面向工程素養(yǎng)的電工電子實(shí)驗(yàn)課程改革和實(shí)踐

張雪芹，宋繼榮，陸勇駿，張勝輝,陳成良

(華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

作為電子信息的基礎(chǔ)技術(shù)，電工、電子技術(shù)的應(yīng)用極其廣泛，發(fā)展非常迅速，并且日益滲透到其它學(xué)科和領(lǐng)域。電工電子課程在非電工科專(zhuān)業(yè)中占據(jù)著重要的地位。在電工電子課程教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅可以鞏固理論知識(shí)，還可以訓(xùn)練工程思維和能力[1-3]。普通高等學(xué)校電工電子實(shí)驗(yàn)課程，包括面向大面積專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)，面向機(jī)械專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的電子電工學(xué)實(shí)驗(yàn)，面向計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的電路及電子學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程，涉及專(zhuān)業(yè)面廣、學(xué)生數(shù)多。

電工電子實(shí)驗(yàn)課程是工科學(xué)生本科學(xué)習(xí)階段培養(yǎng)動(dòng)手能力、工程素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要途徑之一[4-6]。但是，隨著時(shí)代的發(fā)展，電工電子實(shí)驗(yàn)課程存在理念老化，重動(dòng)手訓(xùn)練輕思維訓(xùn)練；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與日常工作生活脫節(jié)，忽略學(xué)生工程意識(shí)培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)手段單一，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，在國(guó)家、上海市和校精品課程等專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目和建設(shè)資金支持下，進(jìn)行了一系列電工電子實(shí)驗(yàn)改革，設(shè)計(jì)了基于螺旋式迭代工程能力提升(spiral iterative based engineering ability improvement，SIBEAI)模型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系，改革了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，探索實(shí)施了多元化的實(shí)驗(yàn)手段方法，構(gòu)建了以工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，取得了很好的教學(xué)效果。

1 基于SIBEAI模型的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系

大學(xué)生工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力培養(yǎng)包括工程意識(shí)、工程思維方式、工程實(shí)踐能力，以及數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。其中，工程意識(shí)培養(yǎng)是指幫助學(xué)生形成工程敏感度和工程價(jià)值的判斷力，使學(xué)生能夠根據(jù)問(wèn)題的需要，尋求恰當(dāng)?shù)墓こ谭绞将@取和處理信息。工程思維培養(yǎng)是指培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工程領(lǐng)域的思想方法界定問(wèn)題、抽象特征、建立電路模型，形成問(wèn)題解決方案。工程實(shí)踐能力培養(yǎng)是指運(yùn)用工程領(lǐng)域的手段，根據(jù)需求設(shè)計(jì)方案、搭建電路，實(shí)際解決問(wèn)題并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力是指學(xué)生能夠適應(yīng)數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，充分使用學(xué)習(xí)資源，主動(dòng)開(kāi)展學(xué)習(xí)，自主有效管理學(xué)習(xí)過(guò)程，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，形成數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的應(yīng)用與創(chuàng)新。

針對(duì)該目標(biāo)，結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)了基于SIBEAI模型的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系,如圖1所示。

圖1 螺旋迭代工程能力提升模型

整個(gè)教學(xué)過(guò)程是從基礎(chǔ)到中級(jí)到高級(jí)多次迭代的過(guò)程。每次迭代都是在上一次迭代的基礎(chǔ)上認(rèn)知更深入，要求更提升。每個(gè)螺旋周期含有工程意識(shí)、工程思維、工程實(shí)踐和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)4個(gè)部分。

基于SIBEAI模型，本文設(shè)計(jì)了電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。具體而言，電工電子實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容包括安全用電常識(shí)、實(shí)驗(yàn)儀器儀表使用、元器件特性測(cè)量、簡(jiǎn)單電路實(shí)驗(yàn)、電力電路實(shí)驗(yàn)、電器控制、模擬電路和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)等模塊。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，都圍繞工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力培養(yǎng)的4個(gè)方面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)形式，螺旋迭代式不斷培養(yǎng)和提升學(xué)生工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力。具體見(jiàn)表1所示。

