工程專業認證背景下的電工電子實驗教學改革

劉銀萍，宋亞男，曾思明，杜宇上，謝小柱

（廣東工業大學a.實驗教學部；b.自動化學院，廣州 510006）

0 引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎［1］。2016 年6 月我國成為華盛頓協議第18 個正式成員，工程教育認證工作開始在全國推進，成為評價高校工科專業水平的新標準［2-3］，各個專業把開展工程教育專業認證作為工科專業教育發展的重要目標。電工電子實驗是高等工科院校電類和近電類重要的專業基礎實踐課程，也是電類和近電類專業工程教育專業認證的支撐基礎課程，在培養學生工程實踐能力和工程創新能力方面具有理論教學不可替代的作用。與傳統工程教育思想不同，工程教育專業認證基于成果導向的教育模式（Outcome-Based Education，OBE）是以培養目標和畢業要求為導向的人才培養模式［4］。在工程教育專業認證背景下，建設符合專業認證標準的電工電子實驗課程是教學改革的方向和目標。

1 傳統電工電子實驗教學存在的問題

電工電子實驗開課對象涵蓋電子科學與技術、電子信息、電氣工程及其自動化等電類專業以及工業工程、計算機、測控技術與儀器等近電類專業的學生，其顯著特點是量大面廣。作為各專業工程教育專業認證的支撐基礎課程，傳統的電工電子實驗面臨嚴重的挑戰：①各門課程缺乏深度融合，沒有形成統一的知識體系；②缺乏目標導向的教學設計，無法明確其與培養目標的對應關系；③實驗教學缺少明細的指導性教學標準，缺乏知識、技能、方法、能力、素質培養準則；④以往所有專業均采用統一的教學計劃及教學要求進行教學，無法滿足多學科多專業的需求。⑤實驗教學過于注重共性訓練和培養，忽略了多層次人才培養的新要求［5］；⑥考核方式不能有效評價課程目標的達成情況［6］，缺乏對教學效果的直觀評價。

2 實驗教學改革探索

2.1 組建電類基礎實驗課程群，構建一體化、系統性的實驗課程體系

傳統的電工電子實驗教學按照電路實驗、模擬電子技術實驗、數字電子技術實驗等獨立設課，實驗內容只配套對應的理論課程，各自形成比較完整但相對封閉的單一課程知識體系，內容重復，課時膨脹，難以開設多門課程知識點的綜合性、創新性實驗［7-8］，學生缺乏解決復雜工程問題能力的訓練。為提升教學效果，必須打破實驗學科本位限制，優化課程結構，從群的角度重塑實驗課程體系，依托電子信息和電氣兩個學科，構架寬口徑學科大平臺基礎知識結構。將電路實驗、模擬電子技術實驗、數字電子技術實驗等多門課程看成一個整體，從人才培養體系出發，建立以能力培養為主線，分層次、相互銜接的科學、系統的電工電子實驗教學課程體系。一體化、系統性課程體系的建立有利于進行多門跨課程的一體化的研究、創新和實踐活動，為創新能力培養提供實驗課程標準。

2.2 基于教學規范，制定詳細的教學標準

在工程教育認證背景下，不同專業培養目標對電工電子實驗課程的教學目標要求不同，教師大都基于自身對教學目標的理解，組織開展教學，缺少指導性的規范準則，難以落實各專業工程教育認證要求的實施細節。為提升課程質量，引導課程建設和質量管理，建立詳細的課程標準。根據電子電氣基礎課程教學指導委員會制定的教學基本要求［9］，根據工程教育認證標準中對學生作出的12 項畢業要求以及不同專業對電工電子實驗課程的教學要求，參考其他兄弟院校相關的教學基本標準［10］，以成果為導向，從人才培養目標和畢業要求出發來制定標準，注重學生能力和素質的培養，建構了以學生為主體，包含實驗知識、實驗技能、技術方法、實踐能力、綜合素質的實驗課程知識體系，如圖1 所示，詳細制定“實驗規范”“電子元器件特性”“電氣元件設備結構與應用”等指標的實驗教學標準要求。表1 所示為“實踐能力”中“調試測試”教學標準要求。課程標準的確立有助于使課程建設工作步調統一、目標一致，是課程實施及建設的通用標準，也是達到專業認證基本要求的前提，度量教學效果能否達到教學目標的標桿以及檢查教學質量的依據。

