摘要：课程实验是培养学生动手操作能力和工程实践能力的重要教学活动，是提高课程教学质量的重要环节。针对部分工科院校专业实验装置少、学科融合不够、实验室建设滞后等现状，探索适合新工科发展的自主实践、自主拓展的专业实验教学系统和体系，提出基于虚拟仪器技术的“传感与检测”开放式实验教学模式，对新工科背景下强化实践活动具有重要意义。
关键词：实践活动；新工科；开放式教学；自主实践
2017年2月，教育部提出了新工科（3E）概念[1]，并积极推进新工科的建设与部署，优化教育结构，探索工程教育新模式，倡导传统的工科高校进行实验教学的创新与升级，以培养满足当前社会发展需求，具有开拓意识、创新理念、实践经验的专业人才为目标，助力高等教育强国建设[2]。工程实践能力作为新工科背景下学生培养质量的重要指标之一，是学生自主创新能力培养的基础。
“传感与检测”课程内容丰富，实践性强。在教学过程中，实验教学法能够锻炼学生的动手能力和工程实践能力，培养学生的自主创新能力，是提高课程教学质量、强化学生实践能力和理论基础的重要保障。
一、“传感与检测”课程实验教学现状
现阶段，兰州理工大学材料学院“传感与检测”课程实验仍然采用传统的教学模式。这种模式的实验项目少，学生参与度低，实验操作仅仅是在现有条件下进行。在实验结束后，学生只需将实验指导书中罗列的实验目的、实验原理、实验步骤与所用材料、设备等内容抄写下来，附上实验数据和简要的分析报告就算完成了实验。这种缺乏思考的实验教学打压了学生的学习兴趣，割裂了课程知识与工程实践之间的联系，影响了学生的学习效果，不利于培养学生解决工程实际问题的能力。目前，一些工科课程的实验教学都存在类似问题，主要表现在以下几个方面[3]。
第一，实验条件不能满足当前行业发展的需要。当前科技发展迅速，行业技术日新月异，而实验装置与设备的更新往往需要一定的周期。部分学校由于实验教学资金投入有限，实验教学内容往往滞后于行业技术的发展，导致实验教学无法紧跟当前技术的发展步伐，难以适应现代技术的发展，从而弱化了自身解决工程实际问题的能力。
第二，课程教学重理论、轻实践，无法有效满足新工科背景下学生实践能力提升的要求。目前，部分高校的工科专业课程都存在理论课时多、实践课时少的问题，而且多数的实验为验证性实验，理论和应用存在脱节现象，难以激发学生自主学习、主动实践的兴趣，不利于学生的全面发展。
第三，实验室开放性差，实验装置与设备闲置时间长、利用率低，难以满足学生自主实践的需求。不少学校的实验室采取的是封闭式管理模式，学生只能在规定的时间进行实验，其他时间则接触不到实验教学资源。这就导致实验室学生人数众多，部分学生无法参与实验操作。
第四，缺乏与实验相关的理论与操作技能培训，学生主动学习、自主实践的意识有待提高。工科实验对学生的动手操作能力和自主学习、独立思考能力都有一定的要求。一些学生学习意识较差，独立思考能力不足，对实验课程不够重视，加上缺乏系统的实验培训与操作指导，导致其在实验的过程中容易出现错误操作，从而损坏实验设备，或者因自身知识储备不足而畏手畏脚，影响实验进度。
第五，实验过程难以实现全覆盖监控，实验数据和实验报告抄袭严重，实验考核手段不合理、不完善。首先，由于学校实验装置不足，学生人数众多，实验时并非人人都有动手操作的机会。其次，教师无法对所有学生的实验过程进行全程监督，仅从实验数据和实验报告中难以评判学生是否经过了独立思考、自主学习，从而动手操作完成实验。由此可见，缺乏完善的监管与考核体系是影响学生实践动手能力和工程思维能力提升的重要因素。
二、“传感与检测”实验教学变革的目的和作用 www.pingkanwang.com
针对上述工科院校课程实验教学存在的问题，笔者通过多年在“传感与检测”课程教学中的探索，在实践教学环节将虚拟仪器技术与实验教学有机地结合起来，进行了一系列实验教学探索。
变革“传感与检测”实验教学，开展自主开放、实操性强的自主实验，对于学生理解课程知识具有重要的促进作用。探索与设计“传感与检测”自主实验系统，对培养和提升学生自主学习、自主实践、自主创新等能力具有一定的促进作用，同时也有利于实验室的发展。
三、基于虚拟仪器技术的“传感与检测”自主实验系统的探索与设计
（一）“传感与检测”自主实验系统的探索与设计思路
“传感与检测”自主实验系统基于现有传感与转换实训装置平台，通过可视化编程软件LabVIEW（实验室虚拟仪器工程平台）进行探索设计，目的是开展各类传感器特性实验与各种参数测量的应用实验，满足自主预约、自主实验和实验过程全程记录的实验装置要求。虚拟仪器技术理念结合具备数据采集功能的传感与转换实训装置，为进行“传感与检测”自主实验系统的探索与设计创造了条件。
“传感与检测”自主实验系统探索与设计的总体思路具体为：先由实验人员输入登录密码与个人信息，选择要进行的实验类型和项目。根据实验人员的选项系统会显示相应的实验目的、实验所用单元（即实验模块）、实验原理与电路，以供实验人员学习和了解实验的基本情况。接下来系统会给出实验步骤，并引导实验人员逐步进行连线和调节等操作。所有实验步骤完成后，传感系统会与转换实训装置通电，对相应的开关与旋钮进行操作。同时，系统会调用串口数据采集程序，将实验数据调入计算机，并加载到相应的数据分析程序中，最终以实验图表与报告的形式进行存储。
图1 “传感与检测”自主实验系统的实验流程
（二）“传感与检测”自主实验系统的实验流程
“传感与检测”自主实验系统的实验流程如图1所示，其中实验项目可以按照“传感器类型”和“测量内容”两方面进行选择，这样可以使实验人员根据自身习惯快速确定实验项目。
在分析和总结当前工科专业课程实验教学不足的基础上，为满足新工科背景下学生实践能力提升的要求，学校要基于虚拟仪器技术，构建以开放自主为理念的“传感与检测”课程实验教学系统和体系。这种开放预约、自主学习、自主实践的课程实验新模式，将理论学习和实践环节有机结合起来，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的实践参与度，在一定程度上锻炼了学生解决工程实际问题的能力，拓宽了学生的认知领域，培养了学生的兴趣爱好，对学生创新意识的提高起到了积极的推动作用。
参考文献：
[1]李华,胡娜,游振声.新工科:形态、内涵与方向[J].高等工程教育研究,2017(4):16-19,57.
[2]徐晓飞,丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学,2017(6):6-10.
[3]王亚姣,李丽宏,彭宏丽,等.新工科背景下“传感器原理与检测技术”课程实验教学探究[J].科技创新与生产力,2019(5):89-91,96.
