新工科背景下“電工學”實驗教學模式改革探索

王文東 袁小慶 史儀凱 趙妮

[摘要]該研究為適應新工科建設與創新能力人才培養的需要，提出了四項“電工學”實驗教學模式改革的基本措施，即建設形式多樣的仿真實驗平臺，建設綜合創新實驗室并優化創新實驗內容，開放實驗室并采取開放式實驗教學方法，在細化、調整考核模式的基礎上新增考核內容等，然后針對每項措施給出具體的實施方案。改革后的實驗教學模式能夠實現對學生工程實踐能力、創新能力和知識綜合運用能力的培養，符合新工科建設要求。

[關鍵詞]新工科;“電工學”實驗;教學模式改革

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2020）02-0023-04

一、前言

“新工科”的概念在2016年首次被提出，教育部組織高校開展深入研討，逐漸形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，這標志著高等工程教育進入新工科建設階段[1]。人才培養是高校發展的核心目標，創新創業能力是工程人才培養的必要條件，創業能力是新產業發展的必備能力，創新能力是產業和經濟發展的源泉以及產業發展必須具備的核心競爭力。因此，新工科建設要把創新創業能力培養植入人才培養方案[2-3].“新工科”的內涵具體而言就是以新經濟、新產業為背景，樹立大工程觀、綠色工程教育、全面工程教育“新理念”，構建新興T科和傳統工科相結合的學科專業“新結構”，探索實施工程教育人才培養的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新質量”，建立完善的中國特色工程教育“新體系”[4]。

新工科建設目前主要存在以下幾方面問題[5]：政策方面的頂層設計和引導作用不足，工程教育體制不夠完善，產學研結合未達預期效果，學生的創新意識和創新創業能力不足。

中國擁有世界上最大規模的工程教育，工科在校生占高等教育在校生總數的1/3，近年來每年T科本科畢業生占世界- -科本科畢業生總數的1/3以上[6]。實驗室是現代大學的心臟，實驗教學是培養學生創新意識和實踐能力的重要環節，以新工科為教育主線開展創新實驗教學，才能適應新時代人才培養的需要。

二、“電工學”實驗教學改革的必要性

實驗室是高等學校實施素質教育、培養學生創新精神與實踐能力的重要基地。實驗室面向全體學生開放，為學生提供全方位的實驗實踐條件是教學改革的重要內容，是培養創新人才、實施素質教育的客觀要求。如何搞好實驗教學，加強實驗環節，培養學生的動手能力，一直是工科教學中的重要問題[7]。“電工學”實驗教學開展的目的，不僅是用實驗來驗證所學理論知識，更主要的是使學生通過實驗掌握基本的電工電子實踐技能，觀察實驗中出現的現象和問題，并能應用電工學的理論分析、解決實際問題[8]。

傳統的“電工學”實驗教學存在以下幾方面不足[9]。

（1）實驗時間有限。如果實驗太難或者內容過多，在有限的時間里就不能完成，教師只能簡化實驗或者選取比較容易的實驗來做，這就不利于學生對知識的理解和掌握。

（2）以驗證性實驗為主。大部分院校主要開展驗證性實驗，這種方式雖有助于學生理解所學知識，但實驗項目和實驗步驟等都是確定的，缺少實驗設計環節，這不利于學生分析問題和解決問題能力的培養。

（3）實驗缺乏創新。傳統的“電工學”實驗教學一直是實驗教學依附于理論課程，實驗項目都是由教師選定的，這不利于學生主觀能動性的發揮。

（4）實驗條件差異大。由于自身實驗條件不夠好，好多學校無法實現單人單組實驗。多個學生一組，不利于學生根據興趣與特長自由選擇實驗內容。

另外，開放式實踐教學只是在少數院校開始采用，但是各院校的落實程度相差很大，這就不利于學生創新能力和實踐能力的培養[10-11]。為了適應新形勢的發展要求，需要激發學生學習的主動性，培養學生的創新能力，使理論與實踐緊密結合，以便于學生創新精神和實踐能力的培養。因此必須對傳統的“電工學”實驗教學進行改革。

三、“電工學”實驗的新工科教學與考核模式改革措施

針對“電工學”實驗教學巾存在的問題，可以采取的改革方法為“三結合法”，即“基礎實驗、EDA仿真實驗與綜合設計實驗相結合”;教學模式上采用“強化預習、教師指導與綜合設計相結合”;考核方式上采取雙向考核模式，并通過調整、細化與新增考核標準，最大限度地體現分數與能力的相關性。對教學內容與教學模式的改革要注重強化預習環節、增加網絡學習資源、整合優化實驗內容、引入電路仿真分析、增加綜合類設計實驗等內容。

