“電氣技術實踐”課程的探索與實踐

申文達，范昌波，黃亞玲

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

引言

“十四五”規劃綱要中指出，堅持創新驅動發展，加強創新型、應用型、技能型人才培養。2018年，北京航空航天大學提出了“頂尖工科”學科建設方針。“電氣技術實踐”課程是電類工科本科生的必修課，是培養創新型人才的關鍵一環。自2017年始，我院先后進行了“基于拔尖創新人才培養模式下‘電氣技術實踐’課程的改革與實踐”的教改［1］、“建設雙一流本科實驗課”的教改［2］等，并在2019年編寫了《電子電氣技術實踐基礎教程》新教材［2］，對課程進行了重新設計和調整，注重培養學生的創新精神和實踐能力，并且把思想政治融入實驗教學過程中，培養拔尖人才［3］，實踐育人育才。以創新型人才培養為目標［4］、融合科研思維［5］的實驗教學體系初步形成。在實踐中，為培養任務驅動的新工科創新型、復合型人才創造了條件［6］。

一、增加實驗課的學時，精心設計實驗內容，滿足創新型人才培養和不同專業的需求

緊跟科技發展的步伐，滿足國家對復合型人才的需求，以及各個學院、各個專業的需求，提高學生解決復雜問題的綜合能力。我們首先對“電氣技術實踐”實驗課的學時和內容進行了精心設計，如表1所示。在2018年以前，該課程為72學時；2018 年以后，該課程為96 學時。基礎的模擬實驗［7］、數字實驗可以使學生掌握實驗方法，建立自信心；綜合型實驗可以提高學生的興趣和實驗技能；設計型實驗可以提高學生的創新意識及解決復雜問題的能力。在實驗內容中，我們大幅地增加了FPGA應用［8］設計型實驗，如在FPGA2實驗中，既可以設計直流電動機控制，也可以自行設計其他內容的實驗。同時，增加了原理圖設計、PCB電路板設計等以學生自學為主的內容。

表1 “電氣技術實踐”實踐課學時與內容改革前后的對應

二、充分利用各種教學方法和手段，增加學生的興趣，提高實驗技能和教學效果

基礎實驗采用1人一組的形式，系統綜合設計型實驗采用3人一組的形式。在“工頻交流電路”實驗中，我們在每一組實驗臺上設置了斷線，每一位學生要獨立找出斷線，從而提高學生排除故障的能力，增加學生對實驗的興趣。

1.啟發式［9］、探究式教學相結合。在“簡單的數字頻率計”實驗中，引導學生掌握頻率計的基本結構和實現方法，還要進一步啟發學生如何提高頻率計的精度、如果輸入的信號為正弦波該如何測量等，以激發學生的主動思維，鼓勵學生自主學習［10］。在濾波器［11］實驗中，引導學生學習如何分析信號噪聲等。在實驗過程中，注重思想政治教學，適時地宣講空天信科技的發展狀況、優秀學長的事跡等，培養學生嚴謹的工作作風，立志空天報國。

2.分層次進行指導。針對初學該課程的學生，要有耐心，用啟發式的教學方法鼓勵他們，讓他們體會到實驗的樂趣。針對能力較強的學生，采用開放式的以成果為導向的模式，隨時交流答疑，培養他們的創新意識，以及解決復雜工程問題的綜合能力。讓每一位學生通過實驗課有所收獲，尊重個體的發展。利用各種教學手段，如錄播課、直播課、上傳學習資料、建立交流群等，隨時交流，以達到更好的教學效果。

3.線上線下教學相結合，虛實融合［12］。新冠肺炎疫情期間，實驗課以仿真教學為主，實驗教師用PROTEUS將21個實驗重排一遍，再利用多種網絡工具進行教學。新冠肺炎疫情常態化期間，實驗課以實際操作為主。兩者互相銜接，充分發揮了線上線下混合教學的優勢，收到了很好的教學效果。上課前，將教學大綱、PPT等資料上傳到北京航空航天大學的課程中心，供學生下載學習；下課后，將錄播的課程上傳到騰訊課堂供學生翻轉學習。通過騰訊會議進行直播上課；利用微信建立師生交流群，進行討論答疑。學生利用郵箱提交實驗報告，教師批改后再反饋給學生。我們在中國大學MOOC網站建立了“電氣技術實踐”慕課28節，每節課包括基本原理的講解、實驗操作演示、單元測驗等，對學生預習及準確把握實驗原理、方法和技能起到了積極的作用。截至目前，有1000多人參加。