通過(guò)建立螺旋迭代式實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系SIBEAI，幫助學(xué)生一步步深入了解電子電力系統(tǒng)基本原理、掌握電子電力系統(tǒng)關(guān)鍵學(xué)科知識(shí)，在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到電子電力系統(tǒng)在人類(lèi)生產(chǎn)與生活中的重要作用和價(jià)值，學(xué)會(huì)運(yùn)用工程思維理解和分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決方案，全面提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力，為學(xué)生進(jìn)一步參加更高層次的工程創(chuàng)新活動(dòng)打下基礎(chǔ)。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)與工程、生活實(shí)際緊密結(jié)合

電工電子課程理論性強(qiáng),概念多,內(nèi)容比較抽象，非電專(zhuān)業(yè)的學(xué)生往往覺(jué)得學(xué)習(xí)難度比較大，感到枯燥乏味,難以理解，從而提不起學(xué)習(xí)的興趣。電工電子實(shí)驗(yàn)課程是幫助學(xué)生理解理論知識(shí)的有益補(bǔ)充，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)更加深刻、形象地理解所學(xué)理論知識(shí)。因此，在實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和選取上應(yīng)注意貼近生活實(shí)例和工程場(chǎng)景[7-9]。比如，表2中列出的部分實(shí)驗(yàn)案例都選用了學(xué)生熟悉的生活用電實(shí)例或在生產(chǎn)中(如金工實(shí)習(xí)期間)會(huì)經(jīng)常見(jiàn)到的工程場(chǎng)景實(shí)例。這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，不僅可以幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，真切感受到所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工作和生活中的用處，同時(shí)還能夠幫助學(xué)生建立起工程意識(shí)，并開(kāi)展工程思維方式和工程實(shí)踐能力訓(xùn)練[9-11]。

表2 實(shí)驗(yàn)案例(部分)

2.2 根據(jù)學(xué)生個(gè)性化的需求靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)滿(mǎn)足不同層次、不同水平的學(xué)生需求，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)立20個(gè)要求更高、內(nèi)容更深的拓展實(shí)驗(yàn)[10-11]。這些自主實(shí)驗(yàn)短小精悍，完成時(shí)間一般在20～40 min左右，是課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深化和補(bǔ)充。動(dòng)手能力強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)速度快的學(xué)生可以利用課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間完成，其他感興趣的同學(xué)可以利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間完成。這些實(shí)驗(yàn)了內(nèi)容實(shí)驗(yàn)教師隨堂不做講解，需要學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。該模式打破了“大鍋飯”式實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生可以開(kāi)展探究式自主型實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

3 虛實(shí)結(jié)合的多元化實(shí)驗(yàn)手段

在信息化時(shí)代，充分利用數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，主動(dòng)開(kāi)展學(xué)習(xí)，自主有效管理學(xué)習(xí)過(guò)程，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，是學(xué)生創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)。因此除了，采用傳統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)手段外，必須加強(qiáng)數(shù)字化學(xué)習(xí)資源建設(shè)，為學(xué)生提供虛實(shí)結(jié)合的多元化實(shí)驗(yàn)室手段[12-16]。

3.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的優(yōu)化

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖2)，能夠有效鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。圍繞SIBEAI模型，在實(shí)驗(yàn)裝置的“選、制”中，首先注重強(qiáng)調(diào)元器件的可視化，讓學(xué)生能將抽象的電器符號(hào)和實(shí)物相聯(lián)系。其次，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手。對(duì)于電路實(shí)驗(yàn)，僅提供獨(dú)立元器件，要求學(xué)生使用分立元件自行設(shè)計(jì)搭接電路。對(duì)于強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，提供元器件組件板，要求學(xué)生執(zhí)行選件連線搭接電路。對(duì)于復(fù)雜的模擬電子電路，考慮實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間的限制，不能采用現(xiàn)場(chǎng)搭接，采用專(zhuān)業(yè)教師自行研制開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)電路板，滿(mǎn)足定制教學(xué)的需要。

(a) 分立元器件(b) 元器件組件板

(c)自制實(shí)驗(yàn)板

3.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源的利用

3.2.1 虛擬儀器使用培訓(xùn)平臺(tái)

熟練使用儀器設(shè)備是開(kāi)展電工電子實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)基本工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。認(rèn)識(shí)并掌握了儀器儀表的使用，學(xué)生才能根據(jù)特定工程任務(wù)進(jìn)行正確選擇。但是實(shí)驗(yàn)儀器的損壞是電工電子實(shí)驗(yàn)中最頭疼的問(wèn)題之一，因?yàn)閾?dān)心儀器損壞，一定程度上限制了學(xué)生的工程能力鍛煉。為了使學(xué)生不進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就可以學(xué)習(xí)使用儀器，自行開(kāi)發(fā)了虛擬儀器使用培訓(xùn)平臺(tái)，主要供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)時(shí)使用[12-14]。

