全面開放自主式網(wǎng)絡實驗教學探究

王 革 思

(哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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全面開放自主式網(wǎng)絡實驗教學探究

王 革 思

(哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

從如何吸引學生熱愛實驗課、熱愛科技創(chuàng)新以及更有效地發(fā)揮實驗教學對學生創(chuàng)新精神與實踐能力培養(yǎng)入手，科學系統(tǒng)推進課程群建設，促進各課程之間的內(nèi)在聯(lián)系及學科之間相互交叉融合。以學生為中心，按照實訓基本技能、提升理論知識應用、培養(yǎng)綜合與創(chuàng)新型能力進階式需求，構建一個多層次、模塊化電子電路實驗課程體系。設計一個網(wǎng)絡實驗教學平臺，可以進行多層次、多向性的實驗教學。研發(fā)了EDA實驗項目、虛擬儀器實驗項目和測控操作平臺。通過這些教學資源成果導向，讓學生接受教師在教學方法、教學理念方面的創(chuàng)新思想，分享到教師在科研、工程實踐方面的創(chuàng)新經(jīng)驗，同時在時間、空間、內(nèi)容、儀器設備方面實現(xiàn)了全面開放，對培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力能夠起到很大的幫助作用。

網(wǎng)絡實驗教學; 實驗課程體系; 電子電路; 教學資源; 創(chuàng)新型人才

0 引 言

在工程和科學領域中，實驗作為理論研究與實踐應用的接口環(huán)節(jié)占據(jù)著舉足輕重地位。近些年來中心圍繞著國家“走中國特色新型工業(yè)化道路，建設創(chuàng)新型國家、建設人力資源強國等戰(zhàn)略部署”，認真貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》，從如何更有效地發(fā)揮實驗教學對學生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)入手，科學系統(tǒng)推進課程群建設，夯實理論知識、重視信息技術、突出實踐應用、倡導科技創(chuàng)新教學[1]。將開放與創(chuàng)新作為開放式實驗教學的精準目標，優(yōu)化實驗課程體系結構，精選實驗課程內(nèi)容，分層次設計[2]，構建了以學生為中心、成果導向和持續(xù)發(fā)展的實驗教學體系，在培養(yǎng)本科生應用型和創(chuàng)新型人才中取得了顯著成效。

1 實驗課程體系創(chuàng)新

實驗教學方式、實驗教學內(nèi)容改革以及實驗課程體系創(chuàng)新都會指向同一個目標：吸引學生熱愛實驗課，熱愛科技創(chuàng)新，更好地消化吸收理論知識，為學生成才打下堅實基礎。中心堅持“強基礎、重能力、抓創(chuàng)新”的實驗教學改革思想，以學生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)為核心，按系列設置課程，將實驗課與理論課互為融合，教學內(nèi)容不斷融入科研、工程、創(chuàng)新和實驗教學改革成果，引入信息技術，改進實驗教學手段，增加新型實驗項目，已經(jīng)形成了比較完整的適合應用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實驗教學體系。電子電路課程所包括的模擬電路、數(shù)字電路等均為電子信息類專業(yè)核心技術課程，其實驗教學環(huán)節(jié)對培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新型人才起著至關重要作用。中心按課程群系統(tǒng)組織，打破課程之間壁壘，促進課程之間的內(nèi)在聯(lián)系及學科之間相互交叉融合，構建了一個以學生為中心的多層次、模塊化電子電路實驗課程體系。這種實驗課程體系遵循“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程，通過各種教學資源成果導向，以學習過程的差異去調(diào)節(jié)學生個體的興趣、特長、能力和智力的差異，為不同發(fā)展特點的學生提供多樣化、自主化的學習方式。從實驗認知、應用、綜合、創(chuàng)新的不同層次[3]，逐級、漸進地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

(1) 第一層次是實訓基本技能。包括演示、驗證、儀器儀表操作等。針對初學者的知識背景，著重培養(yǎng)學生規(guī)范化實驗技能和科學的思維方式，使學生初步掌握科學實驗的方法和設計思想，強化理論知識的理解和實驗基礎；

(2) 第二層次是提升理論知識應用能力。教師應特別注意啟發(fā)式、探究式和項目式等多種教學方法的靈活運用，通過對一些簡單、有工程背景的問題分析和研究，使學生了解和掌握電子線路分析、設計、仿真、安裝與調(diào)試整個過程，提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生實事求是的科學作風和認真嚴謹?shù)目茖W態(tài)度；