4.采用全英文的授課方式。教師的講解、課件、指導書，學生的實驗報告、項目報告、答辯等全部采用英文。每個學期開設2個全英文授課班，每個班25人，學生自愿選課，已經連續開設了3學年。全英文授課班開闊了學生的視野，使學生建立起科技英文的思維方式，不僅提高了實驗技能，還提高了英語水平，促進了拔尖創新型人才的脫穎而出，為將學生培養為國際化人才奠定了基礎。

5.開放實驗室，賽課合一。對于那些在有限的課上時間沒能完成實驗或想進一步深入探索的學生，只要實驗室沒課，就可以供他們使用。另外，實驗教學中心還專門設置了電子實驗創新基地，基地提供各種儀器設備，并對學生全面開放。同時，對創新項目［8］給予資金支持，激發學生的創新思維，鼓勵學生參加我校的“馮如杯”科技競賽、北京市大學生電子設計競賽、全國大學生電子設計競賽等。

6.改變成績評定方式，鼓勵創新。原來的成績評定由實驗操作、實驗報告和考查組成，現在變為基于過程的考核方式，考核內容包括實驗操作、實驗方法、問題討論、任務完成、實驗報告書寫、期末考查，以及綜合設計型項目的開題、中期、結題答辯、實物作品等，現在的考核方式更加注重學生在日常的學習過程和積累。創新項目的成績在總成績中的比重大幅增加。現在，創新項目的分數占總成績的1/5，這個分數也是決定能否保研的分數，因此極大地激發了學生的創新動力。

三、探索與實踐的效果

提高學生的實驗技能、創新意識、設計能力及處理復雜問題的能力，增加實驗學時和實驗內容是其有力保障，更重要的是在實驗課中增加了創新型、研究型實驗項目［13］。在實際操作中，針對此類實驗采取分組教學的形式，每組3人，增加團體合作的意識。根據不同能力的學生，有的可以完成教師制定的典型基礎題目的設計、搭接、檢測，有的可以結合單片機、FPGA等軟硬件設計感興趣的題目，但是要求他們必須用AD等軟件設計原理圖，制作電路板。在調試階段，實驗室將全面開放。在答辯環節，要求小組中的每一位成員進行3～5分鐘的答辯。教師對學生項目的開題、實物制作、編寫小論文等進行全程答疑，經過兩年的探索與實踐，學生設計了如下產品：智能指紋密碼鎖、電磁炮、物聯網電子秤、冬筍探測器、手勢控制儀等。有些產品涉及物聯網、阿里云等技術，遠遠超出了該實驗課的內容。為了鼓勵學生創新，我們在學院路和沙河校區分別設置了展柜，展出學生的90多件創新成果，而且每年還不斷地更新。有的學生說，一次“實驗”相當于一門課的內容。設置此實驗環節培養了學生自我學習、團隊協作、溝通交流、動手實踐、創新思維等方面的能力，使得更多的學生有信心參加學校的“馮如杯”科技競賽，以及北京市大學生電子設計競賽、全國大學生電子設計競賽等，并獲得獎項，我們的辛勤付出也得到了收獲。

結語

在實驗教學中，我們始終堅持以學生為中心，加強創新型、應用型、技能型人才培養，加強對基礎學科拔尖學生的培養。探索建立新工科復合型人才培養體系是新時代的要求，要不斷地探索和實踐“電氣技術實踐”這門實驗課，不斷地完善教學體系，通過多種途徑、多種方式，改善教學方法和手段，提高學生的實驗技能，激發學生的創新能力，推動構建與世界一流大學接軌的學習環境和知識結構。