研究生实验能力培养研究
罗锦+崔少辉+孟晨
[摘 要]研究生教育不仅要求学生在本门学科内掌握坚实的基础理论和系统的专门知识，而且要求具备从事科学研究和教学工作或独立承担专门技术工作的能力和创新能力。笔者立足于研究生创新实践能力培养的要求，结合测控电路与装置课程教学改革，对实验课程教学模式进行探讨。笔者提出以下措施：构建模块化、递阶式的课程教学体系，引入虚拟实验、汇报交流等环节；开发虚拟仿真试验平台，完善实验室环境；构建科学的实验教学评价体系。实践证明，上述措施能有效激发研究生的学习兴趣，提高其创新实践能力。
[关键词]实验教学；创新能力；实践能力；研究生教育
[中图分类号] G643 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）01-0168-02
研究生教育属于国民教育序列中的高等教育，对国家创新人才培养以及提高国家科技竞争力具有决定性意义。研究生教育不仅要求学生在本门学科内掌握坚实的基础理论和系统的专门知识，而且要求具备从事科学研究和教学工作或独立承担专门技术工作的能力和创新能力。因此，与本科及其之前的教育不同，研究生教育的核心是培养学生的科研能力、工程实践能力以及创新能力。为更好地实现培养目标，提高培养质量，当前国内外很多工科类大专院校在研究生阶段的课程系统中开设有实验课程。大量的事实证明，研究生实验能力的高低，决定其科技创新水平的高低。而创新是研究生培养质量的标志和灵魂，离开了创新，就谈不上高质量高素质的研究生教育。
一、优化教学内容
“测控电路与装置”是我院仪器科学与技术学科研究生选修课，主要介绍测控系统常用硬件电路与装置的原理及实现技术，其完整的教学体系包括信号运算与处理电路、信号转换与模拟电路、信号激励与检测电路、测控系统设计以及新型集成电路的应用等，内容涵盖了基本的原理电路和大规模集成芯片的应用。
为了培养研究生的实验能力，我们摒弃了传统的以教员讲授为主、学生被动接受知识为辅的教学模式，对教学内容进行优化，体现由“学科系统式”向“应用系统式”的转变、由“微观局布式”向“宏观整体式”的转变、由“面面俱到式”向“精选式”的转变，将教学内容用若干个基础验证实验、综合设计实验和创新型实验贯穿起来。我们利用基础验证实验培养学生掌握坚实的基础知识，培养和激发学生创新意识，利用综合设计实验培养学生的知识综合应用能力，利用创新型实验培养学生的创新和解决实际问题的能力。
实验内容的划分可用图1表示。基础验证实验包括：运算放大器的特性与参数、运算电路的特性与参数调整、信号变换电路的特性与调整等；综合设计实验包括：基本信号处理电路设计与调整、函数发生器电路设计与调整、直流稳压电路的设计与调整、滤波电路的设计与调整等；创新性实验包括：信号产生电路设计与应用、数据采集电路设计与应用、线性系统性能分析、CPLD和FPGA芯片的应用等实验。实际教学过程中，这些实验的具体内容、要求，以及使用的器件或芯片等会根据研究生的知识掌握程度和技术的发展进行更新或调整，并鼓励研究生自主设计，自己动手，自由探索，开设创新性实验。
二、创新教学实施方法
教学过程由基础讲授、实验、撰写报告、汇报交流或检查评估等环节组成。教员在基础内容讲授的基础上，布置实验内容、要求及注意事项。研究生根据实验内容和要求进行仿真实验或实际实验，仿真实验利用Multisim软件在计算机上进行，实际实验内容利用具体的元器件和电路实验。实验由研究生一人一组进行，实验完成后要写出实验报告并制作PPT课件，在课堂进行交流。对于综合性和创新性实验，还要由教员和全体学员共同评估项目的完成情况，作为课程考核平时成绩的评定依据。2015年研究生“测控电路与装置”课程教学实施计划，我们安排了运算放大器的特性与参数、运算电路的特性与参数调整、信号变换电路的特性与调整3个基础验证性实验，综合实验安排了RC有源滤波器设计与调整、信号处理电路调试与仿真，最后以信号产生电路的设计、仿真与调试为创新性实验，鼓励研究生自主设计与创新。
