電氣工程及其自動化專業層進式實驗教學模式探索

李 明，王潤濤，房俊龍，果 莉

(東北農業大學 電氣與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

電氣工程及其自動化專業層進式實驗教學模式探索

李 明，王潤濤，房俊龍，果 莉

(東北農業大學 電氣與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

東北農業大學電氣工程及其自動化專業結合專業特點提出了層進式實驗教學改革模式，構建了啟發性實驗、基礎實驗、虛擬在線實驗、綜合設計實驗、創新項目、大學生競賽、應用型畢業設計等逐層遞進的實驗教學流程，分析了各個環節的教學方法和目的，構建了培養學生創新思維和工程實踐能力的實驗教學體系，幫助學生實現從認識到自主設計的遞進，從提升到應用階段的遞進。實踐表明，層進式實驗教學模式可有效破解實驗教學資源不足的問題，有助于加強學生應用技能的培養。

層進式；電氣工程及其自動化；實驗教學模式

DOI號：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0022

隨著經濟結構與產業變革的發展，人才供求關系與高等教育結構出現新的矛盾，單一的學術型或應用型人才已經不能夠滿足社會的需要[1]。教育部[2015]7號文件《引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》指出，要建立創新應用型技術技能型人才培養模式，建立以提高實踐能力為引領的人才培養流程。

電氣類學科是高等教育體系中重點基礎性學科之一。電氣類人才服務于工業、農業、制造業的各個環節，對國民經濟的發展起著決定性的作用。電氣技術的發展更新速度日新月異，這使得該學科需要不斷地進行人才培養方案和課程體系改革來順應社會發展。實驗是理論的基礎和源泉，整合相關的專業基礎課，適當提高專業技能實訓和實驗實踐課比重，采取合理有效的實驗教學模式，更加專注培養學習者的技術技能和創新創業能力，是電氣類學科發展的重點。

目前，我國大部分高等院校已經意識到實驗教學改革的重要性，但由于實驗條件的限制以及實驗教學模式的缺陷，致使實驗教學未能達到理想的效果[2]。在有限的實驗條件下大幅度地增加實驗實踐課程學時，會出現實驗設備維護、實驗室管理以及師資配備資源不足，造成擁擠紊亂狀態。而幾乎所有的高校想要實現一步到位式的實驗條件改善都存在著很大的困難。因此，構建適合當前瓶頸階段的有效實驗教學模式，需要結合現有實驗條件、專業特點、教學資源等綜合因素。

東北農業大學電氣工程及其自動化專業為農業工程學科主導專業，由于電氣技術發展日新月異，實驗教學設備更新不能與時俱進，導致實驗資源與實際生產應用無法實現無縫接軌。為加強學生應用型技術技能的培養，學校采取層進式實驗教學模式，利用層次性規劃教學手段建立了完整的教學體系。經過實際教學驗證，層進式實驗教學模式適用于培養學生創新思維和工程實踐能力。本文對農業院校電氣類專業層進式實驗教學模式進行探討，以期突破實驗教學資源不足的瓶頸，對應用型人才培養有所裨益。

一、層進式實驗教學模式

電氣工程及其自動化專業是電氣類學科的主導專業，涉及電工電子、系統控制、電氣控制、電力系統自動化等方面的電氣技術。實驗教學環節中，不僅要讓學生理解鞏固理論知識，還要引導學生主動學習不斷更新發展的新技術[3]，培養學生創新思維和工程實踐能力。層進式實驗教學模式通過啟發性實驗、基礎實驗、在線虛擬實驗、綜合設計實驗、創新項目、大學生競賽、應用型畢業設計逐層遞進的學習模式(圖1)，引導學生實現從主動認識到創新應用的過程。層進式實驗教學模式各階段內容和目的說明見表1。

