基于“新工科”背景下的電工學課程的工程教育模式研究

劉曼玲+彭衛韶+吳顯金

【摘 要】 國家“一帶一路”、“中國制造2025”與“互聯網+”等重大戰略的實施，對高等院校的工程教育提出了改革創新的要求，“新工科”也由此應運而生。本文以電工學課程為例，對“新工科”中的新型工程教育模式進行研究，將在電工學課程與現代信息教育技術相結合、電工學課程與虛擬現實相結合及電工學課程與工程實際相結合三個方面進行探索與實踐，為現代化建設培養多樣化、創新型的卓越工程科技人才。

【關鍵詞】 新工科；工程教育信息化；電工學

【中圖分類號】 G642.3 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2017）17-0-02

1.引言

全球共經歷了19世紀、20世紀與20世紀70年代的三次工業革命，21世紀世界正處于第四次工業革命（也稱工業4.0）的浪潮中。工業4.0的概念與計劃，由德國于2011年首次提出、2013年正式通過并納入高技術戰略2020。隨后，其他國家也紛紛出臺了類似的國家戰略計劃，如美國《先進制造業國家戰略計劃》、《日本再興戰略》、《法國新工業》、韓國《制造業創新3.0戰略實施方案》和《中國制造2025》等[1]。歷史證明：任何一次工業革命都有力地推動了工業生產力和社會經濟的大發展，同時也促進了教育、尤其是工程教育的大變革。實施工業4.0需要工程教育4.0，需要卓越的教育家和工程師。

2015年3月5日，李克強在全國兩會上作《政府工作報告》時首次提出《中國制造2025》的宏大計劃，它是中國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。《中國制造2025》提出，堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，實現新中國成立一百年時，綜合實力進入世界制造強國前列。2015年3月28日，國家發革委、外交部、商務部聯合發布了《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》。一帶一路旨在積極發展與沿線國家的經濟合作伙伴關系，共同打造政治互信、經濟融合、文化包容的利益共同體、命運共同體和責任共同體。

為進一步貫徹國家戰略部署要求，2017年6月16日，《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》（教高廳函[2017]33號）中提出：為應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，主動服務國家創新驅動發展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略實施，加快工程教育改革創新，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，支撐產業轉型升級，經研究，我部就推薦新工科研究與實踐項目的相關工作安排通知如下。其中通知中推薦了一批“新工科”研究與實踐項目共計21項，主要涵蓋：國際工程教育改革經驗的比較與借鑒、我國工程教育改革的歷程與經驗分析、多學科交叉復合的新興工科專業建設探索與實踐及新型工程教育信息化的探索等亟待研究的課題。“新工科”的主要研究內容可歸納為“五個新”，即工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系[2]。我校積極響應教育部“新工科”的倡議，在全校組織開展“新工科”研究與實踐項目的申報，為高等教育應對第4次工業革命的挑戰做好準備。

為了助力學校“雙一流”建設及大類招生、大類培養改革，構建“新工科”人才培養模式，本文以電工學課程為例，對新型工程教育模式進行研究，將在電工學課程與現代信息教育技術相結合、電工學課程與虛擬現實相結合及電工學課程與工程實際相結合等三個方面進行探索與實踐。

2.電工學課程與現代信息教育技術相結合

“電工學A”、“電工學B”課程是我校面對非電工科類專業開設的電類公共基礎課，包含電路、電機控制、模擬電子技術、數字電子技術等內容。它集電工電子和其它學科理論和技術于一體，覆蓋面廣，實踐性強。我校礦物、生物、測繪、材料、土木等十幾個專業均開設了此課。通過本課程的學習，可使學生獲得電工、電子技術必要的基本理論、基本知識和基本技能，了解電工、電子技術的應用和發展概況，為拓寬知識面以及從事與本專業有關的工程技術打下一定的基礎。

2014年、2015年“電工學A”與“電工學B”被列為中南大學開放式精品示范課堂并均已結題。2017年1月“電工學A”被批準為中南大學開放式精品示范課堂認定項目。為了改善電工學內容多，學時少，課程難學、實驗難做的狀況，根據當今大學生個性張揚、易于接受新事物與精通互聯網等特點，開放式精品示范課堂在電工學課程與現代信息教育技術相結合方面做了一些嘗試，如開發了電工電子網站；建立了郵箱、QQ群與微信交流平臺；將阿里巴巴集團開發的“釘釘”辦公軟件運用到教學中，上傳教學大綱、教學標準、課件、教案、試卷到網站，學生可以隨時收看；與之關聯的導學、實驗、實習、錄像等也在群和公共郵箱中共享，為學生提供了一個開放的、多維度的課堂。

