面向新工科非電類理工科專業的電工學系列課程教學體系改革與探索

張 浩，劉 曄

（西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安710049）

0 引言

為積極應對新一輪科技變革與產業轉型，深化科技體制改革，響應“創新驅動發展”、“中國制造2025”等一系列國家戰略，教育部積極鼓勵、引導“新工科”發展，先后形成確立了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并印發了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》等文件，奮力開拓、努力探索適合中國的發展模式，建設高等教育強國，引領全球工程教育道路［1，2］。

新工科是在國家戰略未來發展新模式、國際經濟合作競爭新機遇基礎上提出的中國高等工程教育的改革發展趨勢。新工科以立德樹人為指導，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要方式，著力培育未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新性、系統化、開放式的特征［3］。因此，非電類理工科專業，如材料科學與工程、能源與動力工程等專業需要加強電工學系列課程的學習，并加強電工實踐能力與所學專業的有機結合，以培養具備跨學科交叉融合能力、創新實踐能力的工程技術人才［4，5］。

電工學系列課程是非電類理工科專業的重要工程基礎課程，課程知識面寬，實踐性強，內容與時俱進，具有綜合性和跨學科的特色。按照新工科的要求，通過該課程學習使學生掌握必要的電氣工程、電子信息工程以及控制工程的基本知識，培養其解決電氣信息類技術問題的能力。特別要培養學生應用數學和自然科學解決工程問題的能力，培養學生的辨證思維能力，牢固樹立理論聯系實際的工程科學觀點。課程不僅應突出其基礎性，而且應強調實踐應用性，還應與學生的專業有機結合，突出專業特色。據此，對面向新工科非電類理工科專業的電工學系列課程建設和教學體系改革進行探索，以適應新工科的發展要求，為學生的全面發展奠定基礎。

1 國內外電工學系列課程調研

電工學系列課程涉及電氣工程、電子信息工程以及控制工程等領域的基本內容，涵蓋了電能的利用和電信號處理這兩個電氣與電子工業的核心問題。該課程是為高等院校非電類理工科專業設置的工程技術基礎課程，通過教學幫助非電類理工科專業學生系統地學習電工學知識。當前電工學已廣泛應用于各個領域，與其他學科相互交融、密不可分，所以學好電工學系列課程十分重要。

國內外一流大學所教授的電工學系列課程有很大的不同，如圖1所示。下面主要從教學理念、教學內容、教學安排和教學方式等方面進行分析比較。

圖1 國內外電工學系列課程

1.1 教學理念

人才培育是教育活動的出發點和最終歸宿。盡管各世界一流大學對人才培育的定位有所不同，各有側重，但精英人才培養是所有一流大學共同的辦學宗旨［6］。通識教育是世界一流大學實現精英教育的重要環節。通識教育不僅激發學生探索和思考的熱情，使學生具有獨立思考、批判性思維的綜合素養，而且還為以后的專業學習、工作、生活乃至長期發展做好準備［7］。創新教育是世界一流大學培養精英人才的重要手段。創新教育主要旨在培養學生的創新精神、創新思維、創新意識、創造能力等創新素質，從而培育出優秀的創新型人才。國外的劍橋大學、哈佛大學、斯坦福大學、國內的清華大學等多所高校都提出了明確的創新教育理念，并將創新教育理念融入到學生的培養過程之中［8］。教學工程中尊重學生的主體地位，營造和諧平等自由的教學環境，不輕易地否定學生想法，鼓勵學生掙脫常規思維的束縛，以引導為主，著眼于學生的思維能力的培養。

1.2 教學內容

由于不同專業培養方案的差異，其對電工學系列課程教學內容也各有偏重。國內一流大學根據具體的專業培養方案、教學目標，選擇相應的教學內容模塊，安排組織課程，制定了符合自己定位的電工學系列課程教學方案和計劃。例如大連理工大學的“電工學”課程，電工技術部分包含交直流電路、暫態分析、變壓器、電動機、電氣自動控制、供用電等；電子技術部分包含集成運算放大器、基本放大電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、直流穩壓電源、數模轉換、傳感器等內容。該課程兼具基礎性、實踐性、工程性和時代性的特點。

