新工科貫通式實踐教學方法探究

曹磊 張亞楠 荊娟娟 顏少波

摘 ?要：在新工科背景下，針對如何培養適應新形勢的工程技術人才，本研究提出了貫通式實驗教學方法的新理念。學生通過貫穿不同學習階段的設計產品為載體，接觸其他學科的專業知識并實現融合。以設計產品為動力，學生轉換角色成為學習的主角，由被動參與實驗向主動思考、主導實驗的新方式轉變。本研究以此為主線，闡述了貫通式實驗體系的設計、實施方法、教學效果、教材建設與考核方法以及與其他教學環節的關系等。

關鍵詞：新工科;貫通式;創新實踐;實踐教學

作者簡介：曹磊，河南科技大學電工電子實驗中心主任，研究方向為電子技術、實驗教學與管理;張亞楠，荊娟娟，顏少波，河南科技大學電氣工程學院。（河南 洛陽 471000）

基金項目：本文系河南省高等學校重點科研項目計劃（項目號：19A510001）和河南科技大學實驗技術開發基金項目（項目號：SY1718021）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-0568（2019）15-0042-03

當前，國家為推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“中國制造2025”和“互聯網+”等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展。該趨勢對科技人才提出了更高要求，迫切需要高等學校加快工程教育的改革創新。面對這種趨勢，諸多高校從不同角度對如何培養學科交叉融合、新工科環境下的工程技術人才進行了探索。本研究通過分析新工科的內涵、特征、規律和發展趨勢，結合國內外工程教育改革的經驗和教訓，提出改革創新的理念和思路。

一、國內知名高校電子技術實驗教學改革情況?

電子技術實驗是電類專業重要的基礎平臺課之一，國內幾所知名高校的教學改革具有典型的示范作用。清華大學開設針對模擬電子技術基礎課程，采用綜合論文的方式培養學生的實踐創新能力，通過4個層次的課程教學促使學生開展創新。[1]哈爾濱工業大學構建了以技術基礎、科技創新、專業實驗3個并列子平臺組成的教學體系，采取“分時”共享實驗室優質資源[2]。華中科技大學構建了責、權、利統一的課外科技創新教育管理機制，制定循序漸進的課外科技創新教育培養方案，實施全方位的課外科技創新教育實踐。[3]吉林大學提出了基于“主題實驗”的電工電子實驗教學的創新模式并取得了一些實踐經驗。[4]

河南科技大學從2014年開始對電子技術實驗教學進行了改革和探索，經過多年的努力與積累，在不斷總結與完善的基礎上，形成了“貫通式”實驗教學方法的新理念。

二、貫通式實踐教學改革

秉承“以學生為中心，以能力培養為目標”的指導思想，明確未來工程人才的能力體系。構建面向“新工科”的實踐教學新理念、新模式、新方法，實現從學科導向轉向產業需求導向，從專業分割轉向跨界交叉融合，從適應服務轉向支撐引領。工程教育的目標是培養設計產品的工程技術人才，而產品本身就是多個學科交叉融合的成果，產品的設計和制作過程，則能滿足上述多種能力的訓練和培養需要。

基于此，河南科技大學建立了圍繞產品的設計、開發、制作為主線的貫通式實踐教學模式，在教學中進行了探索與嘗試。

1.設計項目選題。在第三學期開始，學業導師給學生提出問題：一是你為什么選擇這個專業，與這個專業相關的哪些成果吸引了你;二是你在大學期間，完成一個什么樣的產品，就能認為專業學習是成功的。

學生經過慎重思考，提出想做的產品，如無人飛行器、潛艇模型、無人駕駛汽車、功能機器人，還有人想做智能設備的大腦，設計控制芯片等。部分沒有想法的學生，由老師提供選題。然后把全校選題相近的學生組織到一起進行深入的討論，再由目標最接近的3-5名學生自由組成項目學習小組，項目小組可以由不同專業的學生組成。如2014級電氣工程專業和機械制造專業都有選擇無人機項目的學生，其中，電氣專業23人，機械制造專業14人，經學生充分交流和專業分屬的兩個學院協調，將學生混編分成8個組，每組4-5人不等，每個組都有兩個專業的學生。兩個學院各安排2個指導老師。每個老師指導2組學生，兩個專業的指導老師分別負責全體項目小組本專業學生的學業規劃和督促指導。

2.設計項目實施。學生在設計項目選題完成后，圍繞設計題目開展學習。除了正常的課程外，課余時間通過分工合作，借助圖書館、網絡等渠道，查找學習與產品相關的技術資料。課堂上，學生帶著在產品設計中的疑問聽課，學習變得積極主動。學習有了方向，在選擇選修課時也有了目標。

老師首先引導學生制定設計規劃，明確每個學期要做到哪一步，產品能夠實現哪些功能等。以無人機項目為例，第三學期做整體規劃和方案設計，查閱相關案例，選擇最優的方案;第四學期做框架，完成電機、控制模塊等的定制或選型;第五學期完成裝配、編程和試飛。完成后，產品可以再增加一些功能，如空中懸停、負重等，未完成的同學可以通過項目組商議是否對目標或方向做出調整;第六學期完善和細化基本功能，調試機械手的抓取和釋放功能;第七學期增加攝像頭，調試控制攝像功能。有可能的話還可以增加識別系統，聯機控制機械手。不同小組根據自己的情況來調整進度，設計和調試過程由老師做跟蹤與督導。

進入產品的設計制作階段，學院為每個項目小組安排固定的實驗臺位，配備直流穩壓電源、信號源、示波器等基本的實驗設備。通用的元器件如電阻、電容、晶體管、集成運放等器材由實驗室統一供應，特殊器件和模塊，學生自己選型購買。開放實驗室和器件庫由學生自己管理，做好記錄，及時補充。這樣，學生學習的目標很明確，在課余時間就會主動待在實驗室。

