競賽式電工電子實驗教學體系的研究

李紅玲 李玲

摘要：在深入分析研究型實驗教學體系的基礎上，將研究型實驗教學體系與競賽式教學方式結合，進行了競賽式電工電子實驗研究型教學體系的研究。探究了競賽式綜合實驗的實施方法和主要環節，并以傳感器信號采集與處理電路設計為例進行了說明。從多層次實驗教學內容、實驗室開放與創新、學生科研創新能力三個方面，闡述了競賽式教學方法對電工電子實驗研究型教學體系構建的促進作用。實踐表明，競賽式實驗教學體系對培養學生的分析能力、實踐能力、創新能力以及合作精神，效果顯著。

關鍵詞：競賽式教學；電工電子實驗；研究型教學體系；教學改革；創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0272-03

電工電子實驗是電氣工程相關專業的實踐性教學課程，在實驗教學實踐中，開展研究型實驗教學模式，在鞏固基礎理論知識的同時，能很好地鍛煉學生的實踐動手、分析和解決問題以及電路的設計能力，加強其開拓意識和創新能力[1-2]。電工電子類競賽是面向工科大學生的科技活動，其目的是提高大學生的綜合素質和創新意識，培養學生綜合應用電工電子、數學等理論知識解決實際工程問題的能力，激發學生學習知識的積極性，同時也能推動高校的實驗教學體系的改革與教育創新的進程[3-4]。將電工電子類競賽引入電工電子教學實踐中，采用競賽式實驗教學方式，對學生進行系統的電工電子電路的工程實踐訓練，能提高學生綜合應用專業知識和技能解決實際問題的能力，并提高工程的設計能力與創新能力。武漢大學國家電工電子實驗教學中心長期致力于電工電子實驗課程的研究型教學體系構建工作，探索運用競賽式課程設計教學方法培養大學生分析問題和解決問題的能力，提高學生創造性和創新能力。

一、競賽式電工電子實驗研究型教學體系

電工電子實驗以電工、應用物理為基礎，以電子技術、儀表技術、測試技術為指導，側重于理論指導下的實踐、技能培訓及綜合能力的提高。傳統的電工電子實驗環節中驗證性的基礎實驗居多。驗證性實驗能加強學生對基礎理論知識的理解和鞏固，訓練學生對儀器設備的基本操作技能，對學生基本理論、基本方法的學習和基本技能的掌握起重要的作用。但是，由于基礎實驗學時和內容的限制，學生無法獲得利用基礎電路單元去構架較復雜的電路系統設計的訓練。

由于電氣工程相關專業對應用技術有較強要求，我院提出注重鍛煉學生的實踐能力和分析解決實際問題的能力，著力培養“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的應用型創新人才的思想。因此，學生完成基礎性實驗課程后，需要將實驗內容向以設計性、綜合性方向為主的綜合實驗發展，形成多層次的實驗教學內容[5-7]。

電工電子類競賽的題目比較靈活，能夠充分發揮參賽學生的創造能力。參賽者根據題目的要求，完成從選題、資料收集與整理、方案的設計與實現、結果的分析與檢驗，直到設計報告的撰寫的整個設計制作全過程。而且，在課題的整個設計過程中，設計團隊之間的交流和合作必不可少，要求學生有很好的協調能力與分工合作能力。可見，電工電子類競賽注重學生應用理論知識的能力、動手解決問題的能力，以及創新能力和合作精神等的綜合能力。這與我院培養應用型創新人才的指導思想完全一致。因此，我院在電工電子實驗研究性教學體系中引入競賽式教學方式，以設計競賽的方式實施電工電子綜合實驗的教學。

二、競賽式電工電子綜合實驗的實施

（一）電工電子綜合實驗

電工電子綜合實驗是教師事先給定實驗要求和任務，學生自主設計課題實現方案的實驗。綜合性實驗既要體現內容的綜合性與創新性，又要體現知識能力素質的培養。通過綜合性實驗的開展，引導學生運用綜合的觀點和創造性思維去思考現實中的復雜問題，使學生有更多的組織、判斷與選擇的機會，可有效地培養學生綜合分析問題和解決問題的能力。

綜合實驗所需準備內容較多，難度較大，要求學生組成實驗小組來完成，培養學生的分工合作精神和團隊精神。實驗題目給定后，學生查閱實驗內容的相關知識，并進行討論，確定實驗的設計方案，方案經教師審查通過后即可進入實驗設計。這種學生自行設計實驗方案、在實踐探索中學習知識的方式可有效地激發學生的主動性和創造性，教師的引導則保證了教學的質量。