圖1 層進式實驗教學模式

二、從認識到自主設計的遞進

從認識到自主設計的遞進與學生的理論學習過程相輔相成。剛入學的一年級新生，沒有接觸過專業理論課程，以較少學時量(一般10學時左右)的啟發實驗為引導，使學生初步認識本專業的研究內容及方向；一年級下半學期至二年級上半學期，學生開始專業基礎理論的學習，為了加深理論知識的理解，設置相應的基礎實驗，內容以驗證和鞏固為主，學時量一般為16～32學時；二年級下半學期，學生進入專業性較強的理論階段，為實現基礎性與專業性的過渡、節約設備資源，設置在線虛擬實驗，在實際動手操作前學會制定可行性驗證方案，學時量一般10～24學時；三年級是鍛煉學生所學與所用相結合的關鍵時期，通過設置綜合設計實驗，使學生掌握理論知識與實際操作的結合點。下面分別闡述啟發、基礎、在線虛擬、綜合設計等4類實驗的具體內容。

(一)啟發實驗

啟發性實驗課程面向剛入學的新生，采用公開選修課的形式，不區分專業方向，以學生自學為主，高一屆學生指導低一屆學生為手段，教師考核為輔助的管理模式。課程內容以認識和基礎操作為重點，包括電工電子課程中元器件、測試儀器的讀取及使用方法，電機的類型參數及基本運行方式的了解，電力系統各個單元的設備及運行方式的認識等，并設置基礎的實驗項目供學生選作。如：電機驅動系統、溫度報警器、放大模塊與系統、開關電源Buck變換器的設計與制作，不需要學生掌握太多的理論知識和操作經驗，能夠激發學生對電氣知識的興趣，促進學生主動獨立學習[4,5]。

(二)基礎實驗

基礎實驗與理論課程相匹配，延續傳統的經典理論驗證實驗，如電工理論的基爾霍夫定律、戴維南定理、串聯諧振電路、三相交流電路等。基礎實驗需由教師指導監督進行，電氣類實驗存在一定的危險性，尤其是強電實驗，在學生實驗操作入門階段，處于模糊和嘗試狀態，教師在鼓勵學生動手操作的同時，強調操作規程、傳授經驗，確保安全。通過基礎實驗環節，學生不僅鞏固加深了理論知識，而且在具體實驗過程中提高了動手能力、分析判斷能力，能夠應對實驗過程中出現的部分儀器設備故障和線路連接錯誤，養成科學嚴謹的學習態度[6]。

(三)在線虛擬實驗

在線虛擬實驗對解決高等學校資源不足過渡時期的困難具有顯著效果。虛擬仿真技術是與理論研究、實驗研究并列的第三種科學研究手段。虛擬仿真實驗課程的載體是計算機與網絡，高等學校可以根據現有的資源狀態建立仿真實驗平臺。電氣工程及其自動化專業虛擬仿真實驗平臺課程體系見圖2，學生可以通過網絡遠程訪問仿真平臺，下載視頻教程，進行在線仿真，并對仿真結果進行自動校驗。

圖2 虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真平臺促進學生自主學習，在仿真成功的基礎上進行實踐操作，減少實驗設備的占用時間，增加學生主動思考能力，也能夠啟發學生發現理論應用于實踐過程中存在的問題。

(四)綜合設計實驗

綜合設計實驗是培養學生創新思維的關鍵環節，學生在掌握了理論知識和仿真技能的基礎上，可以進行獨立的小型設計實驗。如：拔河游戲機設計、智能交通燈設計、直流電機伺服系統設計、電力系統調度運行設計等，即使是傳統的題目，也能夠通過不同思維角度、利用新型的技術或元器件實現。綜合設計實驗要求學生獨立設計實驗方案、實驗電路，仿真通過后，教師提供所需的實驗器材并輔助答疑。綜合設計實驗培養了學生的實踐創新意識和理論聯系實際的學風，有助于培養學生工程實踐素質、提高學生針對實際問題進行設計制作的能力。