隨著網絡技術與信息技術的發展，大型開放式網絡課程（massive open online courses，MOOC）蓬勃發展，美國Udacity、Coursera與edX三大網絡教育品牌的誕生，給教育理論和人才培養注入了新的活力，為全球優秀資源共享提供了更為廣闊的平臺，也為先進知識的傳播提供了更加方便的途徑。研究在線學習的美國專家曾把教學內容的質量、教師在教學中的投入以及師生之間的互動作為在線學習的三要素[3]。近幾年中國也涌現了愛課程、慕課網、中國大學MOOC等中國十大慕課網，靈活的教學模式與自由的學習方式讓成千上萬的中國學生參與其中并從中受益。

2016年12月，“電工學”被批準為中南大學精品在線開放課程，今年暑假已全部完成視頻錄制，有望不久將登上國家級教育平臺的MOOC網。在下面將要進行的網絡資源建設中，將根據新工科的要求與MOOC的特點，在工程實際方面進行深入研究，實現一個支持學生學習、師生交互、協同學習、信息共享和易用性高的網上學習系統。如利用網絡平臺，建立討論區，加強“師生互動”和“生生互動”。老師在固定的時間，通過網絡與學生討論有關該課程的學習方面的問題；建立課程論壇，學生通過注冊、登錄論壇相互自由討論；將基本概念和容易混淆的問題編制成隨機抽取自測題，學生可以上網反復測試并取最高分；采用協助學習的形式，學生之間互評網上作業并打分；介紹新技術的發展和應用及簡單電子產品的制作；利用電子仿真軟件如Multisim、Proteus或視頻錄像等增加一些實物、實例和實驗的演示；引導學生從電工電子工程的框架入手，先確定整個項目的功能結構、邏輯劃分等，啟發學生如何完成項目的基本要求和擴展要求，培養學生良好的思維方法與實際才能。總之，遵循學習-實踐-理論-總結的教學模式，使學生所學知識向能力轉換，并走向工程應用。endprint

3.電工學課程與虛擬現實相結合

針對“電工學”課程內容多、學時少，應用性與實踐性強的特點，在與該課程有關的實驗、實習、電子創作與設計大賽中積極開展改革。近幾年先后有“電工電子基礎實驗開放式精品課堂”、“自主運行開放性實驗室管理的研究”、“中南大學創客空間”及“中南電子與沉浸式虛擬現實仿真實驗”等四個項目獲學校審批，其中采用的教學方法之一就是在課堂、實驗與綜合性實例中采用電子設計軟件Multisim、Proteus進行輔助教學。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具；Proteus是英國Lab Center Electronics公司開發的電子設計自動化軟件，它還是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。這2款軟件均具有功能強大、操作簡易的特點，可實現數字電路、模擬電路與混合電路的仿真與調試。在教學中采用電子設計軟件對電路進行仿真和調試，讓一些抽象、枯燥的知識點變得形象直觀、易于理解；Multisim、Proteus中虛擬元器件與儀器儀表齊全，學生若能在實驗前利用仿真進行實驗預習，將有助于他們建立起直觀的感性認識、減少實際中的盲目操作和走過場現象，真正達到理論與實際相結合的目的。

為了讓學生們能掌握Multisim、Proteus技術并學以致用，采用學生自學、交流展示等方式進行，并推選一個學生負責仿真作業的管理，如將習題冊、書上章節后的練習題、實驗和應用實例等列成表格、發布，讓學生自由選取。同學們做好仿真以及相關的PPT后發給負責人把關，再由老師審閱后共享到QQ群里，挑選優秀的作品到講臺上演示，仿真作業的分數納入到期末平時成績的總分中。實踐表明：采用理論與應用、虛擬與實際相結合的方法，將電路與電子技術的原理圖用仿真軟件真實地再現出來，激發了學生的學習熱情，延伸了課堂的時間與空間，提高了他們的自主學習能力，也取得了良好的教學效果。

根據“新工科”對多學科交叉融合工程人才培養的要求，在已有實踐經驗的基礎上，進一步加強電學與學生所學專業的關聯與結合，將電子大賽和工程實際中的題目引入到教學中，讓學生熟悉設計、仿真與制作電子產品的全過程，真正使學生達到學以致用、知行合一的目的。