（二）競賽式綜合實驗的實施環節

我院競賽式電工電子綜合實驗的實施主要有以下幾個環節組成：

1.實驗目的和任務以及基本原理講解部分。講解內容包括實驗項目的提出，實驗目的和任務的解析。同時圍繞實驗內容講解硬件系統的設計方法、規范、工具，以及最終的報告文檔形式等。讓學生建立一個解決實際問題的總體過程概念，以及電工電子產品研究開發的總體設計思路，了解各個環節之間的關系和技術要求，達到理論聯系實際的目的。

2.實驗設計資料的查找和整理。在明確實驗設計基本規則和內容后，學生需要進行課題資料的收集和整理。學生通過多種途徑在圖書館和網絡上查找相關理論和技術資料，并就所需元器件等進行市場調研，還要到開放性實驗室里學習和了解儀器設備的技術參數和性能，最后將收集的資料進行分析和整理，為最終確定設計方案做好充分準備。

3.討論和確定設計方案。在分析參考資料的基礎上，學生提出實驗的設計方案，并進行方案的論證分析。包括確定實驗方法、理論計算和仿真等。然后教師和學生一起就設計方案進行討論和評價，找出不足點，明確努力方向和目標。教師要以競賽的要求要求學生，在科學引導的同時，要充分調動學生的學習積極性和創造性，鼓勵學生獨立思考問題和解決問題的能力。學生則充分發揮其主觀能動力和潛能，進行開拓性思維，形成自主學習，研究性學習和探索式學習模式。

4.系統調試階段。學生就確定的實驗方案在開放式實驗室內進行電路仿真和調試。我院電子電路實驗中心積極創造條件，設立了實驗室開放與創新項目。部分實驗室采取了全方位的開放模式，開放性實驗室對學生實行實驗時間開放，實驗器材開放，突出了實驗教學以學生為中心的開放模式。學生根據選取的實驗項目完成實驗內容，測試電路的性能指標等參數。同時值班教師負責安全及提供必要的幫助和技術指導。為學生自主學習、自主發展、研究性學習和實踐創新提供條件。

電工電子綜合實驗中電路調試階段最能鍛煉學生的實踐能力和意志。調試過程中往往會因為一點點小的疏忽或是實際電路參數小的變動等影響到整個實驗的順利實施。理論上很簡單的電路，在實際調試中會出現種種問題。這就要求學生在遇到困難時，發揮刻苦鉆研的精神，將理論和實際聯系起來，加強學生間的溝通和互相幫助，善于發現問題和解決問題。并在不斷的質疑中強化問題意識，在實施中產生靈感，在挫折中鍛煉意志。整個調試過程中，學生在品嘗挫折和失敗的滋味后，會更加深刻地感受到獲得創新靈感和成功帶來的喜悅。

5.撰寫實驗報告與答辯評獎。學生完成實驗方案的設計和測試后，對實驗結果進行整理和分析，并撰寫實驗報告。教師就學生的實驗報告進行答辯，考察學生對電工電子基礎理論知識、實驗和設計技能等知識的綜合運用，以及總結表達等方面的能力。并發掘學生理論聯系實際過程中，在方案選題、實驗方法和設計等方面的閃光點。最后參照競賽的評價機制，對學生的綜合實驗設計進行評獎。分為集體獎和個人獎兩種。比較各組以團隊合作實現的綜合實驗，根據設計方案和實驗效果的優劣，評出獎項等級，對學生的溝通能力和團隊協作能力給予肯定。并就答辯中表現突出的個人，評出個人獎項，對學生的實踐和創新能力給予充分肯定。另外，對于那些在實驗實施中不夠成功，或者實驗結果錯誤的實驗小組，要綜合考慮學生在整個過程中的努力和創新，保護學生的學習積極性和創造性。

這種競賽形式的電工電子綜合實驗，整個實驗設計實施過程中，新知識、新技能的學習滲透其中，學生在不斷的實踐和探索學習中，對科學研究有了更清晰的認識，開闊了視野，擴大了知識面，擺脫了書本的局限。達到了對學生進行電子電路工程實踐系統訓練的目的，提高了學生綜合應用專業知識和專業技能的能力。

（三）競賽式綜合實驗的實施實例

下面以傳感器信號采集與處理電路設計為例，來講述競賽式電工電子綜合性實驗的實施。

首先指導教師解析實驗目的和任務，以及實驗設計所要實現的功能。

1.實驗目的。傳感器能感受被測信號，如溫度，壓力、聲強、電流等，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號。傳感器輸出的微弱信號經過信號采集和處理電路后，能轉換為便于計算機采集和處理的信號。因此，傳感器及其相關信號調理電路被廣泛用于測量各種不同物理量。