(3) 第三層次是培養(yǎng)綜合與創(chuàng)新能力。這一層次實驗教學涉及多門學科理論知識，以項目驅(qū)動為導向，以學生為主體，以教師為主導，開放式實驗教學[4]。內(nèi)容安排上既要體現(xiàn)知識的綜合性與創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力素質(zhì)培養(yǎng)，同時也要強調(diào)基礎、應用知識部分的重復性。學生還可以自主提出具有一定的水平和前瞻性的題目，倡導論文式的實驗報告。激發(fā)學生主動學習的熱情，有利于學生個性發(fā)展，提高學生創(chuàng)新意識和能力。此外，學生還能熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法，增強學生面向社會的競爭能力。

2 構建網(wǎng)絡實驗教學平臺

開放式實驗教學已成為國內(nèi)各高校教育教學改革的重要舉措和研究熱點。然而，現(xiàn)有的開放實驗教學模式大多是在教學時間和教學空間上的開放，而不注重教學內(nèi)容和儀器設備上的開放，所以在一定程度上還是不利于學生自主性和創(chuàng)造力的發(fā)揮[5]。網(wǎng)絡實驗教學平臺建設注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代結合、學用結合[6]，以全面提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為核心，以信息化實驗教學資源建設為重點[7]。大部分實驗內(nèi)容既可在課內(nèi)完成，也可在課外完成，其目的是給學生提供開放和自主的學習環(huán)境[8]，能夠讓學生以自己的方法去思考、拓展，不斷地提出問題和解決問題，將被動式學習變?yōu)樽杂X學習、主動成長[9]，同時還注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，使學生在理論知識學習和實踐能力鍛煉方面均會得到顯著的提高，從而實現(xiàn)教學質(zhì)量的全面提升。

電子電路網(wǎng)絡實驗教學平臺采用微軟ASP設計實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用微軟Access。該平臺包括學生用戶、教師用戶和管理員用戶3個子模塊以及相對應的功能模塊，見圖1。

(1) 學生用戶模塊。其功能包括實驗預約、在線實驗、實驗報告上傳、實驗成績查詢、實驗資料下載、學生用戶個人信息管理等。該模塊是整個網(wǎng)絡實驗教學平臺的主體。

(2) 教師用戶模塊。其功能包括教師用戶個人信息管理、預約實驗情況查看、實驗項目管理、實驗成績管理、實驗資料管理、實驗報告管理等。通過該模塊能夠確保網(wǎng)絡實驗教學的順利進行。

(3) 管理員用戶模塊。管理員為平臺的超級用戶，具有最高權限。該模塊功能包括系統(tǒng)帳戶管理、學生用戶帳號管理、教師用戶帳號管理、實驗項目管理、實驗預約管理、實驗室公告管理等。通過該模塊能夠?qū)W(wǎng)絡實驗教學平臺進行初始化以及維護。

圖1 電子電路網(wǎng)絡實驗教學平臺結構圖

在網(wǎng)絡服務器端，基于B/S模式，結合NI公司的Component Works組件等，將EDA實驗項目和虛擬儀器實驗項目以ActiveX的形式嵌入到HTML文件中，通過IIS以及ASP.NET將這些HTML文件添加到網(wǎng)絡實驗教學系統(tǒng)中，并且對外發(fā)布實現(xiàn)網(wǎng)絡實驗教學功能。這樣，通過網(wǎng)絡平臺可以進行多層次、多向性的實驗教學，學生可以在任何一臺網(wǎng)絡計算機上進行自主學習和實驗。

3 網(wǎng)絡實驗教學資源開發(fā)

3.1 EDA實驗項目

EDA技術融合了電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設計。其中，Multisim 軟件是知名的EDA仿真軟件之一，它內(nèi)含數(shù)萬種元器件和13種常用的虛擬儀器儀表，可以方便地搭接各種電子線路，準確地對電路進行仿真分析。本著實驗項目與興趣相結合、以需求為導向、以問題作牽引、以能力培養(yǎng)為重點[10]的原則，中心利用Multisim軟件構建了虛擬的電子電路實驗教學環(huán)境，按照從基礎、應用到創(chuàng)新的發(fā)展等級將實驗項目分成多組單元[11]，集合成庫。運用規(guī)范化、模塊化的設計方法，研發(fā)出4類原創(chuàng)性EDA 實驗項目庫，分別針對培養(yǎng)學生的實驗技能、理論知識應用能力和創(chuàng)新能力的需求(見表1)。庫中的每個實驗項目均具有典型性及工程背景，圖2是一個典型的EDA實驗項目。