（一）開展仿真實驗平臺建設

理論教學環節涉及的分立元件較多，實驗室受資源條件限制無法滿足全部演示要求，可以采用Multisim、psplce等軟件提供實驗室不能提供的新器件，節省因元器件安裝、電路調試產生的費用和時間，達到經濟高效的目的。同時，軟件仿真環節不僅有助于較快解決學生在實驗環節出現的問題，而且能拓寬學生的設計思路，有利于學生創新能力的培養。

我校電工實驗教學巾心在仿真實驗平臺建設巾采取的具體措施為將Multisim等仿真軟件作為學習工具融人課堂教學及實驗教學巾，選擇實驗任務巾的2個實驗為必做的仿真實驗，并將其分為3個階段：第一階段為仿真建模與結果演示階段，完成基本功能練習和指定任務操作;第二階段為綜合拓展階段，需要結合工程應用案例完成相應的建模與仿真;第三階段為總結報告階段，是一個思考、總結、提升的環節。經過這個過程學生不僅能積極主動地參與工程應用問題思考，其動手能力、自主學習能力和分析解決問題能力等也得到提高。另外，結合仿真實驗給每組學生發放一套器件，讓他們按照實驗的要求課下完成實驗電路的連接，調試好以后再到實驗室開展驗證。這種方法不僅能鍛煉學生獨立動手組裝、焊接和調試電路的能力，而且能節省課堂實驗時間。學生可以在課堂上學習更多諸如EDA仿真軟件應用等方面的新內容和新技術，從而提升自身的綜合設計能力。

（二）開展綜合創新實驗室建設與優化創新實驗內容

本文提出綜合創新實驗室建設與創新實驗內容優化整體方案，如圖1所示，其總體思想是在建設仿真實驗平臺的基礎上設計綜合創新實驗，實現提高學生綜合創新能力的最終目標。

綜合創新設計型實驗要求綜合應用本門課程的多個知識點，甚至需要運用其他課程或專業知識才能完成，其開展目的是培養學生自主學習、設計分析和應用創新的能力。不同于傳統實驗項目，綜合創新實驗的主體是學生，指導老師輔助指導，教師出題與白選題目相結合。合理選用啟發式、討論式、開放式與組合式相結合的教學方法，使實驗教學活動能真正建立在學生自主選擇、主動探索的基礎上，他們通過查閱資料、討論思考、親身體驗、咨詢探究等方式獲得本實驗的最優方案。

我校電工實驗教學中心采取的具體措施是根據課程性質獨立開設3門與理論課程配套的實驗課程，分別為電工技術實驗、電子技術實驗和電工電子技術實驗，并在此基礎上開設學生可以白由選擇的創新實驗課程，讓學生根據課程要求選擇相應的實驗內容。同時鼓勵創新實驗課程學習表現優秀的學生去參加國家大學生創新和創業計劃項目、全國大學生電子設計競賽、飛思卡爾智能車競賽、“挑戰杯”全國大學生課外科技作品競賽、智能機器人大賽、全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽等，激發學生的創造力，培養學生的科學素養，提高學生的工程實踐能力、創新創業能力和就業競爭力。在各類競賽中取得一定成果的項目，通過精心設計驗證可以將其轉化為新的綜合創新實驗內容，為開放性實驗提供很好的素材。

（三）開放實驗室與采取開放式實驗教學方法

1.時間與空間的開放

實驗室全天候開放，通過注冊的學生，可以自由選擇時間到某個實驗室練習各種儀器的操作，或者開發創新實驗和其他競賽項目等，這種時間和空間的完全開放給學生提供了更多的選擇自由，有利于調動學生學習的積極性和主動性。

2.教學內容的開放

根據學生的興趣、專業背景和能力不同，對實驗項目進行合理整合、精選和更新，將其分為必做實驗和選做實驗，設計多樣化的實驗內容，讓學生可以自由選擇基礎驗證性、綜合設計性或研究性的實驗。