创新过程可能发生在设计过程，也可能发生在仿真和调试过程中。例如，在DDS仿真电路中，U1似乎是多余的，因为它没有任何连接，而且从原理上讲DDS电路也是不需要MCU的，那么U1在电路中的作用是什么呢？在进行DDS仿真实验时，我们发现MultiSim不支持ROM的设置，即利用MultiSim无法直接设置正弦数据存储器的值，但是研究发现，在进行MCU仿真时，MultiSim允许将程序编译下载到MCU的外部程序存储器，于是我们可以将整个DDS电路看作MCU的外围电路，并利用MCU的程序编译过程实现对U2的加载，进而实现DDS电路的仿真。
三、完善实验环境
培养研究生的实验能力对教员的素质和教学的实验条件提出了更高的要求。教员不仅要熟练掌握教学内容，还要具有丰富的相关学科知识，能正确解答研究生在实验过程中提出的问题。同时，实验条件也应满足教学要求，包括虚拟仿真实验所需的计算机和电路仿真软件，以及实际实验中用到的实验平台、仪器仪表、元件器件等。
虚拟仿真实验利用计算机和电路仿真软件MultiSim进行。针对实际电路实验，我们建立了相应的实验平台。该实验平台除了可完成热电偶、光敏电阻、霍尔器件等基本元器件测试以及基本的模拟、数字电路实验外，还可对实验内容三个层次完成运算放大器特性与参数调整、差动放大器性能分析、波形转换电路实验、信号产生电路实验、滤波电路实验、数据采集系统设计与分析、线性系统的频域响应分析、典型环节时域响应分析、电工电子创新设计、机电一体化综合创新设计以及智能飞行器创新系统设计等实验项目。
四、构建综合考核评价体系
实验教学考核评价体系的构建应该将鼓励创新放在首位。“测控电路与装置”课程考核成绩主要由实验设计与操作的成绩、平时成绩、创新设计成绩三部分构成。其中，实验设计与操作成绩包括实验方案设计报告、实验操作情况、实验报告等三部分成绩，主要考核研究生的工程实践能力、团队协作能力和创新能力；平时成绩主要包括课堂专题讨论情况、答疑讨论情况、定期汇报报告情况等几部分，主要考核学员的理论知识综合应用能力和总结表达能力；设立创新设计成绩，支持和鼓励有创新意识的研究生积极进行创新实验活动。通过这种综合性的考核方法能够尽可能地考核学员的各种能力，督促研究生学员有意识地加强创新实践能力的锻炼。
五、教学效果分析
采用实验教学为“测控电路与装置”课程教学带来了生机和活力，提高了课程的教学效果和研究生的实验能力。主要体现在：
1.实验教学实现了以研究生为主体的良好教学环境，使研究生在主动完成实验内容的过程中积极探索，主体意识明显增强，学习积极性大大提高；
2.转变了研究生的学习观念，激发了研究生的学习主动性，提高了动手实践能力、协调能力及解决问题和应变的能力，自我探究能力也在不断提高；
3.在完成实验的过程中，有很多问题需要讨论和相互协作，研究生之间、教员与研究生之间沟通加强，增强了团队的合作意识；
4.通过实验结果的总结和讨论，提高了研究生的语言和文字表达能力，最大限度地开发了研究生的独立思考能力，提升了研究生对于科研创新的信心。
从几年的教学效果和研究生的反馈信息来看，研究生乐意接受这种以实验能力培养为主的教学形式，课程取得了很好的实效，同时，也为理工科课程的研究生创新实践能力培养提供了一些有益的借鉴经验：
首先，要加强课程体系建设，从课程体系上深化研究生实验能力的培养。
其次，在基础实验的框架下，针对不同专业背景或不同知识掌握程度的研究生，制订深度不同、程度合理的实验内容，因材施教，让能者在专业上得到长足发展。
另外，随着高校实验教学改革的深入开展，创新和改革实验教学方式和考试方式更有待深入细致的探索和实践，尤其需要采用多元化方式激励研究生投入更多的创新思维到实验设计中去，并且不断在实践教学中检验和发展改革效果与运行机制。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李露，谢凤英，林强.关于在实验课程中培养研究生创新实践能力的探索[J].实验技术与管理，2010（11）：235-237.
