消防專業“電工與電子技術”實驗教學體系改革研究

薛彩姣，朱紅偉，唐寶華，劉曉彬，劉曉軍，趙 虹

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

高層建筑、地下工程、石油化工企業、公眾聚集場所與日俱增。油品、燃氣、毒氣泄漏爆炸，隧道、地鐵坍塌等災害隱患不斷增加。突發性強、處置過程復雜、危害巨大、防治困難的大型災害時有發生[1]。社會發展所需要的消防專業人才素質在變化，培養學生綜合素質和實踐能力、創新能力的要求在不斷提高，消防專業“電工與電子技術”實驗教學體系也必須不斷進行改革和完善。

1 實驗教學體系改革的具體內容

針對目前學院消防專業“電工與電子技術”實驗教學中存在的問題[2]，重點從實驗教學內容的“實”——即教學內容要充實、綜合和實際;實驗教學模式的“活”——即教學模式要靈活、多樣、高效;實驗教學評價的“準”——即教學評價要客觀、合理、準確，三個方面構建起以能力培養為主線，多層次、模塊化[3]的實驗教學體系。

1.1 實驗教學內容的改革與設計

提高學生的第一任職能力是消防專業“電工與電子技術”實驗教學的基本需求。分析和總結學生的第一任職能力，并由此映射出相應的教學內容，是構建實驗教學體系的關鍵和邏輯起點。

實驗內容注意 “緊貼專業實際”，反映部隊建設的新成果、新裝備，反映該學科發展的最新動態和前沿科學理論與技術。利用溫度、氧氣、煙霧、二氧化碳、有毒氣體、紅外探測、六軸加速度、大氣壓力、生理等傳感器進行數據采集，能有效地解決消防員在災害現場面臨的人身安全、數據信息采集不足等問題。在實驗中增加火災探測電路、復合式火災報警電路、消防聯動控制電路、建筑照明電路、應急照明電路、對講機電路、充電器電路、信號源電路等。增加了傳感器展板、傳感器實訓系統、虛擬儀器、智能家居實訓系統、RFID實驗系統、物聯網實訓系統、電路板制作系統、3D打印機等儀器設備。鼓勵學生根據自己的興趣和能力自主選題。學生在實驗中了解其應用，并根據專業需求進行改進，以增加學習的積極性和主動性。

1.2 實驗教學模式的改革與設計

針對實驗課時有限的情況，采用實驗室和宿舍結合的方式，在實驗教學模式方面進行改革。充分發揮傳統實驗教學和計算機信息化技術的優勢，并使它們的優勢得到互補，實現學生多維度自主地進行實驗，提高實驗教學的層次。實驗教學模式如圖1所示，可分為仿真實驗、虛擬實驗、硬件實驗、軟硬結合實驗、遠程軟硬件共享實驗。

圖1 實驗教學模式示意圖

1.2.1 仿真實驗

學生用Multisim、QuartusII仿真軟件熟悉信號源、萬用表、示波器、毫伏表等儀器儀表的使用，進行電路創建及信號仿真。電路仿真能輔助理解理論知識，出現問題并分析解決問題的過程有助于融會貫通各章節內容，提高課堂效率，減少儀器損壞率，降低成本。

1.2.2 虛擬實驗

虛擬實驗是以現代教育理論為指導，以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托而建立的一種新型實驗教學系統。它利用計算機模擬真實的實驗環境，為實驗教學提供了一種全新的教學模式。

依托校園網服務器，在實驗室計算機上安裝了 “維修電工實訓室”、“電子技能虛擬實訓室”軟件客戶端。讓學生利用開放時間到實驗室進行虛擬實驗，接觸焊接、電動機內部結構、導線處理、收音機實訓等常用電工與電子實用技術，給學生直觀的印象。

1.2.3 硬件實驗

在“模擬電路實驗箱”、“電工實驗臺”上實際連接電路前，由學生自主設計電路，利用仿真軟件調整元器件參數到理想狀態，并通過微課視頻熟悉硬件操作。由于仿真電路與實際電路元器件標稱值存在一定的誤差，所以實際電路還需要根據情況進行調整。

