面向新工科的電工電子實驗教學體系改革研究與創新實踐

王 旃， 林 平， 張德華

（浙江大學電氣工程學院，杭州 310058）

0 引言

建設和發展新工科，是我國工程教育圍繞國家發展戰略、國際競爭趨勢和立德樹人要求而提出的具有現實意義的改革方向，其行動方案的關鍵任務之一就是“強化實踐創新創業能力”［1］。實驗教學是工程教育“吸收新技術，體現新需求”的重要載體。開展面向新工科的實驗教學改革，需要在實驗教學體系、課程內容、實驗條件、方法手段等方面下功夫。國內許多高校已經開展了卓有成效的理論探索和教學實踐［2-4］。相對新工科強調的“教學要適應外部環境、跟隨產業發展，并積極應對社會變化”的發展要求，現有實驗教學體系面臨挑戰。

（1）實驗課程體系優化。傳統課程體系結構，普遍缺乏外部信息輸入和轉化的穩定渠道，課程更新節奏緩慢。為提高新工科人才培養的針對性和適用性，知識體系需要與產業需求建立可靠連接，與產業實踐持續互動；需要具備不同專業知識和實踐背景的教師組成協同團隊，共同開發新課程［5］。

（2）實驗教學方法更新。新工科背景下，教學模式正在由傳統的“單向輸出知識為主”向“促進學生學習”轉變。教師需主動更新觀念，關注學生學習成效，注重對學生創新實踐能力和動態適應能力的培養；通過開展育人引導式教學，引導學生樂于和善于學習［6］。

（3）整體支撐能力提升。創新課程和創新方法的實施，需要實驗技術、實驗環境和實驗資源的支撐。例如“快速響應并開發多樣化的教學儀器設備”“借助信息技術和互聯網，開放和共享實驗室”“構建面向跨學科培養的創新實驗平臺”“建設更安全、高效的實驗室運行管理機制”等。

1 實驗教學內涵梳理

實驗教學具有系統關聯、過程可控和可設計等特點。對其進行內涵梳理和系統思考，有助于把握核心要素、厘清改革思路。

教學應根據培養目標合理配置資源、制定計劃；以學生最終能力素質的形成為基準，開展課程教學，幫助學生完成從“入學生源”到“畢業就業”之間的轉型成長過程。

以此視角，實驗教學可以描述為如圖1 所示的功能系統，其中各功能環節既有自身定位、又相互配合，直接或間接與系統最終產出成果相關聯。其中：

圖1 實驗教學系統的功能結構

（1）課程類環節。直接面向學生，通過師生互動，實施教學計劃；通過評估與改進，實現教學目標。與理論教學相比，實驗教學要面對更多來自現實條件的復雜問題，比如教學環境準備、情境性導入、探究性引導等。

（2）發展類環節。為課程教學提供資源和能力支撐。新工科背景下，產業發展和需求變化更快，需要在課程建設、教學設計和環境構建等方面快速響應；同時，投入更多資源和政策支持，促進教師素質能力發展。

（3）服務類環節。為課程教學和發展提供保障和管理服務。

實際情況下，上述各功能環節相互支持又相互制約。從培養目標倒推，可提煉出多個關聯線條：課程教學是最核心的線條，是實現課程價值交付的主通道；創新項目是實驗教學整體發展的支持線，對課程主線能力的提升具有重要作用；教師發展是實驗教學整體發展的基線，對課程主線的質量提升具有決定作用；支持服務是整體穩定運行的保障，決定教學活動開展的可靠性。以課程教學為核心，創新項目、教師發展為兩翼，支持服務為支撐，構成實驗教學系統核心能力的內在關聯結構。

2 創新框架構建

通過內涵梳理和功能分析，可見，實驗教學體系內涵豐富且功能結構復雜。基于“成果導向”原則，需設定創新目標，結合實際條件和資源制約，構建創新框架。

2.1 以課程為目標

課程是教學活動開展的基本單元。所有創新努力，最終都要回歸現有教學主系統才能發揮主流價值。教育部實施的一流課程“雙萬計劃”就充分體現課程對本科教育質量提升的重要性。

如何將新工科培養目標轉化為課程目標？遵循工程教育專業認證的“反向設計”原則，以培養目標為依據，按照“培養目標-畢業要求-課程體系-課程”確定課程目標［7］。根據課程目標制定教學內容，參照能力培養圖譜，對實驗項目進行層次區分和關聯組合。

2.2 共同體的教學模式

“共同體”是重要的社會學基礎概念。“教學共同體”是指師生通過共享共有的方式結合在一起，讓共同學習和發展的結果發生［8］。這與新工科強調的“以學生為中心”理念內涵具有一致性。