[2] 吴祖芳，张艳丽，翁佩芒.工科研究生创新能力培养现状与对策[J].宁波大学学报（教学科学版），2009（3）：81-85.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]研究生教育不仅要求学生在本门学科内掌握坚实的基础理论和系统的专门知识，而且要求具备从事科学研究和教学工作或独立承担专门技术工作的能力和创新能力。笔者立足于研究生创新实践能力培养的要求，结合测控电路与装置课程教学改革，对实验课程教学模式进行探讨。笔者提出以下措施：构建模块化、递阶式的课程教学体系，引入虚拟实验、汇报交流等环节；开发虚拟仿真试验平台，完善实验室环境；构建科学的实验教学评价体系。实践证明，上述措施能有效激发研究生的学习兴趣，提高其创新实践能力。
[关键词]实验教学；创新能力；实践能力；研究生教育
[中图分类号] G643 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）01-0168-02
研究生教育属于国民教育序列中的高等教育，对国家创新人才培养以及提高国家科技竞争力具有决定性意义。研究生教育不仅要求学生在本门学科内掌握坚实的基础理论和系统的专门知识，而且要求具备从事科学研究和教学工作或独立承担专门技术工作的能力和创新能力。因此，与本科及其之前的教育不同，研究生教育的核心是培养学生的科研能力、工程实践能力以及创新能力。为更好地实现培养目标，提高培养质量，当前国内外很多工科类大专院校在研究生阶段的课程系统中开设有实验课程。大量的事实证明，研究生实验能力的高低，决定其科技创新水平的高低。而创新是研究生培养质量的标志和灵魂，离开了创新，就谈不上高质量高素质的研究生教育。
一、优化教学内容
“测控电路与装置”是我院仪器科学与技术学科研究生选修课，主要介绍测控系统常用硬件电路与装置的原理及实现技术，其完整的教学体系包括信号运算与处理电路、信号转换与模拟电路、信号激励与检测电路、测控系统设计以及新型集成电路的应用等，内容涵盖了基本的原理电路和大规模集成芯片的应用。
为了培养研究生的实验能力，我们摒弃了传统的以教员讲授为主、学生被动接受知识为辅的教学模式，对教学内容进行优化，体现由“学科系统式”向“应用系统式”的转变、由“微观局布式”向“宏观整体式”的转变、由“面面俱到式”向“精选式”的转变，将教学内容用若干个基础验证实验、综合设计实验和创新型实验贯穿起来。我们利用基础验证实验培养学生掌握坚实的基础知识，培养和激发学生创新意识，利用综合设计实验培养学生的知识综合应用能力，利用创新型实验培养学生的创新和解决实际问题的能力。
实验内容的划分可用图1表示。基础验证实验包括：运算放大器的特性与参数、运算电路的特性与参数调整、信号变换电路的特性与调整等；综合设计实验包括：基本信号处理电路设计与调整、函数发生器电路设计与调整、直流稳压电路的设计与调整、滤波电路的设计与调整等；创新性实验包括：信号产生电路设计与应用、数据采集电路设计与应用、线性系统性能分析、CPLD和FPGA芯片的应用等实验。实际教学过程中，这些实验的具体内容、要求，以及使用的器件或芯片等会根据研究生的知识掌握程度和技术的发展进行更新或调整，并鼓励研究生自主设计，自己动手，自由探索，开设创新性实验。
二、创新教学实施方法
教学过程由基础讲授、实验、撰写报告、汇报交流或检查评估等环节组成。教员在基础内容讲授的基础上，布置实验内容、要求及注意事项。研究生根据实验内容和要求进行仿真实验或实际实验，仿真实验利用Multisim软件在计算机上进行，实际实验内容利用具体的元器件和电路实验。实验由研究生一人一组进行，实验完成后要写出实验报告并制作PPT课件，在课堂进行交流。对于综合性和创新性实验，还要由教员和全体学员共同评估项目的完成情况，作为课程考核平时成绩的评定依据。2015年研究生“测控电路与装置”课程教学实施计划，我们安排了运算放大器的特性与参数、运算电路的特性与参数调整、信号变换电路的特性与调整3个基础验证性实验，综合实验安排了RC有源滤波器设计与调整、信号处理电路调试与仿真，最后以信号产生电路的设计、仿真与调试为创新性实验，鼓励研究生自主设计与创新。