4.電工學課程與工程實際相結合

電工學A、電工學B開放式精品示范課堂與實驗改革、仿真項目的實行，改變了過去傳統的“講三練二考一”的教育模式，使學生感到電工學課程難學的狀況得到了改善，在教學內容、教學方法和教學實踐方面也取得了一些成績和經驗，但離國際化的“講一練二做三”的工程教育模式還有一定的差距，因此采用CDIO中的構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）與操作（Operate）的教育理念，在電工學課程的研究中，進一步實踐體驗CDIO（構思—設計—實現—操作）的工程教學法流程。

CDIO是由美國麻省理工學院聯合世界著名工科大學從2000年開始研究實施的先進教育模式，它以“基于項目教育和學習”（Project based education and learning）為基礎，以產品研發到運行的生命周期為載體，使學生通過基于項目的學習，感受企業文化氛圍，形成工程能力和素質[4]。項目驅動式教學法采用啟發—交流—創新的模式，即先從實際應用提出一個問題，讓學生思考如何用現有知識解決，通過探討后如何應用新的工程技術知識解決。項目驅動式教學法的優點在于：一是調動學生的學習熱情；二是學以致用；三是啟發科學思維。因此，將實踐性強的電工學系列課程與CDIO的教學理念相結合，將有利于培養學生的主動學習能力與實踐動手能力。

《電工學（多學時）導學教程》被列為2017年中南大學精品教材立項項目，課題組老師將根據新工科的特點與CDIO的教學理念，編好此本輔導教材，將傳統的“學工程”轉向“做工程”，為學生指引導航。

湖南省與全國大學生電子設計競賽每年交叉進行，具有一定的權威性和影響力，也吸引了許多的電子愛好者、優秀大學生參賽。電子競賽中要求學生做出實際的產品：如小車、電源、四旋翼等，完成這些作品需要進行以下流程：方案選擇—設計—仿真—編程—制作電路板—計算和選擇元器件—分塊調試—聯調等，與工程實際十分貼近。為了更好地搞好電子競賽，中南大學一般從成績好且有興趣的大學二年級的學生中選拔，電類與非電專業的學生均可以參與，讓他們在具備一定的電子技術、編程語言等理論基礎和參加電工與電子實驗、實踐后進行，效果會比較好。老師與公司中的技術人員利用中南大學創客空間與創新實驗室對學生進行大規模數字集成電路的設計方法、設計理念、設計流程及工具的培訓，學生可以在課余時間、暑假進行電子創作和賽前的實訓工作。有一批高精度的示波器、信號發生器、頻譜分析儀、高頻信號發生器、電子負載儀等電子設備供學生學習和研究使用；具有完整的一套制板儀，學生用Altium Designer軟件設計PCB后，可在該制板儀上完成其生產全過程，充分學習和了解電路板的制造過程；大型虛擬實驗仿真與預習平臺，為開放實驗、學科競賽與創新活動等提供電路仿真支持，平臺在自定義增加仿真模型之后，可以無限擴展。

根據“新工科”的要求，計劃在已有實踐的基礎上，密切校企聯合，采用“請進來”和“走出去”的方法，加強與實際工程的聯系，緊跟科技前沿，更新知識與技能，讓企業為學校提供技術與硬件的支持，學校為企業輸送優秀人才。事實證明：凡是參加業余電子創作與電子競賽訓練的學生，他們查找資料、學習新知識的能力，發現問題與解決問題的能力都有了較大的提高，在軟件調試、硬件制作與排除故障等方面尤為突出，受到保研高校與用人單位的歡迎。

5.結語

在電工學課程中引入“新工科”中的新型工程教育模式，必將激發學生的學習興趣和主觀能動性，提高高等學校的教學質量，為實現國家的“一帶一路”、“中國制造2025”的戰略部署和培養多樣化、創新型卓越工程科技人才做出貢獻。

參考文獻：

[1]周開發，曾玉珍.新工科的核心能力與教學模式探索[J]，重慶高教研究，2017（5）：22-33.

[2]李華，胡娜，游振聲.新工科：形態、內涵與方向[J]，高等工程教育研究，2017（4）：16-19.

[3]李曼麗.MOOCs的特征及其教學設計原理探析[J]，清華大學教育研究，2013，34（4）：13-21.

[4]王娜，霍英.“互聯網+”時代嵌入式課程教學改革研究與實踐[J]，中國教育信息化，2017（4）：37-40.endprint