此外，普林斯頓大學、麻省理工學院（MIT）、莫斯科大學和彼得堡大學等國外重點大學所教授的課程內容與國內也有一些差異。其中，“電路與電子學（Circuits and Electronics）”課程是美國麻省理工學院（MIT）電氣工程和計算機科學系（EECS）開設的重要的基礎課［8］。課程以電路原理教學內容為主干，涵蓋線性電路分析、非線性電路分析、動態電路分析、正弦交流穩態電路分析等，并且十分重視模擬電路與數字電路部分，穿插介紹放大器、濾波器、運算放大器等模擬電路部分和反相器、門電路、數字內存等數字電路部分。

1.3 教學安排

目前國內大部分電工學系列課程都是采用“電路理論”、“電機與電氣控制”、“模擬電子技術”、“數字電子技術”的編排方式，教師授課也基本上是按照這幾部分分開講授。多年的經驗證明這種方式具有很好的教學效果，但是這種編排順序在某些地方存在一些缺點和局限性，它沒有充分考慮到各部分知識點的繼承性、相關性以及學生知識吸收的規律性，將某些相互關聯的內容放到各部分分開講授，不僅浪費了一定的課時，還不利于學生知識整體概念體系的形成。

美國MIT的“電路與電子學”課程就采用了一種不同于傳統的編排方式［9］。電工學系列主要課程內容經過重新排列組合，被完全打亂，相互交織在一起。對該課程內容進一步分析表明，課程知識點并非雜亂無章，各部分的知識點有機結合，有著明顯的繼承性。從內容上看，它不僅講述了基本的電路原理和分析方法，而且還包括在特定的電路設計過程中必須考慮的實際問題，而這些問題在國內教材中很少提到。MIT的“電路與電子學”課程完美地將基礎性、理論性、應用性和先進性有機融合在一起。

1.4 教學方式

國內電工學系列課程，以清華大學為例，充分利用了各種線上平臺的優勢，將實體課堂與在線開放課程有機結合，為學生提供了豐富的學習實踐機會。“大課+習題課+討論課+實驗課”的課程結構，“計算分析型作業+仿真型作業+設計型作業”的課后訓練，“教室課堂+MOOC+網絡學堂+雨課堂”的教學平臺，是清華大學電工學系列課程的重要組成部分，共同構建了多維化、綜合性、創新型和高品質的課程教學體系［10］。

美國MIT的課程教學人員配置包括1個主講教師，5個復習課教師，7個教學助理，4個作業批改員，5個實驗助理和1個課程秘書，教學人員與學生的比例約為1：11，遠大于目前國內的比例［11］。教學中大課、教學會議、復習課、答疑課、實驗穿插進行。課程每次大課都有演示實驗，所以基本上采用黑板授課的方式，多個投影儀分別展示演示實驗的實物投影和實驗所得波形。在數學推導比較多的情況下，教師也會借助電子化課件進行教學。每次大課會隨堂下發部分講義，解決學生上課忙于記筆記而沒有時間聽課的問題。清華大學“電路原理”教學組借鑒此做法，實行下發部分講義，學生反映良好。

2 非電類學生課程需求分析

隨著科學技術的發展，在新工科背景下，工程技術相關學科帶來了一系列的變化，包括一些新材料、新能源和其他相應的新技術以及科學技術手段的變化。在新興產業對工程人才的新需求背景下，進行跨學科合作和融合，打破傳統工科間知識結構的壁壘與障礙，取長補短、相互交融、共同發展。因此，面向未來，學生需要不斷樹立學科融合的理念，要不斷打破傳統學科的界限。而在不同學科交融的過程中可能會挖掘出一些新的技術，即未來新技術。

2.1 專業需求性

由于學生所學專業與未來職業選擇存在一定的聯系，所以非電類理工科專業學生對電工學系列課程的需求各不相同。部分專業只需淺嘗輒止；而某些專業可能會在以后的實踐中涉及到很多電工學方面的內容，因此需要強化基礎、牢固掌握相關知識。

