突出课程特色和技术发展的实验教学设计，培养高素质的创新人才

【摘要】结合对实验教学的思考和体会,对能够体现课程特色和技术发展的实验教学设计方法进行探讨,充分发挥实

验教学在培养学生创新能力和综合素质中的有效作用。

【关键词】实验设计 课程特色 技术前瞻性

【中图分类号】C45【文献标识码】A【文章编号】1009-9646(2009)02(a)-0235-02

实验教学是高等院校教学工作的重要组成部分,其根本目标是让学生了解和掌握与实验内容相关学科及课程的方法学和工程学知识,并应用于实践,对学生创新意识及动手能力的培养起着举足轻重的作用。

现代教育理论认为,实验教学对学生认知和发展具有促进的功能,在促进学生认知结构转化方面具有独到的作用,实验教学不仅是为学生学习理论提供感性材料,为理解疑难概念铺设台阶,而且是整个学习的一部分,与理论教育密不可分。大学生正处于创新能力培养的最好时机,思维十分活跃,求知欲强,对实验和实践感兴趣,接受能力强,在良好的外部环境中,培养他们善于思考、善于实践,激发他们的创新能力是完全可行的。因此,按照新时期对创新人才培养的要求,积极探索创新实验教学,是十分必要的。

实验设计是实施实验教学的必要环节,成功有效的实验教学,很大程度上依赖于成功的实验设计。面对国家对高素质创新人才培养的迫切需要,以及我国高等院校实验教学相对欠缺的现实问题,加强实验教学,注重实验的创新设计,全面发挥实验在培养学生创新能力中的作用,为国家培养更多的创新人才,是高校教学改革非常重要的举措,势在必行。

飞行力学是研究飞行运动规律的一门学科,从分类上来说,它是一般力学的一个分支。“导弹飞行力学”是一门培养学生具有各类导弹飞行规律设计能力的专业课。导弹飞行力学不局限于研究某种型号导弹的性能,而是研究各种类型导弹运动规律的共同属性。课程的主要任务是培养学生掌握各类导弹在考虑气动特性、控制系统特性、推进系统特性、结构特性和环境特性条件下飞行规律分析和设计的原理和方法。

然而由于导弹实物及其实验设备非常昂贵,加之教育经费有限,及受场地的限制,类似这样的课程实验资源在高校十分有限,而且实验过程也很复杂,使得实验教学存在一定的难度。目前“导弹飞行力学”课程的实验教学内容只能以仿真实验为主,缺乏让学生实际动手操作的实验。为此,如何利用和整合有限的资源,设计具有课程特色、且具有应用性、设计性、综合性强的、能够体现现代先进实验技术、且与“导弹飞行力学”理论教学内容相适应的实验教学内容,是此类工科且偏理课程为适应新的高等教育形式改革课程体系所必须考虑和解决的问题。结合“导弹飞行力学”国家精品课程的建设工作及对实验教学的思考和体会,我们提出了突出课程特色的实验教学设计思想,为航空、航天类相关学科和课程的实验教学提供参考和借鉴的思路。

1 充分利用和整合有限实验资源,设计实验内容

实验教学过程对在校学习的工科大学生而言是创新能力培养的重要过程。然而众所周知,作为航空、航天类飞行器相关教学内容的半实物和全实物实验其代价是很大的。目前我国高等教育的经费投入还是很有限的,分别针对每个课程建立相应的实验室,购置相应的实验设备也是不可能的。为此,目前像“导弹飞行力学”这类工科且偏理课程实验只能以计算机数字仿真实验为主,配合以生产实习和认识实习,而生产实习和认识实习也是以观摩和听课为主,缺乏让学生实际动手操作的实验。而课程实验教学在很大程度上可以弥补上述不足,是发现问题、分析并解决问题的有效途径。通过实验教学和学生亲自参与实验的过程,培养学生从实验中认识、观察事物的客观规律,运用相关的技能、技术和手段解决实际问题的能力,使之能够运用分析、归纳以及逻辑推理等方法得出解决问题的方案。同时,也可使授课教师通过实验方案的设计和对学生实验的具体指导,发现自己在教学过程中存在的问题和不足,改革教学体系、方法和形式,将理论教学与工程实际能够结合的更好、更紧密,提高自己的教学水平。然而,实现实验教学的第一步,是对实验内容的设计,实验内容的设计又必须根据学生对所学知识掌握的程度和实验室所能提供的实验条件来合理、适宜地设置。为了体现实验教学的创新性、综合性等高等教育实验教学的时代特性,很多好的实验教学内容设计思想必须要有实验设备、场地等条件的支撑才能得以实现,否则再好的设计思想也只能是纸上谈兵。为了解决实验教学势在必行与实施实验教学有一定困难的矛盾,我们将学科建设、科研、有限的课程实验教学条件、相关专业的实验设备等资源进行合理整合利用,并结合课程的知识内容,优化设计实验教学内容,有效解决了由于实验条件欠缺及实验过程复杂造成的很多实验教学无法开展的问题。例如,我们将211、985等学科建设及相关学科科研实验设备——双轴测试转台及负载模拟器、总体专业的气浮实验台、LMS公司的LMS CADA－X系统试验平台和配套的LMS Test.Lab软件等整合利用,设计了导弹弹体的自动稳定与控制动态性能仿真分析实验、导弹弹体半实物仿真实验、远程导弹级间分离实验、弹体扰动运动模态实验等,并将这些实验逐步实施到“导弹飞行力学”的实验教学过程中,改变了以往该课程实验仅限于计算机数字仿真实验的局面,使理论教学与工程实际得到了更好的结合,给学生创造了锻炼实际动手能力的机会和条件,为学生创新意识和能力的培养提供了很好的平台。

