系的设置能够给学生更大的自主空间，充分激发学生的学习兴趣，实验课程对学生的训练可以实现从简单到复杂、从基础到设计应用、从验证到创新循序的渐进式培养。

根据测控专业学生的培养目标，将实践环节对学生能力的培养分为四个层次。

1.基础能力：主要培养学生具有元器件识别、简单电路分析、设计、测试、故障调试、焊接等能力。这一部分主要是结合理论课程的学习，通过电工与电路基础实验、电子技术基础实验、计算机硬件技术基础实验等课程实验来实现。在完成上述课程实验的基础上，通过电工电子实践项目夯实基础，在深入掌握电工电子基本理论和基本实验技能的基础上，进一步培养综合运用所学知识分析实践项目要求、设计制作电路并解决问题的能力。

2.专业技术实践能力：主要目的是培养学生具有传感器识别、设计、信号转换、调理、信息处理、传感器特性测试、误差分析与数据处理、光学系统调试、测试等专业基本技能。这部分主要通过传感器与检测技术实验、误差理论与数据处理实验、光学测量实验、信号系统与控制实验、嵌入式系统设计实验、测试系统与仪器实验专业实验环节来实现，在此基础上，通过测量技术实践项目、计量技术实践项目和仪器与系统实践项目的训练，使学生掌握传感器测量系统设计的总体思路和方法，培养基于单片机和虚拟仪器的应用系统分析和设计能力，增强学员对计量技术在工程领域中应用方法的把握。

3.综合实践能力：主要是使学生具备综合运用所学知识，设计面向实际应用的测控系统或仪器的能力，包括需求分析与方案设计、测控电路设计、仪器设计等。这一部分是通过测控系统与仪器综合实践项目来实现。

4.工程应用能力：这是学生走向任职岗位前的重要步骤，主要通过与校外企业合作共建实习基地，构建校企联合培养面向未来发展的创新人才的育人模式。建立校企及院系协同育人机制，由企业选派工程实践丰富的企业技术人员为学生讲课，学生在最后一学期到企业进行实习，打通学生从学校走向任职岗位的最后一环。

在这四个能力层次中，专业技术实践能力和综合实践能力的培养主要依托测技术与仪器专业实验室来实现。基于此，我们将相关实验和实践课程划分为信息获取、信息处理、信息传输和测试系统四个模块来进行课程和实验环境的建设。由此所形成的专业实验体系结构如图1所示。

在实验项目的设置上，通过将一个大的系统分成上述四个模块，由学生在不同学习阶段完成相应的内容，分层推进，使得学生在完成专业学习的同时，实现一个完整系统的设计、测试、分析与改进，专业实践能力得到全面提升。

这种分层次的体系结构紧扣测控专业学生工程实践能力培养的核心，从点到面、从基础到专业再到任职，循序渐进、螺旋式上升，全面推进学生实践能力和综合素质的提高。而模块化的专业实践体系则有利于进一步厘清各环节之间的关系，在顶层设计上实现课程内容统一布局，消除不同课程或环节之间存在的重复，从模块到系统，使学生在进阶式训练的过程中不但使创新实践能力得以提升，对专业认知更加清晰，而且有利于任职能力的培养。

四、以学生为中心的实验教学体系

“新工科”背景下的人才培养，要突出产出导向，在学生的培养上坚持“以学员为中心”，实践环节的设置应该从“要学生做”转变为“学生想做、学生要做”。基于此，除了在实践体系和课程内容设置上引导学生敢于创新、勇于实践之外，在教学方法与手段以及实验室环境建设方面也要突出“以学生为中心”。（1）实践项目设置上突出产出导向，针对培养学生认知能力的需求，构建复杂战场环境监测系统、典型装备测控系统等实验平台。（2）在教学方法上，将项目教学法、研究型教学法等教学方法和手段引入专业实验课程，引导、鼓励学生自行设计、自主自由完成实验内容。在综合性实践环节，除了教师建议的选题之外，鼓励学生自主选择感兴趣的项目，并在教师指导下开展实验。（3）加强实验室的创新环境建设，完善实验室软硬件条件，引进先进的、能够体现专业特色的仪器设备与軟件开发平台，建设自主实验室，并由教师进行指导，实行全开放，只要学生在校园网上完成注册，就可以随时到实验室进行实践，实现想做就做、想做能做。（4）将实践教学与课外学科竞赛、大学生创新项目等相结合，以赛促学、以赛促创，实现创新人才培养目标。鼓励学生将实践课上的作品完善、升级，通过参加虚拟仪器设计大赛、物联网大赛、大学生创新项目等课外实践活动或者与毕业设计相结合，课堂内外双管齐下，培养学生学以致用、勇于创新、敢于实践的精神，让创新能力在实际中得到进一步的锻炼。

五、测控技术与仪器专业实验过程性考核体系

实践能力的培养贯穿实践课程的始终，实践课程的考核不能像理论课程一样通过一次考试一锤定音[9]。因此在测控专业实验课程的考核中，改变以结果作为实验成绩评价标准的做法，加强对实验过程的考察和学生综合素质的考评。以仪器与系统实践项目课程为例，学生在选定实践项目以后，需要根据项目要求确定整体设计方案并论证方案的可行性，然后设计硬件电路和软件框图，完成软硬件的调试，根据结果撰写实践报告并进行答辩。教师对课程考核的内容及评分标准如表1所示。

从表1可以看出，过程性实验评价体系涵盖了对学生设计方案的能力、自主完成实验的能力、发现问题和解决问题的能力以及对实验结果的分析能力的考察以及科学撰写实验报告、团队合作、口头辩述等综合素质的考察，能更全面地反映学生创新实践能力的强弱和综合素质的高低。

六、结语

分层次、模块化的专业实践体系涵盖基础实践、专业实践、综合实践、工程应用等能力的培养，各环节之间的关系更加清晰，系统更加完善合理。同时通过构建以学生为中心的实验教学体系和实验环境，培养学生对专业的认知和应用能力，帮助学生适应从学校到工作岗位的变化，满足学生任职需要。这一体系更有利于“新工科”下全面培养学生的创新实践能力和工程素养。

参考文献

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