虛擬儀器使用培訓(xùn)平臺(tái)采用FLASH開(kāi)發(fā)，包含通常電類(lèi)實(shí)驗(yàn)通常所需的“5大件”儀器(見(jiàn)圖3)：函數(shù)發(fā)生器(見(jiàn)圖4)、示波器、交流毫伏表、直流穩(wěn)壓源和萬(wàn)用表。虛擬儀器外觀與實(shí)驗(yàn)室儀器完全一致，具有儀器介紹、面板介紹、單個(gè)按鈕(旋鈕)功能詳細(xì)介紹，操作步驟演示5大功能。在操作過(guò)程中，需要注意的地方會(huì)有提示，操作步驟可以回溯。與其他儀器相連時(shí)也會(huì)有連接指導(dǎo)。

圖3 虛擬儀器培訓(xùn)平臺(tái)“5大件”儀器

(a) 函數(shù)發(fā)生器(b) 面板介紹

(c)可根據(jù)提示“操作”儀器

虛擬儀器使用培訓(xùn)平臺(tái)圖文并茂，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用的興趣，提高實(shí)驗(yàn)課效率，減少了儀器損壞率。

3.2.2 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程受限于學(xué)時(shí)安排、課堂授課時(shí)間地點(diǎn)，以及實(shí)驗(yàn)裝置的限制，教學(xué)內(nèi)容 很難拓展訓(xùn)練學(xué)生的工程思維。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可以克服上述不足[15]。仿真實(shí)驗(yàn)采用加拿大Electronics Workbench公司的EDA產(chǎn)品Multisim7電路仿真軟件。該仿真軟件內(nèi)置上萬(wàn)種元件、多種虛擬儀表、信號(hào)源，有先進(jìn)的混合仿真系統(tǒng)，可以仿真電路電子等多種實(shí)驗(yàn)。該軟件界面和實(shí)驗(yàn)示例如圖5所示。學(xué)生只要在個(gè)人計(jì)算機(jī)上安裝該軟件，就完全可以在家或宿舍的個(gè)人電腦上進(jìn)行電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，好像將電子實(shí)驗(yàn)室搬回了家和宿舍，實(shí)驗(yàn)不再受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在時(shí)間、空間及內(nèi)容的限制。基于該仿真平臺(tái)，學(xué)生可以開(kāi)展隨時(shí)隨地開(kāi)展自主學(xué)習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課堂實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)、或者自行設(shè)計(jì)感興趣的探究實(shí)驗(yàn)。

圖5 Multisim仿真軟件及實(shí)驗(yàn)示例

3.2.3 在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既具有和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)一樣的時(shí)空優(yōu)勢(shì)，又不同于計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)。在線實(shí)驗(yàn)將電工電子實(shí)驗(yàn)搬到網(wǎng)上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由教師設(shè)計(jì)制定，實(shí)驗(yàn)的實(shí)物感、操作感比計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)完成后教師進(jìn)行在線批改。在線實(shí)驗(yàn)不是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單模擬和仿真，而是突出探究式學(xué)習(xí)和過(guò)程考核特色[16]。

借助《基本線路與電子》國(guó)家網(wǎng)絡(luò)精品課程、共享資源課程建設(shè)東風(fēng)，開(kāi)發(fā)的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(見(jiàn)圖6)具有以下特點(diǎn)：①在實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)中，把計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)、動(dòng)畫(huà)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)結(jié)合，注重現(xiàn)場(chǎng)感、交互性和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。②設(shè)計(jì)了具有真實(shí)用戶(hù)體驗(yàn)感的多種虛擬電路元器件和儀器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、電壓表、電流表等，完全仿真了真實(shí)儀器的輸出效果。同時(shí)提供虛擬與真實(shí)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，形成比較，給學(xué)生較為真實(shí)的操作體驗(yàn)。③設(shè)計(jì)了“實(shí)驗(yàn)指南-實(shí)驗(yàn)操作-數(shù)據(jù)處理-實(shí)驗(yàn)報(bào)告-實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)”的漸進(jìn)式網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)流程。這5部分的內(nèi)容按過(guò)程和深度逐步傳授給學(xué)生。學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)中，可反復(fù)學(xué)習(xí)和獲得幫助，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)要求理解。④實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)判斷。學(xué)生自主進(jìn)行器件選取，并進(jìn)行電路連線，在連線后，不需要教師參與，由計(jì)算機(jī)完成智能判斷連線的正確性。允許學(xué)生多次出錯(cuò)，多次連線。同時(shí)，在線實(shí)驗(yàn)支持服務(wù)系統(tǒng)提供在線實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)電子書(shū)和實(shí)驗(yàn)問(wèn)題知識(shí)庫(kù)，專(zhuān)業(yè)教師提供實(shí)時(shí)在線支持服務(wù)。

