電氣工程基礎課程實驗教學模式的研究與實踐

摘要：針對安徽大學電氣工程基礎課程實驗教學中出現的諸多問題，提出建立開放式的“虛擬實驗室”互動平臺，探索“虛實結合”的遞進型實驗教學模式。引入團隊理念和科研項目，培養學生的創新能力。實踐證明，學生的動手能力、創新精神和綜合素質均有明顯提高。同時，該模式對于其他專業實驗室的建設，也具有一定的借鑒價值和示范作用。

關鍵詞：虛實結合；開放式；遞進型；實驗教學模式

作者簡介：過希文（1983-），男，浙江嵊州人，安徽大學電氣工程與自動化學院，講師；李國麗（1961-），女，黑龍江林口人，安徽大學電氣工程與自動化學院，教授。（安徽 合肥 230601）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0087-02

高校實驗教學改革旨在貫徹落實教育部“關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見”（教高[2007]1號）和“關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見”（教高[2007]2號）文件精神。電氣工程基礎課程的實驗教學不僅是對理論教學的深化和補充，而且對于培養學生分析問題、解決問題的能力具有十分重要的作用，是當前提高學生動手能力、創新精神和綜合素質的主要手段。[1]

一、封閉式實驗教學模式的缺陷

通常，電氣工程基礎課程的實驗教學主要依靠實驗中心的硬件設備，由專門的實驗室工作人員承擔，并采用傳統的“按學時、內容、空間進行實驗”的封閉式實驗教學模式單獨設課，譬如“電路”、“模電”、“數電”等實驗室。通過近幾年的教學實踐發現該教學模式存在諸多缺陷。一是理論教學與實踐教學分別由不同的教師任教，相互之間銜接較差。同時由于大部分實驗人員長期脫離教學一線，對先進技術的發展把握不夠，因此在教學效果和新實驗開發等方面都顯得不足。二是實驗中心的建立，大量實驗設備的投入，使得基礎課程的實驗內容越來越向模塊化方向發展，學生在實驗過程中鮮有動手搭建實驗電路的過程，在模塊上直接測試參數的實驗使學生失去了大部分動手的機會。三是傳統的封閉式教學模式不但受到實驗課時數、環境以及實驗室開放程度的限制，而且每門課程開設的僅為理論教學服務的驗證性實驗，使學生在整個實驗過程中被動地適應了實驗指導書的要求，只起到一個“裝配”實驗的作用，根本無法滿足學生個性化的教學要求。同時缺乏對學生綜合實驗能力的培養，創新更無從談起。

上述問題與安徽大學培養工程應用型高級人才的教學理念相悖，同時也不利于學生綜合素質的協調發展。因此，對現有電氣工程專業基礎課程的實驗教學模式進行探索和改革迫在眉睫。

二、“虛實結合”的開放式遞進型實驗教學模式

國家教委指導委員會提議：“EDA技術是電氣類教學改革的重要方向”。針對上述問題，在教學中引入EDA技術是必然趨勢。[2]為此，提出建立和應用基于EDA技術的“虛擬實驗室”互動平臺，把“虛擬實驗室”作為傳統實驗的一個有益的補充和完善。

“虛擬實驗室”的概念最早是由美國維吉尼亞大學的William Wulf教授提出的，即利用互聯網技術將所提供的虛擬儀器、實驗題目以及內容放入網站上，遠程用戶只需利用網絡瀏覽器，而不需要其他的特殊軟件，就可以登錄到遠程實驗室的網絡教學服務器上。[3]相對于傳統的實物實驗，“虛擬實驗室”主要具有以下三大特點：一是開放性。真正實現實驗室的全方位開放，即實驗內容開放（學生可選擇）、時間開放、空間開放。另外，學生也并不需要來實驗室做實驗，自己可以隨時在宿舍電腦上進行，可預約時間向教師咨詢。二是資源共享和輻射示范性。“虛擬實驗室”對全社會的開放可以加強電氣工程基礎課程實驗中心的輻射示范作用，推動學校遠程教育的發展。三是高效性。在實驗形式、內容上融入先進的EDA技術，建立一個有生機的、有活力的、可持續發展的、新的實驗教學模式。既注重學生的基礎訓練，又注重電子系統的設計與實踐，可以有效提高電氣工程專業基礎課程的實驗教學效果。