2 实验设计内容体现综合性、创新性和知识的前瞻性

由于我国许多高校的教学模式长期以来存在着重理论、轻实践,重知识、轻能力的问题,加上实验资源有限,所以以往我们的“导弹飞行力学”课程主要是以课堂理论教学为主,计算机仿真实验辅助于课堂教学,因此实验内容、形式和手段都是相当匮乏的。对我们来说,设计实验内容更丰富、实验形式和方法多样化、实验手段更合理和先进的实验,是一个很大的挑战,要求我们必须勇于创新,开阔思路,大胆的解放思想束缚。高等教育改革形势的呼唤,高等教育要为国家培养高素质创新人才的培养目标的要求,航天技术的飞速发展,知识的快速更新等,都要求我们在实验设计时必须考虑实验设计内容要体现出综合性、创新性和知识的前瞻性。

为此我们提出了能够激发学生创新性思维的实验设计模式:针对所确定的实验内容,由教师给出实验题目,提出实验要求,让学生根据实验目的,以分组(三人以下)或独立完成的形式,根据由课堂理论教学所掌握的知识,结合自己对所学知识与实际应用关系的理解,设计实验条件、方法、步骤及所要给出的实验结果等，并写出实验设计报告;然后将全班同学分成几个大组(十人以上)对实验设计方案进行充分讨论,形成各个大组的实验设计方案;最终由每个组的组长将自己组的设计方案在全班宣布,并进行实验设计方案的答辩,选出最佳实验设计方案,在老师的帮助下对所选方案进行修改和完善,最终形成相应的实验设计方案,并据此给出实验大纲,为课程实验教学的实施奠定基础。一个好的实验设计方案,不仅能激发学生的强烈兴趣和求知欲望,还能为学生提供发现问题,运用知识的机会,提供创造性地解决问题的条件,使他们的创新能力得到培养和发展。通过学生亲自参与实验方法、手段及大纲的设计,启迪了学生的创新思维,激发了他们要按照自己设计的实验大纲亲自实现和完成实验的兴趣,同时也使我们教师从中开阔了思路,受益匪浅。

为了使实验设计体现出综合性,我们将学生所学的知识,进行认真的梳理、总结和综合,在针对知识点独立设计实验的基础上,将知识点之间有一定联系的实验综合、贯穿,从而体现出知识点与知识点之间的关系,使学生能够完整地掌握所学的知识,而不是一个个分散的知识点,为解决实际问题开阔思路。考虑到这种独立的实验结果很难为导弹的总体和控制系统设计提出所需的设计依据,以及飞行器的动态品质与其基准运动和特征方程的特征根密不可分,我们将三个独立的实验综合在一起,设计为一个导弹飞行动态品质半实物仿真分析实验,要求通过该实验,为导弹的总体和控制系统设计提出相应的设计指标和参数。通过这种具有综合性特点的实验,使学生对导弹设计这样的系统性工程设计方法和特点有了更深刻的认识,很好的掌握了将理论与工程实际结合的方法。

航天技术的飞速发展,不仅要求我们要不断地更新和充实理论教学内容,还要对实验教学内容进行相应的更新和充实,以体现技术发展的前瞻性。为此,我们在实验设计中,在实验条件允许的情况下,针对理论教学更新和充实的内容,结合更新的实验技术手段,设计一些能够体现技术发展前瞻性的实验。通过这样的实验设计和实验实施,让学生领略到技术发展的魅力和潜能,从而激发他们探索知识的奥妙和神奇的热情。

