新工科背景下“电工学”实验教学模式改革探索

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　　[摘要]该研究为适应新工科建设与创新能力人才培养的需要，提出了四项“电工学”实验教学模式改革的基本措施，即建设形式多样的仿真实验平台，建设综合创新实验室并优化创新实验内容，开放实验室并采取开放式实验教学方法，在细化、调整考核模式的基础上新增考核内容等，然后针对每项措施给出具体的实施方案。改革后的实验教学模式能够实现对学生工程实践能力、创新能力和知识综合运用能力的培养，符合新工科建设要求。
　　[关键词]新工科;“电工学”实验;教学模式改革
　　[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2020）02-0023-04
　　一、前言
　　“新工科”的概念在2016年首次被提出，教育部组织高校开展深入研讨，逐渐形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，这标志着高等工程教育进入新工科建设阶段[1]。人才培养是高校发展的核心目标，创新创业能力是工程人才培养的必要条件，创业能力是新产业发展的必备能力，创新能力是产业和经济发展的源泉以及产业发展必须具备的核心竞争力。因此，新工科建设要把创新创业能力培养植入人才培养方案[2-3].“新工科”的内涵具体而言就是以新经济、新产业为背景，树立大工程观、绿色工程教育、全面工程教育“新理念”，构建新兴T科和传统工科相结合的学科专业“新结构”，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新质量”，建立完善的中国特色工程教育“新体系”[4]。
　　新工科建设目前主要存在以下几方面问题[5]：政策方面的顶层设计和引导作用不足，工程教育体制不够完善，产学研结合未达预期效果，学生的创新意识和创新创业能力不足。
　　中国拥有世界上最大规模的工程教育，工科在校生占高等教育在校生总数的1/3，近年来每年T科本科毕业生占世界- -科本科毕业生总数的1/3以上[6]。实验室是现代大学的心脏，实验教学是培养学生创新意识和实践能力的重要环节，以新工科为教育主线开展创新实验教学，才能适应新时代人才培养的需要。
　　二、“电工学”实验教学改革的必要性
　　实验室是高等学校实施素质教育、培养学生创新精神与实践能力的重要基地。实验室面向全体学生开放，为学生提供全方位的实验实践条件是教学改革的重要内容，是培养创新人才、实施素质教育的客观要求。如何搞好实验教学，加强实验环节，培养学生的动手能力，一直是工科教学中的重要问题[7]。“电工学”实验教学开展的目的，不仅是用实验来验证所学理论知识，更主要的是使学生通过实验掌握基本的电工电子实践技能，观察实验中出现的现象和问题，并能应用电工学的理论分析、解决实际问题[8]。
　　传统的“电工学”实验教学存在以下几方面不足[9]。
　　（1）实验时间有限。如果实验太难或者内容过多，在有限的时间里就不能完成，教师只能简化实验或者选取比较容易的实验来做，这就不利于学生对知识的理解和掌握。
　　（2）以验证性实验为主。大部分院校主要开展验证性实验，这种方式虽有助于学生理解所学知识，但实验项目和实验步骤等都是确定的，缺少实验设计环节，这不利于学生分析问题和解决问题能力的培养。
　　（3）实验缺乏创新。传统的“电工学”实验教学一直是实验教学依附于理论课程，实验项目都是由教师选定的，这不利于学生主观能动性的发挥。
　　（4）实验条件差异大。由于自身实验条件不够好，好多学校无法实现单人单组实验。多个学生一组，不利于学生根据兴趣与特长自由选择实验内容。
　　另外，开放式实践教学只是在少数院校开始采用，但是各院校的落实程度相差很大，这就不利于学生创新能力和实践能力的培养[10-11]。为了适应新形势的发展要求，需要激发学生学习的主动性，培养学生的创新能力，使理论与实践紧密结合，以便于学生创新精神和实践能力的培养。因此必须对传统的“电工学”实验教学进行改革。
　　三、“电工学”实验的新工科教学与考核模式改革措施