但是由于“虛擬實驗室”本質上不可能替代實物實驗，只能作為一種補充和完善。[4]因此，在實驗教學中應充分利用“虛擬實驗室”和真實實驗的優勢研究“以虛為輔、以實為主、虛實結合、優勢互補”的開放式遞進型實驗教學模式。具體包括以下三個方面的內容：

1.建立開放式的“虛擬實驗室”互動平臺，提升教學效率

面對目前在校學生人數多、資源少、掌握新技術的成本高、經費少的矛盾，利用基于互聯網的強大的通信功能建立一個網上“虛擬實驗室”，實現電氣工程基礎課程實驗中心在時間和空間上的拓展，提高實驗教學效果。

首先，教師在講授模電、數電等專業基礎課時向學生介紹EDA等相關仿真軟件，并且通過較多實例的仿真講解，調動學生的學習興趣，使學生對該課有更深入地理解和應用。然后，要求學生課后通過該“虛擬實驗室”平臺下載相關軟件及實驗教程等內容，這樣學生就可以在自己的計算機上完成相關的虛擬實驗內容，并可通過實驗報告在線提交、師生互動等環節實現與教師的網上交流，解決在虛擬實驗中可能碰到的棘手問題。同時，也能間接培養學生利用充裕的課后時間獨立思考的習慣。

2.探索遞進型的實驗教學模式，“虛實結合”培養學生的工程實踐能力

根據電氣工程專業的培養目標和要求，通過整合教學內容、優化資源配置、改進教學方法、加強教學管理、提高隊伍素質等方法，探索遞進型的實驗教學模式，即將實驗內容分成“驗證實驗—綜合設計實驗—創新實驗”三個層次。[5]其中，驗證實驗作為必做的基礎性實驗，以滿足各門課程實驗教學的需要。綜合設計實驗為選做實驗，為后續的課程設計和畢業設計提供一個平臺。創新實驗采用項目形式，由學生獨立設計實驗目的和方案，實驗研究某一專題問題。

在教學方法上改變以往“教師猛灌”的思路，采取啟發式教學培養學生的動手能力和創新意識。其中，驗證實驗以教師為技術指導，綜合設計以及創新實驗采取以學生為主、教師為輔的教學方法，要求學生每周都要與指導教師會談。在保證安全和正確性的前提下，實驗方案、操作、實驗結果分析等都由學生全權負責，獨立做出決斷。另外，為了增強和培養學生的學習興趣及動力，考核上采用更加靈活的方式，比如獨立計算學分等措施。同時，確立虛擬實驗在基礎教學中的輔助地位，充分發揮其長處，多開綜合設計實驗，精選實物實驗內容，引導學生從虛擬走向現實，理順虛實關系，提高工程實踐能力。

3.引入團隊理念和科研項目，廣泛開展電子設計競賽，培養學生的創新能力

隊伍建設是確保基礎實驗教學的前提和條件，包括指導教師團隊和學生團隊兩大部分。

針對前者，主要是創建一支相對穩定、結構合理、具有豐富教學經驗和實踐經驗的教師梯隊。目前，安徽大學電氣工程基礎課程實驗中心成員均具有相關課程的豐富教學經驗，熟悉課程及實驗內容，能夠保證實驗的順利進行。同時具有比較前沿的科研經歷，可以更好的在試驗中指導學生去探討這門學科的應用前景，引發學生的科研興趣。由于成員所承擔的實驗課程涵蓋了電氣學院各本科專業的全部專業基礎課程，一方面方便指導學生根據所學專業知識的課程設置，在實驗內容上進行不同課程之間的知識串聯，另一方面能夠引導學生進行跨學科、跨專業的實驗嘗試。另外，從2013年起安徽大學所有青年教師必須到工廠企業掛職鍛煉學習，這無疑也強化了隊伍建設。

對于后者，考慮選擇一批對相關實驗課題感興趣的學生，充分發揮各自的長處，如動手能力、編程能力、論文撰寫等，彼此協作。同時，由淺入深地將教師的科研內容和科研成果、工程實際問題等引入到基礎課程的實驗教學中，增強學生的實際應用能力，提高教學效果。適時引入創新性實驗項目，讓學生及時了解實驗新技術的發展，注重培養學生掌握新實驗技術的能力。充分利用“虛擬實驗室”進行仿真設計與方案論證，然后在教師的指導下在傳統實驗室進行電路實現，真正做到“做中學”、“按需教”、“做工程”、“學得會”。在此基礎上，積極組織學生參加全國電子技術大賽、“挑戰杯”大賽以及“飛思卡爾”杯智能汽車等比賽，進一步鍛煉學生的創新能力。另外，安徽大學每年都會給予一定的資金支持，以“大學生科研訓練計劃項目”為載體，培養學生的創新能力。