3.教學方式的開放

為了節約時間和擴展實驗內容，教師將儀器儀表常規操作規范、注意事項、使用流程等內容錄制成視頻放在教學網站上，學生可以課前自由安排時間學習，同時預習與實驗相關的原理、目的、內容、步驟等。在課堂上，教師選講某些重點和難點內容，補充相關知識，要求學生單人單組完成必做實驗內容。在此基礎上有能力開展綜合創新實驗的學生，可以獨立或者組隊完成相關實驗。

開放實驗室必須加強管理，為了落實實驗室深度開放政策，對認證通過的學生放寬其進出實驗室的時間。在開放實驗室落實監督和管理實驗室資源的舉措，比如完善監控系統，學生申請領用所需物品時要規范登記流程，提示使用規則和歸還要求，制定追責規定與制度，實施師生共管共治，指定時間與區域負責人，發揮組長的帶頭作用，同時聘請研究生助教協助管理與解決現場問題。

（四）采取雙向考核模式并優化考核評價體系

從人力資源開發和管理的角度來看，建議采用雙向考核以及評價與激勵并用的管理模式。雙向考核即指導教師考核上課的學生，確保學生實驗效果;上課的學生考核任課教師，激勵任課教師提高教學水平。對教師的考核與評價需要注意以下幾點：一是考核評價標準應該與新工科學科專業建設的總體目標和階段任務相一致;二是應該將考核評價與績效管理相結合，及時反饋評價結果并分析原因、解決問題。對教師進行激勵的目的在于充分調動教師參與新工科專業建設的積極性和主動性，其政策的制定應該立足于教師的長遠發展，即教師經歷的豐富以及能力和素質的提高，而不是教師短期工作任務的完成。對學生的考核評價主要采取教師評價、學生白評、學生互評、結題報告相結合的辦法，按照一定的比例確定最終成績，改變單憑實驗報告判定成績的現狀。

對學生學習效果的考核，主要通過細化、調整、新增考核指標來實現精準化考核。課程教學與考核模式改革調整后的內容安排與各部分所占比例如表1所示。要通過完善考核和評價體系，來促進學生求真務實地學習，培養學生的創新意識。采取全過程的考核模式，減少重復驗證性的考試內容。師生之間形成一種默契，彼此都不再關心“考試”，而是將學習、考試、考核融為一體，這樣有利于改變學生為了考試而學習的現象。

四、結語

在這3年的實驗教學模式改革中，我們始終堅持將培養大學生的工程實踐和科技創新能力放在首位，已經取得初步成效，探索出了在技術基礎課教學中培養科技創新人才的途徑。實驗課程調查結果顯示，學生對改革后的教學模式非常認可，認為它能普遍提高學生主動學習和動手操作的興趣，實驗內容滿意度高達95%。開發綜合創新實驗十幾項，主動參與并完成綜合創新實驗的學生較之前增加了35%。近3年，我校電工實驗教學中心為5000余名本科生完成“電工學”實驗和開放實驗系列課程的學習與實踐提供了支撐，指導、支持本科生參加各類競賽并獲得國家級獎項近10項，省部級獎勵30余項，校級和其他競賽接近100項，受益學生覆蓋面非常廣。

本文針對“電工學”實驗教學中存在的問題，以提高學生實踐能力和創新能力為目標，探索了“電工學”實驗教學模式改革的途徑，符合新工科建設要求，幫助教師實現從知識的傳遞者轉化為學習的指導者，提高了學生學習的積極性。綜合創新實驗不僅是“電工學”實驗教學模式改革的重點，也是實現新工科目標的關鍵，必須不斷探索與實踐，逐步完善創新實驗教學的體系和模式。

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[責任編輯：龐丹丹]

[收稿時間] 2019-03-18

[基金項目]西北工業大學教育教學改革研究項目“《電工學》課程混合式教學模式的探索與實踐”（W015305），教學與考核模式改革項目“電工技術實驗”。

[作者簡介]王文東（1984-），男，山東嘉祥人，博士，副教授，碩導，研究方向：電工學系列課程教學、實驗教學及相關研究。袁小慶（1979-），男，河南確山人，博士，副教授，碩導，寶鋼教學名師，陜西省電工學研究會副理事長，研究方向：電工學系列課程教學、實驗教學及相關研究史儀凱（1952-），男，陜西興平人，本科，教授，博導，第四屆高等學校教學名師獎獲得者，陜西省教學名師，中國電工學研究會副理事長，研究方向：電工學系列課程教學、實驗教學及相關研究趙妮（1976-），女，陜西西安人，碩士，講師，研究方向：電工學實驗系列課程教學及相關研究。