表1 “實踐能力”中“調試測試”的教學標準要求

圖1 電工電子實驗課程知識體系

2.3 實驗內容的重構和設計

2.3.1 實驗內容分層模塊化

在統一的電工電子實驗課程體系知識架構和課程標準的指導下，按照專業培養目標，從系統的角度將系列電工電子實驗課程由淺入深分為認知必修模塊、基礎實踐模塊和綜合實踐模塊3 個層次，明確各模塊的訓練目的和目標，各層次模塊又含若干個子模塊，形成“模塊化積木式”結構形式。認知必修模塊是所有專業必修學習內容，基礎實踐模塊根據不同專業的需求，設置適應各專業的必修項目，綜合實踐模塊采用學生自選項目的模式。

（1）認知必修模塊。以單元電路驗證性實驗為主，培養學生最基本的電路實踐能力，重點解決理論與實踐相結合、理想模型與實際物體相結合、運用知識、推廣和提高實踐能力的問題［11］。

（2）基礎實踐模塊。以單元電路設計性實驗為主，強調實驗原理的分析與應用，培養學生的工程實踐基本技能，完成運用知識能力的基礎訓練。

（3）綜合實踐模塊。實踐教學內容體現為多個單元電路綜合設計性實驗。強調訓練學生的基本設計能力，強化培養學生制作調試較復雜電路的能力，強化培養學生使用常用儀器、儀表對電路進行測試和分析的能力。

分層模塊化教學強調各實驗的模塊化和積木化，既強調各實驗本身的獨立性，又強調各實驗之間的繼承性和相關性［12］。教師可根據各專業的教學目標和學時選擇不同的模塊進行組合開展教學，滿足不同專業對課程差異化的需求［13］。學生則可根據自己的能力和興趣選擇不同類型實驗進行實踐活動，滿足多樣化人才的培養需求。

2.3.2 基于目標和能力的實驗項目設計

OBE 教育模式的核心理念是以學生學習產出為理念，需要將未來畢業生應該掌握的能力體現到實驗內容的設計。實驗項目是教學中最基本的單元，每個項目學習成果的達成，將支撐課程目標、畢業要求和人才培養目標的達成。因此，需要為每個層次的模塊設計相關的實驗項目，建立各種類型的知識、能力和素質專題，具體能力對應電工電子實驗課程知識體系（見圖1）中的若干項。以表2 實驗項目“晶體管單級放大電路”為例，除明確實驗內容要求及所屬構成模塊，還明確其學習產出。

表2 晶體管單級放大電路實驗項目設計

2.4 規范考核機制，系統客觀評價

傳統的實驗教學效果評估主要采用“實驗結果+實驗報告”的考核方式，無法對學生的實驗能力和實驗過程進行評價。因此，必須明確為了培養什么能力而需達到的一些評價指標，強化實驗過程的監控來適時掌握學生實驗過程的學習成效，如在實驗前采用預習考查，在實驗中觀察節點、驗收重點，質詢問題，等等，通過“過程+結果”“線上+線下”的評價方法，改變過去對于學習成果評價的單一性和片面性，綜合各方面對學生的學習效果作出較為客觀公正的系統評價，提高教學評價的科學性。

2.4.1 明確基于目標和能力評價標準，實施過程考核，分步驗收

OBE 理念突出成果導向，注重評價學生專業基礎知識、專業工程技能、工程實踐能力和工程素養等能力［14］，注重實現過程的要求。在實驗之前，教師將每個實驗項目的學習進程劃分成不同的階段，實施分步驗收，在實驗自學預習、現場考察、課堂項目驗收、實驗報告等進程中設計考核時間、節點以及考核內容，確定每階段的學習目標和能力評價標準，明確學生通過實驗將要達到的預期效果［15］。以“晶體管單級放大電路實驗”為例，在“課堂項目驗收”中設置2 項檢查點：①學生是否能正確測量靜態工作點；②學生能否正確調節示波器，顯示輸入、輸出信號波形以及在示波器上顯示輸出信號的峰峰值；目的是考查學生通用儀器設備的使用、調試、參數測量、故障排除的實踐能力等。學生通過實驗可獲得什么能力和目標效果也清清楚楚，整個教學過程學生心中有數，老師心明眼亮。通過設計階段性考察任務，分步檢驗，定性評價，避免學生抄襲實驗結果，強化實驗過程的監控，確保教學效果和質量，評價結果更加量化、標準和客觀。