　　针对“电工学”实验教学巾存在的问题，可以采取的改革方法为“三结合法”，即“基础实验、EDA仿真实验与综合设计实验相结合”;教学模式上采用“强化预习、教师指导与综合设计相结合”;考核方式上采取双向考核模式，并通过调整、细化与新增考核标准，最大限度地体现分数与能力的相关性。对教学内容与教学模式的改革要注重强化预习环节、增加网络学习资源、整合优化实验内容、引入电路仿真分析、增加综合类设计实验等内容。
　　（一）开展仿真实验平台建设
　　理论教学环节涉及的分立元件较多，实验室受资源条件限制无法满足全部演示要求，可以采用Multisim、psplce等软件提供实验室不能提供的新器件，节省因元器件安装、电路调试产生的费用和时间，达到经济高效的目的。同时，软件仿真环节不仅有助于较快解决学生在实验环节出现的问题，而且能拓宽学生的设计思路，有利于学生创新能力的培养。
　　我校电工实验教学巾心在仿真实验平台建设巾采取的具体措施为将Multisim等仿真软件作为学习工具融人課堂教学及实验教学巾，选择实验任务巾的2个实验为必做的仿真实验，并将其分为3个阶段：第一阶段为仿真建模与结果演示阶段，完成基本功能练习和指定任务操作;第二阶段为综合拓展阶段，需要结合工程应用案例完成相应的建模与仿真;第三阶段为总结报告阶段，是一个思考、总结、提升的环节。经过这个过程学生不仅能积极主动地参与工程应用问题思考，其动手能力、自主学习能力和分析解决问题能力等也得到提高。另外，结合仿真实验给每组学生发放一套器件，让他们按照实验的要求课下完成实验电路的连接，调试好以后再到实验室开展验证。这种方法不仅能锻炼学生独立动手组装、焊接和调试电路的能力，而且能节省课堂实验时间。学生可以在课堂上学习更多诸如EDA仿真软件应用等方面的新内容和新技术，从而提升自身的综合设计能力。 　　（二）开展综合创新实验室建设与优化创新实验内容
　　本文提出综合创新实验室建设与创新实验内容优化整体方案，如图1所示，其总体思想是在建设仿真实验平台的基础上设计综合创新实验，实现提高学生综合创新能力的最终目标。
　　综合创新设计型实验要求综合应用本门课程的多个知识点，甚至需要运用其他课程或专业知识才能完成，其开展目的是培养学生自主学习、设计分析和应用创新的能力。不同于传统实验项目，综合创新实验的主体是学生，指导老师辅助指导，教师出题与白选题目相结合。合理选用启发式、讨论式、开放式与组合式相结合的教学方法，使实验教学活动能真正建立在学生自主选择、主动探索的基础上，他们通过查阅资料、讨论思考、亲身体验、咨询探究等方式获得本实验的最优方案。
　　我校电工实验教学中心采取的具体措施是根据课程性质独立开设3门与理论课程配套的实验课程，分别为电工技术实验、电子技术实验和电工电子技术实验，并在此基础上开设学生可以白由选择的创新实验课程，让学生根据课程要求选择相应的实验内容。同时鼓励创新实验课程学习表现优秀的学生去参加国家大学生创新和创业计划项目、全国大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车竞赛、“挑战杯”全国大学生课外科技作品竞赛、智能机器人大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛等，激发学生的创造力，培养学生的科学素养，提高学生的工程实践能力、创新创业能力和就业竞争力。在各类竞赛中取得一定成果的项目，通过精心设计验证可以将其转化为新的综合创新实验内容，为开放性实验提供很好的素材。
　　（三）开放实验室与采取开放式实验教学方法
　　1.时间与空间的开放
　　实验室全天候开放，通过注册的学生，可以自由选择时间到某个实验室练习各种仪器的操作，或者开发创新实验和其他竞赛项目等，这种时间和空间的完全开放给学生提供了更多的选择自由，有利于调动学生学习的积极性和主动性。
　　2.教学内容的开放
　　根据学生的兴趣、专业背景和能力不同，对实验项目进行合理整合、精选和更新，将其分为必做实验和选做实验，设计多样化的实验内容，让学生可以自由选择基础验证性、综合设计性或研究性的实验。
　　3.教学方式的开放
