“新工科”背景下紡織特色高校電工電子技術課程教學改革探索與實踐

白恩健，李曉麗，王直杰

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

“新工科”是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1-2]。以互聯網和工業智能化為核心，把智能制造、云計算、人工智能、機器人等用于傳統工科專業的升級改造，相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。“新工科”是推動現有工科交叉復合、工科與其他學科交叉融合、應用理科向工科延伸而孕育形成的新興交叉學科專業，包含“繼承+創新”“交叉+融合”“協調+共享”三種形式。紡織產業是我國的傳統支柱產業，是科技與時尚融合、生活消費與產業應用并舉的產業。紡織行業是我國信息化與工業化(“兩化”)融合的試點行業，智能制造是“兩化”深度融合的主攻方向。紡織類專業是推動紡織產業發展和升級的主干專業，電工電子技術課程作為該類專業的學科基礎課程，在培養面向紡織工業智能制造專業人才方面具有重要的基礎支撐作用[3]。本文從“新工科”的觀念出發，針對我校(東華大學)非電類工科專業電工電子技術課程教學存在的問題，提出建立滿足“新工科”特色的教學改革方案，以適應新時代的發展與要求。

一、 非電類電工電子技術課程教學現狀

在當前信息化浪潮席卷全球、我國科技實力不斷提升的新形勢下，電工和電子信息技術及其所催生的智能電網、互聯網+、物聯網等技術正日益滲透到各學科領域，推動了各行業的技術變革和進步。“電工電子技術”作為非電專業人才了解并掌握電類基本原理和技能的一門基礎課程，是高等學校面向工科非電專業開設的一門重要的技術基礎必修課程，對于新形勢下各專業人才的培養和后續發展起著至關重要的基礎性作用。

我校信息科學與技術學院面向全校非電類理工科專業開設電工電子技術系列課程，開課專業包括紡織、服裝、材料、化工、機械、環境及計算機等。課程具有覆蓋面廣、知識點多、實踐性強等特點，對學生今后專業知識的學習和技能的培養發揮著基礎性支撐作用。學生可以通過本課程的學習，獲得電工和電子技術必要的基本理論、基本知識和基本技能，了解電工和電子技術的應用和我國電工和電子技術發展概況，為學習后續課程以及今后從事有關工程技術工作和科學研究打下基礎。作為以紡織服裝為特色的高校，我校電工電子技術系列課程面臨三個突出問題。

1. 教學內容未充分體現專業特點

本課程教學對象涉及的專業較多，不同專業對電類基礎知識的需求不同。如物理類專業要求具有扎實的電工及電路基礎知識，計算機專業側重于電子技術，軟件工程等專業對數字邏輯與數字系統的要求很高，大量普通非電專業要求基本而全面的電工和電子知識和能力，服裝設計與工程等少量專業僅要求學生對相關知識初步了解。現有的教學內容涉及知識全面但理論較為抽象，未能有效地體現專業特點，傳統的教學方法導致學生在枯燥的理論學習中失去對課程的學習興趣。

2. 教學要求未充分適應學生素質的差異

本系列課程受眾面極廣，在大眾化教育階段，學生基礎素質和個體發展目標的差異較大。有志于未來從事相關工程技術和科學研究工作的學生，他們基礎扎實，對電類課程教學內容的廣度和深度都有較高的要求，并期望具備較為扎實的電學基礎和接近于專業化的能力素養；而部分學生自身在電學及相關的物理學方面基礎薄弱，加之專業本身對電學知識的依賴度較低，使其對電工電子技術課程的學習興趣不大。目前這種統一教材、統一教學內容及教學方法的做法顯然不適合學生的要求。所以應針對學生的不同情況采用不同的教學方案，開展分層教學、分流培養，以實現學生“多元成才”的教育培養目標。

3. 新技術的發展與應用未充分反映在現有教學體系中

隨著電子信息技術的飛速發展，自動控制、物聯網等技術的工業應用水平快速提升，“互聯網+”關聯各學科領域，并引領行業的快速發展和技術升級，這就為學生的理論知識學習找到了實際的應用背景。因此，將電子信息技術融入紡織服裝等不同專業的工業流程，成為激發學生學習興趣、提高學生創新與實踐能力的有效途徑。因而有必要改革教學內容，減少復雜計算和理論推導等內容，補充信息技術在相關行業應用與系統集成等內容，開闊學生的視野，提高學生理論結合實際的能力，為其后續的專業發展打下堅實基礎。