表1 電子電路實驗項目庫列表

圖2 電冰箱壓縮機控制器

EDA實驗項目既能節(jié)省大量資金，又可以突破傳統(tǒng)實驗在內(nèi)容、元件、儀器上的限制，最大限度地提高學生實踐應用能力，有效地培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和工程理念[12]。

3.2 虛擬儀器實驗項目

在培養(yǎng)學生實踐能力和綜合素質(zhì)過程中，不僅要注重結合理論教學，提高學生科學素養(yǎng)，還要注重前瞻性和創(chuàng)新性教育[13]，為此，中心還結合部分科研、工程項目成果，研發(fā)了雙通道數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)等10余個適合實驗教學的虛擬儀器項目，見圖3。

該實驗項目操作界面形象、直觀，利用仿真產(chǎn)生波形的方法來模擬數(shù)據(jù)的采集、記錄和回放。學生只要在安裝了LabVIEW開發(fā)環(huán)境的計算機上，通過編制好的VI程序就可以進行自主學習和實驗。

3.3 測控操作平臺

為了解決因儀器、場地、時間等造成的實驗教學條件和環(huán)境不夠理想的問題，中心自研了一種測控操作平臺。該平臺與本地物理設備的連接可通過TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡接口，這樣就可將分布于不同實驗室的儀器設備及其他硬件資源集成起來，形成一個分布式實驗儀器設備測控系統(tǒng)，從而為學生提供更廣闊的自主實驗教學空間，在提高實驗儀器設備的綜合利用率及共享的同時，也讓學生在網(wǎng)絡中享受到與昂貴專業(yè)設備相媲美的實驗儀器設備。

圖3 雙通道數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)

4 開放實驗教學取得的成效

(1) 實現(xiàn)課內(nèi)外實驗教學一體化。研究成果提供了網(wǎng)絡與虛擬仿真相結合的實驗環(huán)境以及內(nèi)容豐富的實驗教學資源。課下學生可以進行實驗前的預學、預做、預練；課上教師可以通過典型電路的仿真演示，分析、講解工程應用電路設計教學案例，讓學生掌握先進的設計思想及技術，加深對理論知識的認識和理解，提高知識綜合應用能力，教學效果顯著。

(2) 實現(xiàn)教學內(nèi)容系統(tǒng)化、層次化。通過對獨立設課的“電工基礎實驗”“電子技術基礎實驗”“電子電路綜合實驗”進行系統(tǒng)地梳理、整合、規(guī)范，優(yōu)化實驗課程體系結構，精選實驗課程內(nèi)容，分層次構建了電子電路實驗課程體系。學生可以根據(jù)自身的興趣、特長和需求，通過網(wǎng)絡平臺進行自主學習、自主實驗，在擴展視野、提高實踐能力的同時，還培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

(3) 搭建起科技創(chuàng)新輔助平臺。在學校精英教育體系中，學生科技創(chuàng)新占據(jù)“三分天下有其一”的地位。網(wǎng)絡平臺提供的教學資源中有相當一部分凝煉教師多年的科研和教研成果，教師的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新經(jīng)驗不僅吸引了學生參加科技創(chuàng)新活動的熱情，還為學生科技創(chuàng)新交流創(chuàng)造了條件。每年可為參加科技創(chuàng)新活動提供服務的學生多達數(shù)百人。

(4) 取得顯著教學效果。研究成果為實驗教學的內(nèi)涵建設及可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐，對培養(yǎng)高質(zhì)量的本科生起到重要作用。近3年來，學生參與教師科研和教研項目26項，承擔各級大學生創(chuàng)新性實驗計劃17項，獲得各類省部級科技創(chuàng)新競賽獎勵100余項。每年還有20余名學生通過科技創(chuàng)新活動所取得的優(yōu)異成績被保送研究生。