電工類課程的基礎性決定了其具有較強的跨學科交叉融合能力，其教學內容與非電類專業學科的培養目標密切相關。理工科專業大部分會接觸電工學系列課程，但對課程的需求有所差異。管理類行業基本不涉足電工學領域，所以管理專業學生對于電工學系列課程的學習屬于興趣導向，擴展知識面和視野。化工、土木等專業從事的大部分行業與電工學專業聯系不是很密切，因此這類專業一般把電工學課程用于基礎教學。現有學科中與電工學專業關系較為密切的是材料、能源和機械工程等專業。例如，材料科學和電工學交叉融合產生了新能源材料、光電功能材料和超導電工技術、納米電工技術等；機械工程、計算機學科和電工學交叉融合生成了機電一體化新學科，形成了以機械為主體、計算機控制與電工學為技術核心的綜合格局［12］。雖然學科間交融緊密，但又不能混為一談，仍然要側重于主體學科方面的學習和研究。

2.2 實踐需求性

在全國范圍內舉辦的大規模電子類競賽：全國大學生電子設計大賽、飛思卡爾全國大學生智能車競賽等是面向大學生的群眾性科技活動。競賽與高等院校相關專業的課程教學體系改革緊密結合，旨在培養大學生的實踐能力和創新思維，鍛煉學生解決實際問題的能力。此些競賽面向的是全體學生，并不局限于電工電子類學生。每屆電子設計競賽都包含多種類型的題目，如電源類、無線電類、信號源類、放大器類、控制類、儀器儀表類、數據采集與處理類等，供不同專業的學生選擇［13］。

現在有愈來愈多的非電類專業學生參加電子類競賽，如能動、機械、材料等專業學生在這類競賽中都取得了良好的成績。應鼓勵非電類學生積極主動參與電子類競賽，激發學生的興趣，培養多元化、綜合型工程人才。而學生參加電子設計競賽的訓練過程中可能會出現各種各樣的電路現象和電路故障問題，因此非電類專業學生參賽基礎是要有一定的電工學知識積累。通過電工學系列課程的學習，可以提高非電類專業學生綜合運用知識的能力和實驗技能，同時為電子競賽的培訓與訓練打好基礎。

3 課程方案建設和教學基本要求研究

穩步推進新工科建設，是積極應對新一輪科技變革和產業轉型、培育發展新動能、搶占戰略競爭新優勢、促進高等教育改革發展的關鍵之舉、治本之策［14］。將新工科建設作為教學綜合改革的“加速器”，全面推進課程教學的理念創新、模式創新、內容更新、技術改革、體系創新，引領教育教學變革，如圖2所示。

圖2 新工科建設教學改革

新經濟發展為工程教育和教學提出了新的挑戰和要求：首先，我們需要面向未來，圍繞人工智能、互聯網、大數據、云計算、移動商務、電子醫療服務等新興產業和新興業態，發展新興的工科專業。其次，工程技術人才需要具有超凡的學科交叉素養和很強的創新能力，以快速適應大規模技術革命下的跨學科交叉融合。第三，要建立適應當今大學生互聯網“原住民”特點的個性化和多樣化的工程教育培養體系，探索“智能+”和“互聯網+”先進工程教育模式，為學生個性化培養提供現代化技術支持［14］。

3.1 工程教學的新理念

新工科的關鍵任務是重構人才培養體系、重塑高等教育質量觀、創新課程教學模式、加強創新創業能力培養、構建并完善創新人才培養體系、加快推動科技成果轉化應用［15］。教學中應牢牢抓住新工科建設的機遇，面向未來、把握未來、收獲未來、引領新常態，要理解和踐行創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，樹立現代工程教育觀。課程教學方案建設應著眼于提高學生的創新創業精神和能力，樹立全面綜合化的工程人才培養理念，推動學科面向產業需求導向建設轉型升級，由專業分割轉向交叉融合發展，由適應服務逐步轉向引領創新。