三、從提升到應用階段的遞進

(一)成立創新興趣協會

通過前述幾個實驗環節的鍛煉，學生對本專業技術已經具備了一定的實踐能力，但也體現出個體的差異性，學生的興趣方向與實踐動手能力均表現各異。為進一步提升學生的工程實踐能力，可根據專業特點組建創新興趣協會。東北農業大學電氣與信息學院以農業電氣化與自動化專業、電氣工程及其自動化專業、電子信息專業為依托，成立了由專業教師組成的實驗教學改革團隊，選拔部分學生自愿參加并組建了電子工藝設計協會、電力系統自動化協會、自動控制協會、新能源發電協會等，學生可以按照自己的意愿選擇協會，發揮所長。興趣協會能夠幫助學生實現從獨立創作到團隊合作之間的轉變，全面提升學生的實踐技能與綜合素質。

(二)創新項目申報

教育部提出大學生創新創業訓練計劃對推動人才培養模式改革具有重要意義，高等學校均有不同程度的資助。創新實驗項目以團隊或個人為單位申報，由專業教師負責監督指導，要求立題新穎，能夠綜合利用本專業的相關技術，具有一定工程實踐意義和市場價值[7，8]。東北農業大學采取由校團委協調管理，學院自由組織申報的方式搭建了大學生創新創業平臺，設立了不同等級的資助標準，一般創新項目1 000元、校級項目3 000元、省級項目10 000萬元，并以學院為單位組建了評定委員會，對項目的立項與結題進行評審。學生們對創新項目的申報積極踴躍，如：電氣與信息學院5名學生自擬創新項目“智能家居系統”，綜合利用ZigBee和NRF24L01設備之間的無線數據傳輸、人臉識別指紋識別技術和語音控制技術，實現家居的遠程智能化控制，迎合了目前市場上新型家居的發展趨勢。該項目得到了東北農業大學SIPT計劃的支持。創新實驗項目強化了學生創新實踐能力，提高了學生團隊協作意識，提升了學生工程實踐能力。

(三)鼓勵學生參加大學生競賽

全國大學生電子競賽、挑戰杯是電氣類大學生廣泛參與的創新創業科技競賽，為大學生自我實現提供了平臺，為優秀人才的脫穎而出創造了條件[9，10]。學生能夠通過競賽鍛煉意志、拓寬視野、激發潛力、發現不足。參賽隊伍的組成采取以強帶弱、以高帶低的結構，如：每個參賽隊5人，組成結構為三年級2人、二年級2人、一年級1人，高年級同學在知識范圍與實踐能力上能夠引導低年級同學，有利于比賽過程中任務的分配與團隊和諧，能夠給不同層次學生充分的發揮空間。參加競賽隊員的選拔采取考核方式，由帶隊導師擬題，學生自由組隊，在規定時間內完成考核題目。導師通過每個學生的綜合表現選出參賽隊員，評分標準分為5項：理論分析能力20%、動手操作能力20%、團隊協作能力20%、創新能力20%、測試與表達能力20%，通過參賽考核環節，促進理論考試成績一般的學生發揮所長，增加自信心，為自己準確定位。

(四)應用型畢業設計

本科生畢業設計是高等教育培養過程中的重要環節，也是最終環節，旨在培養學生綜合運用本科階段所學的專業知識，應用于工程實踐，適應用人單位需求的能力。目前，畢業設計的通用流程是：論文選題、實驗、撰寫論文、答辯，學生將大部分精力投放到論文書寫和排版以及查重。選題的價值、實驗的過程、結論的準確性較多依賴教師指導。由此造成畢業設計質量逐年降低，此問題已經引起各大高校教育工作者的關注。電氣工程及其自動化專業所學技術的突出特點是發展更新速度快，畢業設計選題與實驗技術需要不斷更新，與當前社會實際應用相結合，通過建立應用型畢業設計模式能夠改善學生混沌設計的局面，流程見圖3。