1.2.4 軟硬結合實驗

軟硬結合實驗的硬件和軟件是相通的，有些實驗系統電路必須通過軟件寫入硬件里，有些實驗系統硬件的實驗現象必須通過軟件顯示出來。學生在操作電子設計自動化軟件QuartusII、單片機軟件Keil、電路板制作軟件Altium Designer、3D打印機軟件3D Max、虛擬儀器軟件Labview、物聯網各種軟件的基礎上，將程序通過電腦的USB口下載到硬件里，進行硬件實驗，觀察硬件電路的實驗現象。通過軟硬結合實驗，學生可以接觸到電子行業發展的新技術，為科技創新提供技術支持。

1.2.5 遠程軟硬件共享實驗

學生在宿舍通過客戶端遠程訪問實驗室的服務器軟件進行“遠程軟硬件共享實驗”[1]。通過服務器上的軟件進行虛擬實驗，或者輸入自己的電路進行仿真，再下載到與服務器相連的硬件里，進行可編程器件的操作。通過與服務器相連的攝像頭觀看硬件的發光效果，通過話筒采集硬件的發聲效果。“遠程軟硬件共享實驗”能滿足學生除“硬件實驗”之外的所有實驗模式。學生可在課前、課后根據自己的實際情況進行交互式和擴展性學習，這種方式使學生可以有個性地“先行”。

1.3 實驗教學評價的改革與設計

以考核形式多樣化，評價要素多元化，考核內容能力化，考核過程全程化為目標，探索新的實驗評價方法[4]，建立注重培養學生的動手能力、創新意識和嚴謹求實的科學態度，有利于提高學生操作技能和搜集資料撰寫報告或論文的評價體系。一是針對原來的實驗教學大綱所有實驗項目評價體系基本一樣，評價標準太籠統的問題，新的實驗教學規范根據具體實驗項目，制定出不同標準，修改了評價內容及比例。二是針對消防指揮員到達災害現場第一個需要考慮的問題是斷電，工作結束需要整理器材，及時保養器材，把關閉儀器、切斷電源，整理好實驗設備列入了考查范圍。三是針對操作比例過低，學生應付報告的情況，提高操作比例，增加實操考核。提高操作比例能激勵學生重視操作，認真對待每一次實驗，有利于提高學生的實驗水平。實操考核以實驗基本操作技能為主，由學生選取做過的或新實驗考查實驗能力，讓學生邊操作邊講解，教師針對操作或數據記錄中出現的問題，進行提問。四是針對鼓勵學生創新的需求，提高了設計性實驗設計方案的比例。另外，仿真出與消防專業相結合或者實用性較強的實驗電路，或者自行焊接了電路板，都作為實驗操作的加分項。

綜上所述，除了檢查學生實驗預習情況、實驗的速度和數據的準確性、實驗報告或論文的質量，更加重視實驗過程、實驗態度，設計電路新方案、發現新問題、解釋實驗現象新的角度、方法，以及良好實驗室工作習慣和作風等。

2 實驗教學體系的實施

實驗教學體系的實施過程如圖2所示。根據實驗教學的授課方式不同可以分為實踐技能選修、課程實驗和開放實驗。實施的基本思路是學生課前通過網絡自學實驗教學規范、預習要求、軟件操作微課(含案例)、儀器操作微課等資料，進行實驗預習和實驗仿真；學生與教師之間利用微信進行學習交流，教師有充足的時間和精力及時發現并啟迪和幫助學生處理實驗中存在的問題；課上采用翻轉課堂的形式對學生的預習情況進行提問，講解共性問題。每個學生都可以根據自己的情況確定學習進度，從而實現課程學習進度的個性化，有利于分層化教學和應用型專業技術人才的層次化培養[5]，保證了每個學生獨立完成實驗，提高了實驗教學的效果。

圖2 實驗教學體系實施過程圖

2.1 實踐技能選修

實踐技能選修訓練內容包括Multisim的基本界面與操作方法、Multisim的電路創建基礎、Multisim的儀器儀表使用、Multisim的電路分析方法。該課程以學生自己訓練為主，教師輔導為輔，訓練方法主要采取案例引導、教師示范、分解練習、總體調試等方法。