3 实验设计与学科建设和科研工作紧密结合,建立研究创新型实验模式

研究创新型实验是实施个性化教育、激发学生潜在能力、培养拔尖人才的有效途径。建立以能力培养为主线,分层次、多模块的研究创新型实验教学模式,与学科建设和科研工作是分不开的。学科建设和科研是教学实验的源泉,以学科建设和科研为依托,利用学科建设和科研大平台,将前沿科研成果不断整合、改造、转化,才能保证实验内容不断的发展与进步。“导弹飞行力学”课程是我校为国家重点学科“飞行器设计”开设的一门本科生主干专业课程和研究生专业课程,课程所涉及到的知识内容、原理和方法、技术和手段是各类导弹总体设计、气动外形设计、控制系统设计、动力系统设计以及效能分析的重要依据。由此可见,与导弹设计、生产、实验相关的很多研究工作都会涉及到课程的知识。而我国航天技术的快速发展,也使得我们以航天为特色的学科专业有大量的研究工作和课题,这些为我们设计研究创新型实验内容和建立相应的实验模式提供了难能可贵的契机和条件。我们结合学科建设和科研课题设计一些实验内容,如高动态弹体扰动运动模态实验及GPS/惯性测量单元实验,就是结合有关高超声速飞行器和组合导航相关研究课题设计的。对这类实验的设计我们有意识地创设一种探索的氛围,比如对高动态弹体扰动运动模态实验,模态激励方法多种多样,数据变化范围很大,这样以来就使实验带上了一定的研究色彩。对于实验人选,我们选择那些有能力和精力,而且有强烈意愿的高年级学生参加到科研和实验工作中,培养一定的拔尖人才,并作为免试研究生选拔及应试研究生录取的考核参考条件。通过这样的实验模式,使他们了解科学研究的特点、规律,更好地领会实验思想的精髓,有助于提高学生的实验素养和创新能力,培养一个科研工作者所应具备的素质。

4 实验设计内容覆盖课程内容的主要环节,且具有可操纵性和适当难度

实验设计的最终目的是要让实验能够得以实施,而实施实验的目的就是要让学生通过实验,加深对所学知识的感性认识,增加对知识的理解和认识,培养学生从实验中认识、观察事物的客观规律,运用严谨的思维方法分析、归纳和得出解决问题的方案,运用相关的技能、技术和手段解决实际问题的能力,还要能通过实验过程启迪他们的创新思维。因此实验内容的设计应尽可能覆盖课程内容的主要环节,且具有可操纵性和适当难度。实验内容覆盖课程内容的主要环节,可以使学生通过实验加深对课程所涵盖的理论知识的理解。实验可操纵性能够保证学生都能完成实验而促进学生学习信心的建立。而适当的难度有助于激发优秀学生进一步钻研的热情和斗志。为此实验教材的编写就是非常重要的,而其也是实验设计必不可少的重要环节。实验教材的编写要依据课程大纲,充分理解课程的大多数知识点与实验的关系,遵循课程教学的规律和节奏,体现实验的可操纵性,帮助学生有效地把握本课程的知识内涵。因此我们根据课程的课堂教学内容,首先精选出可配以实验教学的内容,立出实验题目;然后严肃认真的设计形式多样、且能够使实验产生适当节奏感的实验内容;最后精心编制实验大纲和指导书,包括实验目的和要求、实验系统设计及组成、实验系统的功能和工作模式、实验步骤的设计、实验注意事项、实验文档的组织等,形成实验教材,为实验教学的成功实施提供建立保障。

5 结束语

总而言之,全面推进人才综合素质教育已成为我国高等教育改革的迫切需要。实验教学在提高人才素质和创新能力中的地位和作用是显而易见的。深化实验教学改革是21世纪人才培养的需要,是实现知识—能力—素质三位一体的新型人才培养模式的要求。改革和加强实验教学,为国家培养更多的创新人才,是我们作为一个教师义不容辞的责任,任重而道远。

参考文献

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[2] 熊风,任风华.浅谈高校实验教学的改革,职业圈,2007年第8期(总第6期).

[3] 周苏,王文,张泳.大学计算机专业基础课程实验教学的改革与创新,http://.

[4] 现代生命科学实验教学中心实验教学改革,http://166.111.30.161:8000.

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