圖3 應用型畢業設計流程

應用型模式仿照企業項目申報過程將畢業設計每個環節細化，讓學生有目的地完成設計過程。首先學生通過調查市場現狀充分了解社會所需，從而擬定設計題目，指導教師組織班級或者協會成員集體進行討論，驗證題目的可行性。對于較大的題目，以團隊的形式分成子題目分塊完成。方案的擬定、論證均采取集體討論形式完成。具體的實驗過程學生可以根據題目需要選擇在實驗室完成，也可直接進入企業以實習的方式完成。畢業論文的撰寫旨在鍛煉學生對所做工作的總結能力。在電氣類本科教學中沒有專門設置論文撰寫的課程，因此需要指導教師在學術論文的寫作方面對畢業生進行必要的培訓。“完整的實物設計+清晰的畢業論文=優秀的畢業設計”，優秀的畢業設計能夠成為學生應聘用人企業的敲門磚，是學生從學生時代邁向社會的橋梁。

四、實施效果

東北農業大學電氣與信息學院采用層進式實驗教學模式10余年，培養學生1 500余名。統計結果顯示：學生在專業基礎課與專業課的考試中，70%達到優秀等級(90～100分)、25%達到良好等級(80～90分)、5%達到中等(70～80分)，合格率100%。這表明層進式教學模式能夠鼓勵學生自主學習，制約惰性學習心態。學生參加大學生競賽獲獎87項，其中國家級獎46項，主持大學生科技創新項目100余項，表明層進式教學模式能夠激發學生創新思維。學生獲得校級優秀畢業生稱號800余名、攻讀985院校研究生280余名，就業率達到100%，其中40%任職于大中型企業，如國家電網、德州儀器、華為科技、周立功單片機、許繼集團等，部分優秀畢業生在企業擔任中層以上職務，用人單位的高度認可充分體現了層進式實驗教學模式對培養應用型技術技能型人才的可行性。

培養高素質優秀人才是高等學校的辦學宗旨，創新精神和實踐能力是我國社會發展現階段對人才培養的基本需求，電氣類學科實驗教學模式的改革應結合專業特點，整合實驗資源，調動教師團隊，激發學生潛力，充分利用學科優勢，為社會主義發展和建設培養優秀的棟梁。

[1] 許家瑞，周勤，陳步云，等.構建創新實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2009，26(5)：1-4.

[2] 陳華東，任耀軍，劉永泉，等.實驗室管理機制及運行模式研究[J].實驗技術與管理，2016，33(1)：232-235.

[3] 劉宏達，蘭海，馬忠麗，等.培養大學生綜合素質，改革電氣工程專業實驗教學模式[J].實驗技術與管理，2011，28(3)：128-131.

[4] 劉興華，王方艷.以創新人才培養為核心的實驗室開放模式探索[J].實驗技術與管理，2016，33(1)：9-12.

[5] 楊鳳珍，謝蓉，高欣，等.開放式研究性專業實驗教學模式的探索[J].實驗技術與管理，2011，28(8)：23-25.

[6] 陳雪梅.以學生自主學習為主的實驗教學模式實踐與思考[J].實驗技術與管理，2014，31(6)：197-199.

[7] 元澤懷，陳曉明.任務驅動型實驗教學模式的實踐與探索[J].實驗技術與管理，2014，31(1)：169-171.

[8] 湯淼.軟件工程專業“項目驅動”實驗教學模式研究[J].實驗技術與管理，2012，29(4)：267-271.

[9] 鮑芳芳，陳作明.“以賽帶訓”實驗教學模式探究[J].實驗技術與管理，2013，30(6)：110-112.

[10] 陳盈，郭文平，黎建華.基于競賽理念的計算機網絡實驗教學模式改革[J].實驗技術與管理，2015，32(6)：181-184.

(編輯：王 佳)

2016-10-29

黑龍江省教育廳高等學校教改工程項目：“農業院校電氣工程類專業綜合改革與實踐”(編號：JG2012010062)；黑龍江省教育廳高等學校教改工程項目：“基于泛在網的農業電氣信息類自主創新運行機制與管理的研究與實踐”(編號：JG2013010129)。

李 明(1984-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要研究方向為實驗室管理與實踐教學。

G642.0

A

1008-6927(2017)01-0102-05