要深入踐行三大理念：堅持以學生為中心，著眼于學生的全面綜合發展，尊重學生的主體地位。課程教學從以“教”為中心轉變成以“學”為中心，讓教學改革成果使全體學生受益。教師首先基于啟發式原則，突出重點知識，細化難點知識，引導學生看到問題的本質，找到問題的著手點。再鼓勵學生獨立思考、嘗試，并討論交流、互相糾正，解決問題。最后對學生仍存在或無法解決的的問題做重點點撥。對于學生確實無法完成的特殊情況，適當降低難度，教學中更注重的是學生分析問題解決問題的工程思維能力。圍繞培養綜合型工程技術人才的教學目標，根據學生具體的認知情況，強調結果導向，強調教育教學的“產出”質量，處理好課堂教學、課后練習、課程實踐和實驗之間的關系。通過課前的問題導引、課上的互動交流、課后的溝通研討和延伸學習以及實際工程問題演練等方式，結合學生的專業背景建立基于圖3所示PBL（問題導向）的“學思交融”工程學習模式，完善發現問題-及時反饋-敏捷響應-有效解決的高效閉環循環機制，強化對學生創新思維能力的鍛煉，培養學生善思、善尋、善問的品質。

圖3 PBL模式

3.2 人才培養的新模式

教學方案建設改革應該服從服務于社會經濟發展，以社會需求為基礎來統籌、優化與調整課程。積極適應和引領新模式、新技術、新業態、新產業，重構課程的體系，實現人才培養架構與社會需求的匹配，學科體系與產業鏈和人才鏈的有機銜接，共同建設面向未來、滿足需求、引領發展、模式先進、保障到位的高品質課程［16］。

在新工科背景下，課程建設應探索校企多元主體協同育人機制，破除社會參與人才培養的制度障礙，進一步促進校企合作、校地協同、科教融合等模式，構建多維度、全方位的協同育人機制，實現合作教學、合作培養、合作發展［17］。發展多學科交叉融合的工程人才培養模式，采用學科交融的新型教學方法，促進學科間知識延伸，加強與多學科教學團隊、項目平臺交流，推進多學科合作學習。探索個性化人才培養模式，“請進來”和“走出去”相結合，加強與實際工程的聯系，緊跟科技前沿，更新知識與技能，鼓勵支持非電類理工科專業學生在教師指導下，參加項目學習，加強企業交流，參與學科電子競賽，為學生個性化發展提供優質的平臺。突破傳統教育的時空界限和資源壁壘，促進互聯網、大數據等現代信息技術與課程教學的有機融合，活化教育形式、豐富教學內容、增強教育效果。基于課程教學過程開發高質量“開源”平臺，鼓勵教師跨時空、跨學科傳授知識、互動探討，打破優質教育教學資源供給的單一化，提供“定制化”、“個性化”的培養服務。

3.3 學科專業的新內容

理論與實踐相結合教學，以工程項目為中心，培養學生的動手能力和創新思維能力是實現新工科發展目標的重要手段。基于CDIO中構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）與運作（Operate）理念的項目驅動式教學［18］，如圖4所示。以項目驅動為載體，以教師基礎理論模塊化教學為抓手，以解決實際工程實踐問題為導向，以教師引領、學生為主的理論與實踐相結合的綜合專業能力培養方式，增強學生解決具體工程問題的經驗和能力。同時提高學生團隊協作精神，充分發揮學生主動學習的積極性，培養學生主動查閱資料、主動學習、分析生產實踐問題、自主解決問題的能力，培養創新創業意識和科學探索精神。

圖4 CDIO培養能力層面

科技的不斷發展，極大地縮短了知識更新的周期，所以要求教育教學內容尤其是涉及熱點問題的工程技術領域的學科內容實時更新，也需要教師的知識體系、能力水平、技能和工具使用、職業素質不斷更新。教師可通過科學研究、學術期刊、學術會議、交流討論等方式和機會，及時和不斷地吸收知識，提高學術水平和其他能力，掌握最先進的技術和知識，以確保教學內容與現代社會發展所需的能力和知識相一致。課程教學應以紙質教材或電子課件為輔助材料，不僅要滿足非電類理工科專業學生理論學習的基本需求，還要確保實時性，不斷引入前言課題與熱點話題，體現當前科技發展的新成果和新知識。并基于課程教學實際，打破學科知識壁壘，重組學科知識結構，提高知識層次。課程應不斷規范、完善課程教材體系，提高課程教材水平并提升課程教材實用性。課程引入交叉課題研究，科教結合、協同創新。