5 結 語

近幾年來，中心從探究學生工程實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)以及提高實驗教學質(zhì)量方面不斷地推進改革與研究。電子電路網(wǎng)絡實驗教學平臺構建及其配套教學資源開發(fā)，為學生自主學習、自主實驗以及科技創(chuàng)新交流創(chuàng)造了條件，在時間、空間、內(nèi)容、儀器設備實現(xiàn)了全面開放，大大激發(fā)了學生實驗興趣和參與創(chuàng)新熱情[14]。通過平臺學生既能接受到教師在教學方法、教學理念方面的創(chuàng)新思想，還能夠分享到教師在科研、工程實踐方面的創(chuàng)新經(jīng)驗，使學生在提高理論知識應用水平、增強工程實踐能力以及擴展視野的同時，還在培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力方面得到了巨大的幫助。信息化實驗教學資源開放與共享，可使優(yōu)質(zhì)資源最大化發(fā)揮其價值[15]，充分發(fā)揮國家級示范中心的示范輻射效應。

[1] 吳軍強，徐小東，許衛(wèi)明，等．省級計算機實驗教學示范中心建設研究與實踐[J]．實驗技術與管理，2014，31(4)：118-121．

[2] 徐曾春，胡 平．開放式實驗教學與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)[J]．中國大學教學，2015(10)：82-85．

[3] 陳東輝，江 敏，錢 平．電氣工程專業(yè)工程實踐教學體系的構建[J]．實驗室研究與探索，2013，32(11)：193-196．

[4] 周秦武，張 博，張大龍，等．以項目驅(qū)動為導向的專業(yè)綜合實驗課程設計與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31(3)：183-185．

[5] 胡 總，徐建東，李希合．自主型開放實驗教學管理平臺的設計與實現(xiàn)[J]．實驗技術與管理，2008，25(6)：36-39．

[6] 劉夢琴，鄺代治，馮泳蘭，等．以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心構建多元化實踐教學體系[J]．實驗室研究與探索，2014，33(3)：189-193．

[7] 徐 進．2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J]．實驗室研究與探索，2014，33(8)：1-5．

[8] 劉艷芳，張力軍，焦福菊．面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的計算機網(wǎng)絡實驗教學[J]．實驗技術與管理，2014，31(4)：28-31．

[9] 朱光輝，胡雪娜．新形勢下本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究[J]．實驗技術與管理，2014，31(7)：25-27．

[10] 余新平，余士求，余厚全．《數(shù)字電子技術》課程實驗教學改革探索[J]．實驗科學與技術，2012，10(5)：67-69．

[11] 王革思．電子電路實驗教學資源建設研究[J]．實驗技術與管理，2015，32(1)：167-170．

[12] 王 帥，張 瑩，孫 艷．虛實結合的電路原理實驗教學模式探索[J]．實驗科學與技術，2015，13(5)：135-137．

[13] 趙同剛，劉 樂．以卓越工程師為目標驅(qū)動人才培養(yǎng)方式的改革[J]．實驗技術與管理，2015，32(1)：164-166．

[14] 儲開斌，楊長春，朱正偉，等．虛擬項目教學法在模擬電子技術教學中的應用[J]．實驗室科學，2011，14(3)：109-112．

[15] 胡 凱，鄭興福，陳如松，等．江蘇高校實驗教學示范中心共享平臺建設與實踐[J]．實驗室研究與探索，2014，33(8)：144-147．

Research and Practice on the Experiment Teaching of Fully Open Autonomous Network

WANGGe-si

(National Electrotechnics and Electronics Experiment Teaching Demonstration Center，Harbin Engineering University, Harbin 150001， China)

In order to attract students to love the experimental class, love science and technology innovation., combined with how to let the experiment teaching be more effectively in the cultivation of students’ innovative spirit and practical ability, considering the construction of curriculum group promoted by a scientific system, the promotion of internal relations among different courses and the interdisciplinary integration, our aim is to set up a multi-level and modular electronic circuit experiment course system. Take the student as the center, in accordance with the basic skills training, improve the theoretical knowledge and application ability, comprehensive training and innovative ability advanced demand. On this basis, we are going to design a network experimental teaching platform in which multi-level and multi-direction experiment teaching can be carried out. Research and development of EDA experimental project, virtual instrument experimental project and measurement and control platform can let the students accept the teaching method, the teaching idea innovation thought, share to the teacher in the scientific research, engineering practice of innovation experience. At the same time, to achieve a comprehensive open experimental teaching in time, space, content, instruments and equipment, to cultivate students' innovative spirit and practical ability can play a very helpful role.

network experimental teaching； experimental curriculum system； electronic circuit； teaching resources； Innovative talents

2016-03-12

王革思(1960-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，主要從事實驗教學與實驗室管理的研究工作。

Tel.:13206521967; E-mail:wanggesi@hrbeu.edu.cn

TP 391; G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0159-04