跨學科視角下的電工電子公共實驗教學探索

何杏宇，楊桂松，周亦敏

（1. 上海理工大學公共實驗中心，上海 200093；2. 上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

隨著技術的進步與發展，不同知識領域相互滲透，高校學科日益交叉融合[1]。為了順應知識的演進和學科發展以及培養具有跨學科視野和協同創新意識的復合型人才，許多高校已經打造面向全校科研和教學的公共實驗平臺[2]。公共實驗平臺一方面可以滿足交叉學科的科研和教學需求，有利于開拓學生視野，培養學生創新能力，另一方面可以實現實驗室、儀器設備、師資、實驗材料、科研資源的高度共享，提高了實驗資源的利用率。公共實驗平臺給實驗教學帶來新的挑戰，使傳統實驗教學模式不再適用。為此，本文將針對公共實驗教學的特點，對跨學科視角下的電工電子實驗教學模式進行分析和探索。

1 跨學科對電工電子公共實驗教學帶來的挑戰

信息技術的發展使得電工電子技術成為眾多交叉學科的基礎課程，因此，公共實驗平臺下的電工電子實驗課程需要為不同的交叉學科服務，例如汽車電子、醫療器械、能源控制、測試技術、生物電子等專業。跨學科視角下的電工電子實驗教學不僅需要兼顧不同學科的應用需求，而且要考慮來自不同學科的學生興趣和基礎層次差異[3]。為了能夠有針對性的對電工電子公共教學進行改革，本文對跨學科視角下的公共實驗教學工作所面臨的問題作了如下總結：

（1）不同學科與電工電子技術的結合點不同，學生興趣各異。不同學科與電工電子技術的結合點各不相同，不同學科的學生對電工電子技術感興趣的內容也各不相同[4]。例如，汽車電子專業體現機械與電子控制技術的結合，利用信號控制技術實現制動、牽引、變速、轉向；生物電子專業注重生物分子與電子信息號處理的結合，利用電子信號處理技術對生物分子進行識別、采集、放大和傳導；醫療器械專業重視電子測控技術，研究各種關于醫療檢測的傳感器、精密儀器以及圖像處理設備等。通過對學生進行問卷調查發現，不同學科學生對電工電子技術的關注點也不相同，他們通常對自己所學專業背景下電工電子技術知識更感興趣并且理解接收效果更好。然而，在傳統的電工電子實驗教學中，教學內容固定且統一，并且實驗教師往往是電學專業出身，所引用的教學應用案例也都是從通信、計算機以及電子信息相關專業的角度出發，這種默認非電專業與電類專業擁有相同背景知識的做法，一方面比較難引起其他非電專業學生的共鳴，另一方面對非電類學生增加了學習理解難度。

（2）學生基礎參差不齊，需求各有高低。對于來自不同專業的學生在電工電子技術基礎知識的掌握程度各不相同這一點，很容易理解，對于相同專業的學生由于興趣各異也可能產生不同的學習需求這一點，也是電工電子公共實驗教學應該關注的。例如，有一部分非電專業的學生只想掌握簡單的電工電子技術，將主要精心放在本學科知識上，只希望將來能夠在與電類專業技術人員合作時具備溝通和提出合理需求的能力，而另一部分非電專業的學生則非常專注鉆研電工電子技術在其專業領域的應用和創新。即使電學專業的學生的對電工電子技術知識的研究深度和需求也是各有高度的。例如，一部分電學專業學生更關注理論研究，希望通過實驗來鞏固他們對理論知識的理解，另一部分電學專業學生則具有更好的動手能力，希望通過各種電子設計競賽來加強自己的實踐創新能力。然而，傳統的電工電子實驗教學更加注重基礎，教學形式單一，大部分采用集中授課形式，雖然可以在一定程度上關注學生的多元性，但對學生進行因材施教，尤其對有創新能力的學生進行系統化培養上仍有局限性。

（3）覆蓋面廣，人數多，文案工作繁雜。公共實驗平臺下的電工電子實驗課程要接納來自不同專業的學生，面對眾多的學生人數，實驗教師不僅要對學生在實驗預習、設計指導、進度跟進和實驗報告檢查等各個環節的情況進行記錄和存檔，另外還要對學生課后補做實驗進行輔導和答疑的登記和管理[5]。然而，目前大部分教學環節的文案工作都人工執行，存在重復性勞動，不方便長時間和大規模管理和存檔，并且容易出錯[6]。