3.4 教育教學的新技術

以大數據、云計算、互聯網、無線感知技術為代表的現代科技豐富了教師課堂授課的教學形式。互動黑板、智能教室、信息化校園等新技術的出現極大地優化改善了課堂教學的線下教學環境。基于互聯網的翻轉課堂、微課堂、雨課堂、釘釘、騰訊會議等線上教學新模式的涌現，使得教師安排課程教學的學術資源和時空環境變得更加豐富［19］。

互動黑板、智能教室、信息化校園的出現，使線下教學環境新增了許多優點，如豐富的內容，便捷的管理，快速的資源訪問、趣味化的師生交互以及真實的情景模擬等，為教師的課堂教學提供了高新技術產業支撐。使得“開放式課堂”、“情景教學”等新型教學模式和“STEM教育”（科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics））等先進教育理念擁有切實操作的物質條件與平臺，為學生充分發揮主觀能動性、主動參與課堂互動交流提供了良好的環境。翻轉課堂、微課堂、雨課堂、釘釘等新型線上教學方式是新時代教育教學理論和信息技術深度融合的產物，基于“互聯網+”的多模式教學平臺，有利于創造學生自主學習的環境，培養學生的學習興趣，提升學生自主學習的能力，激發學生求知和創造的熱情，培養學生自主學習的意識。

新興技術手段為教師的教學方案設計、教學活動安排以及教學方式變革提供了優質豐富的資源和環境。新的技術手段并沒有違背“教學相長，因材施教”的教育理念，相反，借助大數據信息，教師可以快速、便捷地分析學生的個性特征、學習基礎、掌握理解情況等信息，大大較少了充分掌握學生個性特征原本所需的成本和工作量，為教師實行大規模、即時的教學設計提供了可能。同時，借助互聯網平臺，教師能夠快速、便捷地調用在線資源，啟動新教學模式滿足個性化教育教學的需求。借助人工智能技術，教師能實時了解學生的學習進度、對知識的理解程度和實踐狀況等信息，有針對性地去進行課外輔導和課后答疑。

3.5 評價教學的新體系

新工科教育作為一種高校教育改革行動，應充分體現時代的鮮明特征，適應新形式的發展和變化，以立德樹人為本，重視發展學科多元化和產業融合，培養具有良好綜合素質和優秀工程能力的創新型工程人才，確保工程教育教學的高水平、高質量和國際競爭力［3］。

工程教育和教學應以服務國家為第一要務，著力于衡量人才培養質量，全面評估人才對社會發展、對促進國家核心競爭力、對工業技術發展的具體貢獻上。因此，課程考評應該扭轉不科學的導向，拓展評價的維度，克服唯分數論，面向學生的發展潛力而不局限于現有水平，立足于對非電類理工科專業學生能力的全面、綜合、深入考查而不再片面倚重于某些硬性的可量化數據指標。課程的考核應打破傳統閉卷考試模式，以能力考核作為評判依據。考察學生對基本理論知識的理解掌握情況，更重要的是考察非電類理工科專業學生利用知識解決實際工程問題的能力，鼓勵學生自主分享、學術交流，延伸知識，拓展思維。學生邊交流邊實踐，深入了解和應用所學知識，提高動手實踐能力。

4 結語

在新工科工程人才培養理念的指導下，對國內外非電類理工科專業電工學系列課程教育思想、課程內容和教學手段進行調研，分析新工科非電類理工科專業學生電氣電子信息知識和能力需求，從理念創新、模式創新、內容更新、技術改革、體系創新等方面，構建與研究非電類理工科專業電工學系列課程方案建設和教學基本要求。旨在提高課程的教學效果，激發學生的學習興趣和主觀能動性，增強學生的實踐動手能力和科技創新能力，為實現國家的“一帶一路”、“中國制造2025”的戰略部署和培養多樣化、創新型卓越工程科技人才做出貢獻。