圖6 網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示例

目前，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了8個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，包括基礎(chǔ)原理虛擬實(shí)驗(yàn)和具有工程虛擬場(chǎng)景和工程實(shí)際意義的虛擬實(shí)驗(yàn)，一共可完成36個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。

網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)考慮了互聯(lián)網(wǎng)在線使用的可行性，完全滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和使用，在實(shí)驗(yàn)流程上完整的實(shí)現(xiàn)了從理論理解、器件熟悉、實(shí)驗(yàn)操作到報(bào)告提交的學(xué)習(xí)過(guò)程，是課堂實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

4 改革創(chuàng)新與成效

學(xué)生工程素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高和解決各種問(wèn)題能力的增強(qiáng)是電工電子實(shí)驗(yàn)課程改革的目標(biāo)所在。多年的改革實(shí)踐，改變了原電工電子實(shí)驗(yàn)手段單一、內(nèi)容孤立單調(diào)，學(xué)生興趣不高，不能滿(mǎn)足不同層次學(xué)生需要的問(wèn)題，大幅提高了教學(xué)質(zhì)量。

(1)在SIBEAI實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的框架下重構(gòu)了教學(xué)內(nèi)容，明確了實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo)。讓學(xué)生通過(guò)迭代訓(xùn)練，工程意識(shí)、工程思維、工程實(shí)踐和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)。

(2)通過(guò)大量應(yīng)用工程、生活實(shí)際緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)案例，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更具有應(yīng)用性和趣味性，很好地幫助了學(xué)生更加深刻、形象地建立工程意識(shí)和思維，鍛煉工程實(shí)踐能力。

(3)實(shí)現(xiàn)了分層次教學(xué)，充分考慮學(xué)生個(gè)性化的需求，靈活設(shè)計(jì)自主實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。

(4)通過(guò)實(shí)踐虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合的多元化實(shí)驗(yàn)手段，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)結(jié)合起來(lái)，吸取各種教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn)，形成多元化現(xiàn)代教學(xué)手段，強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。

在此基礎(chǔ)上，還將課程實(shí)踐與電工電子創(chuàng)新實(shí)踐基地緊密結(jié)合起來(lái)，選拔有潛力的學(xué)生后續(xù)進(jìn)入創(chuàng)新基地繼續(xù)研發(fā)，指導(dǎo)學(xué)生參加各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)，并積極推薦參加每年的國(guó)家級(jí)和上海市級(jí)機(jī)電、電子類(lèi)競(jìng)賽，取得了優(yōu)異的成績(jī)。例如，我校機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生的作品“易拉罐金屬分離回收機(jī)”獲第十屆挑戰(zhàn)杯全國(guó)一等獎(jiǎng)，“智能嬰兒搖床機(jī)器人” 獲得首屆智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽全國(guó)二等獎(jiǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

電工電子教研室多年來(lái)一直堅(jiān)持電工學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程改革，主持國(guó)家精品課程一門(mén)，上海市教委本科重點(diǎn)教改項(xiàng)目一項(xiàng)，上海市精品課程一門(mén)，校級(jí)精品課程一門(mén)，校級(jí)教改項(xiàng)目多項(xiàng)。通過(guò)不斷探索新教育理念、新技術(shù)手段下的電工電子實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)模式，完善實(shí)驗(yàn)課程體系、改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、豐富實(shí)驗(yàn)手段、編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)教材，形成了具有自身特色的教學(xué)方法，構(gòu)建了以工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心的現(xiàn)代電工電子課程實(shí)驗(yàn)體系，適應(yīng)了現(xiàn)代工科大學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)需要。