傳感器信號采集與處理電路設計這一實驗，通過傳感器的選取和信號處理電路的設計，使學生掌握傳感器的工作原理，信號放大和濾波等電路的功能、構成和調節方法，進而掌握傳感器信號調理電路的工作過程，培養和鍛煉學生發現問題、分析問題和解決問題的實踐能力。

2.實現功能。要求設計一個傳感器信號采集與處理電路，電路主要由傳感器和信號處理單元兩部分組成，系統框圖如圖1所示。其中，傳感器檢測被測信號的變化，并轉換成有用的輸出信號。信號調理電路的功能將微弱的傳感器輸出信號轉換為便于檢測和處理的信號，其組成根據傳感器輸出信號的不同而有所不同，通常由前置放大電路、濾波電路、主放大電路等組成。其中，前置放大電路實現與傳感器的阻抗匹配，使信號能夠有效傳輸；濾波電路環節的功能是選取信號頻段，降低噪聲，濾除干擾信號等；主放大器進一步放大信號，將信號放大為適合數據卡采集的信號。

學生根據實驗的內容分組討論和確定設計方案，然后進行電路的調試。學生在電路調試過程中不斷地發現問題并完善設計方案，實現該綜合實驗的功能。

三、競賽式教學方法對電工電子實驗研究型教學體系構建的促進

實踐表明，在電工電子實驗中引入競賽式教學，促進了電工電子實驗研究型教學體系的構建，其教學效果有顯著提高。

（一）形成多層次的電工電子實驗教學內容

電工電子實驗研究型教學體系將實驗劃分為由低到高的三個層次：基礎性實驗，設計型實驗，創新研究實驗。綜合性實驗既要體現內容的綜合性與創新性，又要體現知識能力素質培養。通過競賽式綜合實驗的開展，引導學生運用綜合的觀點和創造性思維去思考現實中的復雜問題，使學生有更多的組織、判斷與選擇的機會，可有效地培養學生綜合分析問題和解決問題的能力。

（二）促進電工電子實驗室開放與創新

采用競賽式的綜合實驗教學后，部分實驗室采取了全方位的開放模式。創新實驗室擁有更多、更高檔的儀器設備、實驗器材、工具等，主要針對經過開放實驗室鍛煉并表現優秀的學生。學生們組成競賽式的創新活動小組，開展復雜的創新性實驗。學生根據自身興趣和能力，并結合實際申報課題，指導教師們審定后，組織學生進行講解并答辯，確認方案可行后立項，給予一定經費資助。

進行競賽式創新教學以后，學生可自主設計實驗，對電工電子類理論知識進行反復操作和論證，也可進行創新性實踐活動，使大學生的動手能力和創新創業意識得到全面提升。

（三）對學生科研創新能力的促進和提高

在電工電子實驗中引入競賽式教學模式，引發了學生的實踐性電工電子技術學習的熱潮，學生在實踐過程中表現出了極大的興趣，充分發揮了主動性和創造性。在競賽式綜合實驗設計和實施過程中，學生運用學過的理論知識，并自學一定的相關知識，在實踐中發現問題，自己分析和解決實際問題，從而促進了其自學和實踐能力的提高。雖然學生的最終作品不完美，但學生通過一個完整的競賽項目，能在過程中磨煉意志，培養其學術上的刻苦鉆研精神，并鍛煉其邏輯思維能力，從而真正體現實踐性技術人才的培養目標。

四、小結

對于“電工電子實驗”這類實踐性很強的實驗課程，采用競賽式實驗教學方法，建立研究性實驗教學體系，并加強實驗教學方法的改進和完善，對提高實驗教學質量，培養學生實踐能力和創新精神具有重大的意義。

電工電子類競賽注重提高學生的綜合素質，對培養學生的理論聯系實際能力、創新能力以及團隊合作精神有很大的促進作用。在電工電子研究性教學模式中引入競賽式教學方法，體現了以學生為本的教學理念，能充分發揮學生的學習自主性，培養學生的研究習慣，鍛煉學生分析和解決問題的能力，為創新意識和創造能力的培養奠定基礎。

競賽式的電工電子綜合實驗的開設，使學生在方案設計中強化了理論知識應用實踐的意識，在方案實施中強化了發現問題和解決問題的意識，在挫敗和討論中鍛煉了意志和團隊協作能力，在答辯中鍛煉了文字表達和表現能力。整個綜合實驗設計過程中，學生對學習過的專業知識有了更加清晰的認識，并學習了許多書本上沒有的實踐知識和技能，真正體會到項目設計和實施過程中的曲折和成就感。實踐表明，競賽式電工電子實驗教學體系對培養學生的分析能力、實踐能力、創新能力以及合作精神都大有益處。

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