　　为了节约时间和扩展实验内容，教师将仪器仪表常规操作规范、注意事项、使用流程等内容录制成视频放在教学网站上，学生可以课前自由安排时间学习，同时预习与实验相关的原理、目的、内容、步骤等。在课堂上，教师选讲某些重点和难点内容，补充相关知识，要求学生单人单组完成必做实验内容。在此基础上有能力开展综合创新实验的学生，可以独立或者组队完成相关实验。
　　开放实验室必须加强管理，为了落实实验室深度开放政策，对认证通过的学生放宽其进出实验室的时间。在开放实验室落实监督和管理实验室资源的举措，比如完善监控系统，学生申请领用所需物品时要规范登记流程，提示使用规则和归还要求，制定追责规定与制度，实施师生共管共治，指定时间与区域负责人，发挥组长的带头作用，同时聘请研究生助教协助管理与解决现场问题。
　　（四）采取双向考核模式并优化考核评价体系
　　从人力资源开发和管理的角度来看，建议采用双向考核以及评价与激励并用的管理模式。双向考核即指导教师考核上课的学生，确保学生实验效果;上课的学生考核任课教师，激励任课教师提高教学水平。对教师的考核与评价需要注意以下几点：一是考核评价标准应该与新工科学科专业建设的总体目标和阶段任务相一致;二是应该将考核评价与绩效管理相结合，及时反馈评价结果并分析原因、解决问题。对教师进行激励的目的在于充分调动教师参与新工科专业建设的积极性和主动性，其政策的制定应该立足于教师的长远发展，即教师经历的丰富以及能力和素质的提高，而不是教师短期工作任务的完成。对学生的考核评价主要采取教师评价、学生白评、学生互评、结题报告相结合的办法，按照一定的比例确定最终成绩，改变单凭实验报告判定成绩的现状。
　　对学生学习效果的考核，主要通过细化、调整、新增考核指标来实现精准化考核。课程教学与考核模式改革调整后的内容安排与各部分所占比例如表1所示。要通過完善考核和评价体系，来促进学生求真务实地学习，培养学生的创新意识。采取全过程的考核模式，减少重复验证性的考试内容。师生之间形成一种默契，彼此都不再关心“考试”，而是将学习、考试、考核融为一体，这样有利于改变学生为了考试而学习的现象。
　　四、结语
　　在这3年的实验教学模式改革中，我们始终坚持将培养大学生的工程实践和科技创新能力放在首位，已经取得初步成效，探索出了在技术基础课教学中培养科技创新人才的途径。实验课程调查结果显示，学生对改革后的教学模式非常认可，认为它能普遍提高学生主动学习和动手操作的兴趣，实验内容满意度高达95%。开发综合创新实验十几项，主动参与并完成综合创新实验的学生较之前增加了35%。近3年，我校电工实验教学中心为5000余名本科生完成“电工学”实验和开放实验系列课程的学习与实践提供了支撑，指导、支持本科生参加各类竞赛并获得国家级奖项近10项，省部级奖励30余项，校级和其他竞赛接近100项，受益学生覆盖面非常广。
　　本文针对“电工学”实验教学中存在的问题，以提高学生实践能力和创新能力为目标，探索了“电工学”实验教学模式改革的途径，符合新工科建设要求，帮助教师实现从知识的传递者转化为学习的指导者，提高了学生学习的积极性。综合创新实验不仅是“电工学”实验教学模式改革的重点，也是实现新工科目标的关键，必须不断探索与实践，逐步完善创新实验教学的体系和模式。
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　　[责任编辑：庞丹丹]
　　[收稿时间] 2019-03-18
　　[基金项目]西北工业大学教育教学改革研究项目“《电工学》课程混合式教学模式的探索与实践”（W015305），教學与考核模式改革项目“电工技术实验”。
　　[作者简介]王文东（1984-），男，山东嘉祥人，博士，副教授，硕导，研究方向：电工学系列课程教学、实验教学及相关研究。袁小庆（1979-），男，河南确山人，博士，副教授，硕导，宝钢教学名师，陕西省电工学研究会副理事长，研究方向：电工学系列课程教学、实验教学及相关研究史仪凯（1952-），男，陕西兴平人，本科，教授，博导，第四届高等学校教学名师奖获得者，陕西省教学名师，中国电工学研究会副理事长，研究方向：电工学系列课程教学、实验教学及相关研究赵妮（1976-），女，陕西西安人，硕士，讲师，研究方向：电工学实验系列课程教学及相关研究。
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