二、 非電類電工電子技術課程教學改革實踐

通過課程體系、教學內容、實驗方法和考核方式等改革，對電工電子技術課程教學體系進行全方位整體性的探索和研究，形成將理論基礎與技術能力緊密結合、互為依托，實現課程設置的層次化和差異化，教學內容與面向專業緊密結合，更加注重過程考核的教學體系。

1. 課程體系

在對接各學院深入了解專業需求和廣泛調研國內外其他高校的基礎上，梳理現有的課程體系，從“專業差異+學生素質+個性發展”的角度，全面優化課程設置，將電工電子技術系列課程在整體上設置三個層次的基本課程體系。

(1) 第一層次。面向對電學依賴度高的專業，要求自身基礎扎實，并有志于從事相關工程及科研工作的學生，分兩學期學習如下課程：第一學期學習“電工技術A”(3學分/48學時)+“電工技術實驗A”(0.5學分/16學時)；第二學期學習“電子技術A”(3學分/48學時)+“電子技術實驗A”(0.5學分/16學時)。

(2) 第二層次。面向普通學生，并通過課堂案例分析和綜合實驗對接不同專業的應用需求。開設課程：“電工電子技術B”(4學分/64學時)+“電工電子技術實驗B”(0.5學分/16學時)。

(3) 第三層次。面向專業和個人發展對電學知識依賴度低的情況，考慮電工學在日常生活中的需求更多和電工技術相對于電子技術的基礎性地位，因此以電工技術為重點內容。開設課程：“電工電子技術C”(2學分/32學時)+“電工電子技術實驗C”(0.5學分/16學時)。

2. 教學內容

通過調研包括美國麻省理工學院等知名院校，國外電學教學內容涉及面很廣，但教材比較簡單，需要學生課后花大量時間查閱資料。因此在教學內容上以各專業發展的電學應用為導向，針對部分繁瑣的知識點，不再過多地講授理論推導過程，而通過電子設計自動化軟件(EDA)的使用，讓學生快速了解并對其形成基本認知。相關的內容包括：含受控電源電路的分析，回路電流法，網孔電流法，諾頓定理，最大功率傳輸定理，交流電路中的最大功率傳輸問題，耦合電感電路的分析，含空心變壓器和理想變壓器電路的分析，二階電路的分析方法，提高功率因數方法中的電容參數計算，三極管特性，多級放大電路的動態參數計算，穩壓電路穩壓工作原理，積分運算電路、微分運算電路和滯回電壓比較器等電路的分析，邏輯門內部原理分析，A/D和D/A轉換，可編程邏輯器件和半導體存儲區等。

利用節省的時間，任課教師結合大量案例講授概念與原理的應用。對一些重要的知識點和相對抽象的內容，在授課中穿插EDA仿真演示，幫助學生深入理解教學內容。對于與生活關聯度高的知識點，借助視頻方式開展教學，引導學生將電學知識與日常生活有機結合。同時針對各個專業設計一些應用案例，如通過集成運放的信號計算與處理，使學生了解紡織、化工生產過程中的信號檢測等問題。在講解放大電路時適當介紹紡織檢測技術的基本常識，讓學生知道電子電路與專業課的聯系；在介紹整流電路時說明何為變頻技術，變頻調速在紡織機械中的應用等[3-5]。通過設計或演示智能可穿戴設備，使學生了解電子紡織材料、導電紗線、技術時尚等實現方式，真正把專業發展和課程學習相結合，凸顯紡織、材料和服裝的專業特色。

3. 實驗教學方法

通過對國內外高校進行同類實驗課程體系的調研，發現國內外知名院校非常強調實踐課程的設置和通過實踐環節對學生能力的培養。為了彌補本課程實驗環節的不足，在實驗手段和實驗內容方面進行了改革。

(1) 在實驗手段方面，將Multisim、EWB等EDA工具引入到理論和實踐課程教學中，實現硬件實驗的虛擬化和軟件化，并錄制大量實驗指導視頻，鼓勵學生利用課余時間自發通過軟件仿真進行實驗訓練和學習。我校信息科學與技術學院引入了電子電路虛擬仿真試驗教學系統，實現遠程實驗和批改。