3.教材建設與實驗考核。學校基于這種教學模式學校編寫了一套實驗教材，包括《電路實驗》《電子技術實驗》。實驗內容是在學生完成儀器的使用和實驗方法訓練后，針對各個知識點安排的設計性、綜合性實驗。設計性實驗的內容遵循循序漸進的原則，前面的實驗要求適當具體，后面的實驗中采用項目設計型教學。在做“晶體管放大電路”實驗時，要求學生設計一個阻容耦合的單級共射極放大電路，具有靜態工作點穩定特性，并提出具體設計參數。學生設計好電路后，利用Protues軟件完成仿真調試，然后自取元件在面包板連接電路，調整好靜態工作點，按要求完成各參數的測試。在單級放大電路的基礎上，設計引入電壓串聯負反饋的兩級放大器，要求閉環電壓放大30倍，1+AF=10。連接電路測試負反饋對放大電路不同參數的影響，實驗結論要通過數據給出充分論據。以此來加強學生對項目設計和實驗方案設計能力的訓練。學生也可以結合自己的項目制定自己需要的實驗方案。教材中包含啟發與創新性的實驗項目，旨在啟發學生運用所學知識解決實際問題。還有一些操作方法和技巧，讓學生掌握科學研究過程中實際操作的基本方法。

實驗考核方法充分考慮不同學生的情況，針對實驗方案、操作過程、數據處理等按照比例給出優秀、良好、中等、及格和不及格五檔綜合成績。

4.競賽和產品展示。在項目實施的不同階段，由社團和學生管理部門組織各種設計大賽和產品展示活動，對優勝者給予表彰和獎勵。將學科競賽引入實踐教學，作為實踐教學的補充。[5]通過競賽交流，進一步激發學生展現自我的欲望，使學生不斷產生新的想法，對設計產品的功能提出更高的要求，持續推陳出新。

產品設計展示，往往對低年級學生有強烈的吸引力。在他們的選題和產品設計過程中，除了老師的指導，還會主動向項目相近且水平較高的高年級學生求教，有了示范作用和經驗積累，設計成果會越來越好，逐步進入了良性循環。

在產品設計競賽中遴選出的優秀項目組，經過集訓，參加全國的各種創新實踐設計競賽。參與競賽可以訓練學生查閱資料、分析問題和解決問題的能力，培養學生的合作意識、創新精神和創新能力。[6]實踐證明，這些學生在競賽中，無論是在產品的調試，還是應對不同設計題目的變化上，經驗更加豐富。

5.課程設計和畢業設計。在課程設計教學環節中，學生的選題可以根據自己產品的設計需要來擬定，課程設計的內容可以是產品設計中的一部分。設計題目由學生提出來，提出設計目標和具體參數，由指導老師總體把關。這樣，課程設計題目就會更加豐富，每屆學生的設計題目更新率可以達到30%以上。由于設計成果和自己的項目直接相關，功能可以直接在產品上實現，學生的參與積極性和認真程度都有了明顯的提高。

有了前期的產品積累，到畢業設計環節，畢業設計題目與項目小組設計的產品一脈相承，學生的任務就是完善和優化產品的功能，整理測試數據和設計圖紙等技術資料，總結設計經驗和撰寫心得體會，以此為基礎撰寫論文并完成畢業答辯。

“貫通式”實踐教學方法是實踐教學的一次革新。工科學生的學習成果表現就是產品，而產品本身就是多個學科知識融合的結果。通過這個載體，形成了“跨領域整合，自主設計，實踐創新”的人才培養理念和“產、學、研”合一的課程體系[7]。完善產品功能的過程為學生學習專業知識提供了持續的動力，也為學生了解其他學科打開了一扇門。

在大學學習期間，設計制作產品的工作始終貫穿其中，學生在此過程中有了學習的目標和方向。圍繞產品設計，促使教師、學生精力投入到位[8]。知識能變成產品，理論知識點不再抽象，這種模式使工程教育真正回歸到了工程[9]。

通過貫通式實踐教學方法培養的學生，在各類創新設計大賽中，學生表現出了良好的心理素質和應變能力。這批學生掌握的專業知識綜合性強，團隊合作意識好，自學能力和知識轉化的能力都很強，深受用人單位的青睞。

參考文獻：

[1] 葉朝輝.模擬電子技術實踐創新能力培養的探索[J].實驗技術與管理，2017，（1）：29-32.

[2] 刁 鳴，王松武.國家級電工電子實驗教學示范中心建設的若干理論探討與實踐[J].實驗技術與管理，2008，（6）：1-5.

[3] 尹仕.電工電子科技創新中心建設與運行機制研究[J]. 實驗技術與管理，2005，（7）：103-106.

[4] 王幼林，詹迪鈮，雷治林.“主題實驗”教學模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，（6）：223-226.

[5] 金翠云，李大字，汪曉男等，多層次立體式大學生學科競賽體系的研究與實踐[J].教育教學論壇，2015，（9）：129-131.

[6] 熊杰，付艷鋒，段智迪.創新教育理念下工科大學生學科競賽實踐體系的構建[J].長江大學學報（社會科學版），2018，2）：115-118.

[7] 張婷，邵垚然，謝怡云等. 構建創新型實驗室培養創業型卓越工程師[J].實驗室研究與探索.2018，（5）：226-228.

[8] 陳寶生.堅持“以本為本” 推進“四個回歸” 建設中國特色、世界水平的一流本科教育[J].時事報告（黨委中心組學習），2018，（5）：18-30.

[9] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

責任編輯 ?程 ?哲