2.2 課程實驗

實驗教學規范修改時，刪除驗證性實驗，增加綜合性實驗。按照練為戰的理念，驗證性實驗和綜合性實驗都屬于練，設計性實驗屬于戰的范疇。增加了練的內容，提高了練的水平。

2.2.1 驗證性實驗

驗證性實驗改成利用仿真軟件進行自學。為了提高自學效果，根據電工與電子技術課程教材具體章節內容，建立教學案例庫[6]，讓學生自學。實驗室的器材和實驗室開放的時間是有限的，利用學生自己的電腦安裝軟件進行仿真是無限的。

2.2.2 綜合性實驗

在災害現場對講機接收設備天線諧振電路的基礎上，增加與專業結合緊密的綜合性實驗“火災探測電路”，學生選用消防專業常用的傳感器采集災害現場參數進行放大、和閾值比較、進行報警。

該實驗基本內容包括傳感器數據采集電路、模擬運算電路、電壓比較器、報警指示或動作電路。提高性內容主要是實驗方案：傳感器數據采集電路的接法不指定；傳感器的類型和參數不指定；模擬運算采用同相放大電路或者反相放大電路均可放大傳感器接收到的實時狀態信號；采用減法運算電路采集金屬板上和塑料殼里的兩路溫度傳感器的差值，進行放大，可以減少季節性的溫度變化對靈敏度的影響；電壓比較器同相端或者反相端接預置電壓均可；報警指示器件例如二極管正接或者反接均可。拓展性內容主要是傳感器數據達到特定值后或驅動電動機等其他裝置動作。多種方案能幫助學生形成系統的知識結構，梳理各知識點之間的內在邏輯關系。

2.2.3 設計性實驗

實驗內容包括復合式火災報警器控制電路的設計、消防聯動控制電路的設計等。由學生根據自己的興趣和愛好自由選題，課前提交設計方案，教師批改，修改無誤后進實驗室操作，以培養學生的創新思維。

2.3 開放實驗

充分利用已有的軟硬件條件，全面實現開放式實驗教學。不僅在時間上、空間上對學生開放，而且實驗內容、實驗模式也對學生開放；不僅對本專業的學生開放，而且對其他專業的學生開放。

2.3.1 學生自選實驗

教師提交實驗室空閑的時間、支持實驗的人數，學生申請，教師審核通過之后就可以進實驗室了。鼓勵學生設計和專業結合緊密的電路，充實仿真軟件案例庫，開拓學生的思維，形成良性循環。

2.3.2 科技創新

科技創新完全由學生獨立或合作完成選題及整個實驗過程。鼓勵學生積極申報各種科技創新,他們獲得了經費支持,有了更好的科研條件。面臨各種各樣的問題需要解決，按時結題的壓力,促使他們把更多的時間和精力投入到了科技創新中去。科技創新充分發掘學生的潛能，全面地激發創新能力，不僅有助于學生科學素養的啟蒙、養成和提高，同時還有助于培養學生的團隊協作精神、增加學生的溝通和交流能力[7]。

2.3.3 科研項目

鼓勵學生參與教師的科研項目，提高學生的科學研究能力。將學科領域最前沿的學術成果不斷的充實到課程體系中，能彌補現有的課程體系與最新研究成果之間的知識斷層，形成“科研-教學-科研”這樣的體系。不僅使課堂教學充滿生機，而且實現了教學相長。

3 結束語

構建的科學合理的“教學體系”，在學院所有消防專業的“電子線路輔助設計軟件的使用”實踐技能選修課實驗、“電工與電子技術”課程實驗，和開放實驗教學過程中實施，課堂實驗效率顯著提高，實驗教學效果明顯增加。培養了學生科學性的實驗思維、創新性的實驗方法、探究性的實驗意識，為學生提供了發展個性和施展才能的機會。學生具備了將電工、電子技術應用于本專業和發展本專業的能力，為學員今后從事相關消防工作奠定了一定的理論和實踐基礎。