创新过程可能发生在设计过程，也可能发生在仿真和调试过程中。例如，在DDS仿真电路中，U1似乎是多余的，因为它没有任何连接，而且从原理上讲DDS电路也是不需要MCU的，那么U1在电路中的作用是什么呢？在进行DDS仿真实验时，我们发现MultiSim不支持ROM的设置，即利用MultiSim无法直接设置正弦数据存储器的值，但是研究发现，在进行MCU仿真时，MultiSim允许将程序编译下载到MCU的外部程序存储器，于是我们可以将整个DDS电路看作MCU的外围电路，并利用MCU的程序编译过程实现对U2的加载，进而实现DDS电路的仿真。
三、完善实验环境
培养研究生的实验能力对教员的素质和教学的实验条件提出了更高的要求。教员不仅要熟练掌握教学内容，还要具有丰富的相关学科知识，能正确解答研究生在实验过程中提出的问题。同时，实验条件也应满足教学要求，包括虚拟仿真实验所需的计算机和电路仿真软件，以及实际实验中用到的实验平台、仪器仪表、元件器件等。
虚拟仿真实验利用计算机和电路仿真软件MultiSim进行。针对实际电路实验，我们建立了相应的实验平台。该实验平台除了可完成热电偶、光敏电阻、霍尔器件等基本元器件测试以及基本的模拟、数字电路实验外，还可对实验内容三个层次完成运算放大器特性与参数调整、差动放大器性能分析、波形转换电路实验、信号产生电路实验、滤波电路实验、数据采集系统设计与分析、线性系统的频域响应分析、典型环节时域响应分析、电工电子创新设计、机电一体化综合创新设计以及智能飞行器创新系统设计等实验项目。
四、构建综合考核评价体系
实验教学考核评价体系的构建应该将鼓励创新放在首位。“测控电路与装置”课程考核成绩主要由实验设计与操作的成绩、平时成绩、创新设计成绩三部分构成。其中，实验设计与操作成绩包括实验方案设计报告、实验操作情况、实验报告等三部分成绩，主要考核研究生的工程实践能力、团队协作能力和创新能力；平时成绩主要包括课堂专题讨论情况、答疑讨论情况、定期汇报报告情况等几部分，主要考核学员的理论知识综合应用能力和总结表达能力；设立创新设计成绩，支持和鼓励有创新意识的研究生积极进行创新实验活动。通过这种综合性的考核方法能够尽可能地考核学员的各种能力，督促研究生学员有意识地加强创新实践能力的锻炼。
五、教学效果分析
采用实验教学为“测控电路与装置”课程教学带来了生机和活力，提高了课程的教学效果和研究生的实验能力。主要体现在：
1.实验教学实现了以研究生为主体的良好教学环境，使研究生在主动完成实验内容的过程中积极探索，主体意识明显增强，学习积极性大大提高；
2.转变了研究生的学习观念，激发了研究生的学习主动性，提高了动手实践能力、协调能力及解决问题和应变的能力，自我探究能力也在不断提高；
3.在完成实验的过程中，有很多问题需要讨论和相互协作，研究生之间、教员与研究生之间沟通加强，增强了团队的合作意识；
4.通过实验结果的总结和讨论，提高了研究生的语言和文字表达能力，最大限度地开发了研究生的独立思考能力，提升了研究生对于科研创新的信心。
从几年的教学效果和研究生的反馈信息来看，研究生乐意接受这种以实验能力培养为主的教学形式，课程取得了很好的实效，同时，也为理工科课程的研究生创新实践能力培养提供了一些有益的借鉴经验：
首先，要加强课程体系建设，从课程体系上深化研究生实验能力的培养。
其次，在基础实验的框架下，针对不同专业背景或不同知识掌握程度的研究生，制订深度不同、程度合理的实验内容，因材施教，让能者在专业上得到长足发展。
另外，随着高校实验教学改革的深入开展，创新和改革实验教学方式和考试方式更有待深入细致的探索和实践，尤其需要采用多元化方式激励研究生投入更多的创新思维到实验设计中去，并且不断在实践教学中检验和发展改革效果与运行机制。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李露，谢凤英，林强.关于在实验课程中培养研究生创新实践能力的探索[J].实验技术与管理，2010（11）：235-237.
[2] 吴祖芳，张艳丽，翁佩芒.工科研究生创新能力培养现状与对策[J].宁波大学学报（教学科学版），2009（3）：81-85.
[责任编辑：钟 岚]