2 電工電子實驗教學針對跨學科和公共教學的適應性調整

公共實驗教學具有跨學科、覆蓋面廣、人數多等特點，并且這些特點引發了教學與管理上的諸多問題，我們分別從教學模式、教學內容、教學資源、教學管理和授課形式上進行了適應性調整的探索。

2.1 教學模式的層次化和教學內容的多樣化

為了滿足不同學科、不同基礎和興趣的學生需求，需要改變以往單一的教學模式，建立層次化的教學模式，可以將電工電子實驗分為三個層次：基礎型、提高型和設計型。其中，基礎型和提高型實驗采用集中授課的形式，設計型實驗難度較大，具有特定的應用背景，可以采用多樣化的教學內容，針對不同學科背景的同學設計不同的實驗項目，學生可以根據各自的專業背景和興趣愛好選擇相應的實驗項目。例如，一門36學時的電工電子創新實驗課程，前期18個學時為基礎型實驗教學，其內容包括電路原理、模擬電子技術和數字電子技術的基礎型實驗；中期10個學時為提高型實驗教學，其內容包括與單片機和嵌入式開發相關的提高型實驗；后期為8個學時的設計型實驗，其內容為學生從設計型實驗項目庫中選擇的 1個自己感興趣的實驗項目。設計型實驗主要針對動手和創新能力強、興趣濃厚的同學，不采用集中授課方式，而是采用開放式實驗教學模式，給學生提供全天開放的創新實驗室，學生可以根據自身興趣和專長，加入不同實驗教師指導的關于不同應用背景的創新小組，自由地在創新實驗室進行自主研究和設計，如表1所示。

2.2 教學資源的開放化

為了體現跨學科實驗教學上的靈活度和自由度，除了教學內容多樣化和教學形式多樣化外，還需要實現教學資源的開放化，主要是以學生為主導，讓學生擁有了更多的學習自主性，使學生能夠自由地選擇實驗內容和實驗時間，給學生提供自由發展的空間，易于激發學生的創新意識，利于實踐能力的培養。教學資源的開放包括兩個方面：一方面是教學內容的開放，實驗教師可以通過網絡形式發布教學進度安排以及授課內容，學生可以通過網絡獲取實驗安全規定、實驗儀器使用手冊、實驗原理介紹、實驗步驟指導以及應用案例剖析等相關信息；另一方面是實驗室的開放，實驗室的開放又分為三種：一種是計劃內實驗室預約開放，主要針對沒有做的實驗進行補做，課內沒有完成的實驗進行補做、續做或重做；二是競賽培訓實驗室開放，主要針對學科競賽、選拔、培訓的綜合性和設計性實驗，例如全國大學生電子設計競賽培訓；三是自由式開放，以供學生根據自己的興趣愛好、開展的創新項目的進展情況等不受時間、內容限制的自主訓練和創新的實驗。

表1 電工電子創新實驗課程內容Tab.1 The content of electrical and electronics innovation experiment course

2.3 教學管理的網絡化

針對公共實驗教學覆蓋面廣和學生人數眾多的特點，將教學資源和教學管理流程進行網絡化，建立公共實驗網絡管理平臺。該平臺包括選課子系統、基于虛擬儀器技術的線上預習系統、軟硬件資源庫、用于實驗室開放和維護的實驗室管理子系統以及用于實驗報告網上提交和評閱的評分子系統。通過該平臺，學生可以方便地獲取教學資源、實驗室開放和設備使用信息，教師則可以方便地了解教學進度、設備管理以及實驗室維護情況。該平臺不僅能夠服務更多的學生，而且能夠提高教學效率，將師生從無意義的文案工作中解脫出來，將重心放在實際能力培養本身，如圖1所示。

2.4 實驗教師的思維轉變

在公共教學平臺下的電工電子實驗教師也應該轉變教學思維，豐富自己的專業知識，多了解不同學科的應用背景知識，在對待不同專業、不同基礎層次、不同興趣的學生時應該采用不同的教學方式，不論是在課內教學還是開放式指導都夠因材施教，為學生提供多樣化的教學內容和實驗項目。

圖1 公共實驗網絡管理平臺架構Fig.1 The architecture of public experimental network management platform

3 結束語

本文針對公共實驗平臺的跨學科、覆蓋面廣、服務對象多而雜的特點，提出層次化、多樣化、開放化和網絡化的電工電子公共實驗教學新模式，不僅能夠滿足不同學科不同興趣以及不同能力的學生需求，有利于培養多樣化的工程型人才，而且能夠促進電工電子實驗教師教學能力和教學效率的提高，有利于實驗設備和實驗室的管理和維護。

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