2.4.2 構建“線上+線下”考評體系，多維度評判實驗效果

專業認證的核心是對學生表現的評價［16］，由于參與電工電子實驗學生人數眾多，難以保障對每個學生的實驗能力進行客觀、公正地評價。對此，基于開發的“共享智能實驗管理平臺”實驗教學系統，構建“線上+線下”考評體系。平臺考評系統能多層次、全方位地考核學生的學習效果，實驗過程可查、可看、可追溯的過程評價監控做到客觀公平。考評系統可對學生預習試題的答題進行預習環節評分，對學生每次提交實驗操作數據自動審核判分，課堂測試、課后練習、無紙化實驗報告提交和成績統計記錄，有效提升了教學效率和評價的客觀性。如圖2 所示為實驗數據在線審核截圖，學生將實驗數據提交系統自動審核，并對實驗數據進行評分。圖3 為學生實驗結果圖像記錄，學生姓名、學號、實驗臺號和提交時間也會通過水印保存在學生提交的實驗過程圖像上面，有效杜絕了抄襲現象。線下評價則采用學習檔案袋記錄實驗課堂表現和操作、實驗報告相結合的方式。改革傳統教師評價學生的單一模式，學生完成每個實驗項目后在網上對教師進行評教，改革傳統教師評價學生的單一模式，實現評價主體的多元化，以便發現教與學中存在的問題，有利于形成持續改進的良性機制。

圖2 實驗數據在線審核

圖3 學生實驗結果圖像記錄

3 實施效果

3.1 實驗教學分層模塊化，暢通不同類型不同層次人才的培養渠道

電工電子實驗課程分層模塊化教學已實踐應用于電類及近電類專業，為各專業學生提供多種選擇，為不同層次的學生提供更豐富的自選實驗項目，兼顧不同專業的培養方向和學生個體差異，滿足不同類別、不同層次學生的學習需求，保障教學目標“保證大面積成才，強化優秀生培養，促進拔尖人才脫穎而出”成為現實。截至目前，面向專業認證的電工電子實驗課程已支撐通信工程、機械設計制造及其自動化、自動化等20 個專業通過工程教育專業認證。

3.2 學生培養效果持續提升

基于成果導向的電工電子實驗課程教學改革已實踐5 年，獲得良好的教學效果。作為電子類專業學生最有影響力的“全國大學生電子設計競賽”和“廣東省大學生電子設計競賽”，其成績是檢驗教學改革成果的重要體現之一。通過該門課程的學習，學生的實踐創新能力和科學素養得到了顯著提升，在2020 年廣東省大學生電子設計競賽中獲得一等獎4 項、二等獎7項，三等獎15 項，在2021 年全國大學生電子設計競賽中獲得一等獎1 項，二等獎2 項，在廣東省賽區中獲得一等獎3 項，二等獎3 項，三等獎14 項。可見，改革舉措對于提升學生解決復雜工程問題的能力，起到了非常積極的促進作用。

4 結語

以工程教育認證為準則，以能力培養為主線，對原有電工電子實驗課程體系進行全面系統的整合重組，通過設定教學標準，重構和設計實驗內容，規范評價機制，形成知識體系統一，教學規范，教學目標明確，課程內容結構分層模塊化，評價要求清晰的教學模式，在滿足大規模課程教學的前提下，兼顧專業和學生學習層次進行特色實驗教學，有效提高了實驗課程的教學質量和效果，更好地滿足工程教育專業認證和培養高素質創新應用型人才的要求。