(2) 在實驗內容方面，將部分單純驗證型實驗內容列入學生的虛擬實驗環節，利用節省的實驗課時，針對不同專業和不同基礎的學生進行分層次的實驗內容設置，增加具有一定綜合性、設計性和直接應用價值的實驗內容。推出基礎型實驗、開放型實驗、綜合型實驗、設計型實驗和應用小系統相結合的層次化、梯度化實踐教學內容，提出必做與自選結合、驗證與創新結合、課內與課外結合的新型實踐教學模式。引導學生基于案例理解理論，基于實驗驗證理論，基于理論創新應用；鼓勵學生嘗試綜合型實驗和小系統設計，進行系統性的工程訓練；支持學生關注技術發展，培養獨立思考的科學素養。

4. 考核方式

根據工程教育專業認證的設計體系，課程須對專業畢業要求形成有效支撐。在考核方式上更加注重過程考核，以引導和激勵學生對于電工電子技術系列課程的持久深入學習、訓練和思考為目標，將考核方式作如下調整：(1)采用EWB完成仿真實驗題目，并提供仿真報告；(2)自學EWB并提交有仿真案例的小論文或與其他課程知識相關的小論文；(3)選擇適當題目進行平時隨堂測驗；(4)增加前半部分內容的期中考試；(5)增加難度適宜的綜合設計環節，以課程項目的形式要求學生期末提交項目報告；(6)期末考試。任課教師可根據需要選擇若干環節對學生進行綜合考核。

三、 非電類電工電子技術課程教學改革的效果

1. “信息”與專業交叉融合，教學內容凸顯專業特色

立足于“新工科”的理念，信息技術緊密結合行業，電工電子知識服務于專業，在新的課程教學中壓縮部分知識內容的繁瑣推導過程，代之以更直觀和形象的EDA工具仿真、各專業領域和生產生活中的相關案例視頻。配合相關知識點的教學，設計了與專業關聯度強的虛擬實驗和綜合實驗。針對材料、紡織等專業，利用傳感器將相應對象指標轉換為電信號，讓學生了解如何利用電工電子的知識對這些信號進行處理、傳輸、計算和分析；針對服裝專業，基于電工電子基本原理，設計智能可穿戴設備、科技服裝，引導學生了解技術時尚的實現路徑；針對機械專業，基于電工學原理幫助學生了解直流電機、交流電機，利用晶體管設計繼電器驅動電路；針對計算機專業，利用門電路設計存儲器和分頻器等，引導學生理解計算機的部分工作原理。通過這些教學設計，讓學生深刻體會到電工電子技術課程與專業、學科密不可分，電工電子技術是產業升級和發展的重要技術。

2. 分層教學，分流培養，實現多元成才

立足于電工電子技術大平臺的知識架構，按照專業和學生個人發展需求，電工電子技術平臺課程體系在教學內容、知識點深度和拓展寬度等方面進行了層次化的課程配置。在新的體系下，課程教學層次化差異明顯，為不同專業和不同層次學生的選課提供了一定的自由度。同時通過課堂教學內容和教學方法的不斷完善，激發學生學習的主動性和創造力，課程教學效果良好。確立以專業和學生素質作為分層教學、差異培養的主要依據，針對自身素質高并有志于成為“高精尖”人才的學生，通過案例引入知識和大量增加實踐訓練環節，夯實電學基礎，培養實踐創新能力；對于基礎薄弱且后續發展對電學依賴度低的學生，貫徹范圍寬、深度淺的培養理念，以提高學生的自主學習興趣和應用能力為主進行教學改革。以興趣為導向，以行業應用和新技術熱點為出發，提升學生的自主學習熱情、獨立思考能力和實踐創新能力。課程教學改革以來，“高精尖”式學生能從更為深入的教學活動和項目實踐中獲得較為扎實的基礎和能力，“扁平全”式學生對電工電子技術課程的畏難情緒和“學而無用”的印象得到改善。

這些嘗試，使電工電子技術課程不再枯燥繁瑣，讓興趣和專業發展目標成為引導學生探索和學習電工電子學理論的直接動力。

四、 結語

我校的電工電子技術課程教學改革，調研了我校不同學院、不同專業對電工電子技術課程的需求，橫向比較了國際知名高校及國內多所“985”“211”同類院校的教學設計，確立了知識內容體系與專業緊密結合，分層教學、分流培養的教學改革目標，對課程體系、教學內容、實踐教學和考核方式等進行全方位改革。課程教學改革一方面提升了課程教學的質量，支撐了各專業正在開展的工程教育專業認證和“新工科”建設，另一方面也為國內同類高校課程教學改革提供了可供參考的經驗。