三、實驗教學實踐

安徽大學電氣工程基礎課程實驗中心按照80臺套的實驗規模建設，于2011年初建成。中心的實驗箱均采用模塊化、通用性結構，只需通過模塊的插拔即可進行“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“單片機”、“微機原理”、“FPGA”等基礎課程的實驗和課程設計。基于上述設備資源，安徽大學電氣工程與自動化學院突破傳統實驗教學內容的約束，積極推行實驗中心的全面開放，融入電工電子最新發展成果，探索“虛實結合”開放式遞進型實驗教學模式，并在2009級、2010級學生中進行教學實踐，取得了較好的效果。筆者指導的安徽大學電氣一隊在安徽省2012年“煒煌杯”大學生單片機應用技能比賽中獲得了二等獎。

教研組精心組織了直流穩壓電源、函數信號發生器、水溫控制系統、微小信號測量系統、搶答器、頻率計、電子密碼鎖、數字鐘、交通燈控制器、電梯控制器、步進電機控制器等實驗內容。同時對指導教師進行分工，實行題目負責制。要求指導教師根據實驗內容進行模塊化細分，并要求用分立元件（模電、數電基本內容）、FPGA、單片機、專用芯片等不同方案進行內容組織，實踐“基于項目”的遞進型實驗教學。[6]

在整個實驗教學過程中，學生可以任意選擇一個項目進行實驗。例如，學生選擇步進電機項目。在模電、數電基礎實驗階段用分立元件分別進行正轉、反轉、調速、速度計數等基礎性實驗；在課程設計階段，采用分立元件進行步進電機的閉環控制實驗；在單片機實驗階段，可以選用單片機進行以上內容的實驗；在FPGA階段，則選用可編程邏輯器件再次實驗。上述內容自由發揮，不拘形式。這樣經過以上幾個綜合性設計實驗，學生會對步進電機的性能、控制手段等有相當的理解。到畢業設計階段，指導教師再給出一個關于步進電機伺服驅動的畢業設計題目，將使學生具備步進電機相關的豐富知識。另外，在基礎實驗和綜合設計實驗完成后開展一次中期考核。考核達到一定水準的學生，還可以組隊參加科研創新項目及其他形式的電子設計競賽。這樣一個循序漸進、螺旋上升的遞進型積累過程，將有利于調動學生的實驗積極性，而不是傳統的為實驗成績而實驗的模式，如圖1所示。

同時，在實驗項目的實踐教學中，分層次地讓學生掌握不同類型的EDA工具軟件，比如Multisim、Proteus、QuartusⅡ等，充分利用網絡優勢在“虛擬實驗室”中設置上述實驗內容，讓學生逐漸掌握軟、硬件相結合的分析問題與解決問題的方法，實現遞進型實驗教學真正意義上的“虛實結合”模式，如圖2所示。

四、結束語

實踐證明，在安徽大學現有教育資源狀況下，采取基于“虛實結合”的開放式遞進型實驗教學模式的改革思路，不僅可以彌補實驗室硬件更新慢等問題，而且可以實現理論教學和實踐教學的有機融合，從而保證安徽大學“卓越工程師教育培養計劃”目標得以順利實現。同時，對于其他專業實驗室的建設，也具有一定的借鑒價值和示范作用。

參考文獻：

[1]王練，夏英.高校實驗教學現狀與改革策略[J].中國科技創新導刊，2007，（25）：59-60.

[2]李國麗，應艷杰，等.電工電子實驗教學改革[J].電氣電子教學學報，2008，30（5）：60-61.

[3]劉勝兵，王鑫泉，等.虛擬實驗室與組織胚胎學實驗教學[J].實驗室研究與探索，2013，32（2）：157-159.

[4]李升源，劉宏，等.電工電子虛擬實驗與真實實驗的互補性[J].實驗技術與管理，2010，27（4）：74-76.

[5]朱群峰，王曉芬，等.試析電氣工程及自動化專業實驗室建設與改革[J].中國電力教育，2008，（9）：140-141.

[6]何林錦，翟云波，等.項目式實驗教學模式及其可行性評價方法[J].實驗室研究與探索，2010，29（2）：94-96.

（責任編輯：孫晴）