（1）以學習效果為導向。根據學生在知識結構、能力素質、優勢特長等方面的差異，因材施教。開展工程問題和實踐情境教學，激發學生內生動力。引導學生關注學習過程，提高學習成效。

（2）以融合互動為特征。借助互聯網、信息技術，構建線上、線下融合的全時域實驗環境，開展師生／生生互動、協作與探究［9-10］?；趦炠|在線教學資源和數據驅動的評價工具，為學生提供學習全過程的針對性指導。

2.3 產學協同驅動的教學平臺

產業實踐是工科教學創新的重要源泉。需要形成對外部產業環境的有效接口，主動吸收產業創新元素，并轉化為教學資源，構建“外生動力→創新驅動→常態教學”連接機制，推進實驗教學的持續積累和提升，實現為課程教學賦能。區別于圖1 中的發展類環節，“開放接口”和“協同驅動”是創新教學平臺的主要特征。

基于上述原則、目標和關鍵要素，構建實驗教學體系的創新發展框架如圖2 所示。主要包括：共同體的課程教學、產學協同驅動的教學平臺和產業聯接接口。

3 體系改革實踐

電工電子實驗教學中心（以下簡稱“實驗中心”）面向全校本科生開設電工電子系列實驗課程，包括電路原理、模擬和數字電子技術基礎、電工電子學等工程基礎課程的實驗教學以及課程設計、實習實訓、競賽集訓等實踐環節。學生涉及電氣、控制、生物醫學、光電、海洋、能源、航空航天、化工、材料等學科專業，受益面廣。在人才培養體系中，銜接通識與專業教育。近年來，實驗中心在“夯實基礎、拓展思維、綜合創新”的理念指導下，圍繞教學內容、教學模式、實驗環境和隊伍建設，開展面向新工科的改革實踐與創新探索。

3.1 線上、線下融合的教學模式

借助互聯網、信息技術構建虛實結合的實驗環境，開展線上、線下融合式教學是實驗中心提升課程教學質量的重要舉措。

（1）在線教學資源建設?！皵底蛛娐贩治雠c設計實驗”課程目標是幫助學生鞏固和加強對數字電路理論知識的理解，學會常見邏輯功能的設計與驗證。課程采用“中小規模集成電路”和“可編程邏輯器件”兼顧的教學設計，并配置線上、線下教學資源。實際教學中，在線下完成基本認識實驗后，其余學時（包括組合邏輯電路設計、觸發器應用、時序邏輯電路設計、中規模集成計數器設計與應用等）均要求采用中小規模集成電路器件和FPGA分別開展電路設計與實現。借助MOOC在線指導、FPGA開發板外借和實驗室開放，學生可挑戰從簡單的門電路入手，學習PLD編程語言和開發工具軟件，直到以FPGA 為核心器件的功能電路的實現，并體會數字電路在規模性能和實現手段上的發展變化。整個教學過程中，MOOC 在線資源發揮了重要的指導作用，提升了課程的創新性與挑戰度。

（2）混合式教學設計。實驗中心在推進混合式課程培育工作的基礎上，鼓勵教師在日常教學中實施和改進混合式教學。通過網絡互動平臺提前發布調查問卷、預習測驗等，開展課前導學，提高學生預習效果。線下教學則主要圍繞實驗中的問題進行縱向探究或橫向拓展，強化對相關知識點的理解。在模擬電子技術基礎實驗教學中，將“儀用放大器認識實驗”改進為“基于壓力應變的放大電路設計”，學生課外學習應變片式稱重傳感器的基本原理，課內完成放大電路的設計與電路調試。將“有源濾波器認識實驗”拓展為“簡易波形分解與合成儀設計”，學習濾波器在線設計工具，完成課前自主設計；通過實驗室現場調試，體會不同濾波器結構、參數對濾波性能的影響。在“光電耦合器認識實驗”完成后，增加“基于非線性光耦隔離電路，實現線性傳輸”的提高環節，鼓勵學生組隊，協作開展實驗探究。通過在基礎訓練實驗中引入故障分析與排查環節，在綜合設計實驗中探討多方案的權衡與決策，在提高拓展實驗中設置開放性問題等，為學生營造“求異和探究”空間，培養學生獨立思考、溝通與協作等科研素養。

（3）評價方法改革。相較于傳統評價方法，過程性評價更著眼于學生發展，強調學習動機、學習過程和學習效果之間的關聯［11-12］。教師不再簡單以實驗結果的準確與否評價實驗成績，而更看重學生對實驗原理的理解、對實驗方法的運用、對實驗進程的控制和對實驗問題的分析。結合學生在“課前預習、現場實操、實驗日志、實驗報告、拓展與探究”等環節的完成情況，綜合考查學生的學習態度、時間投入、努力程度和實際學習效果。課程的最終成績由平時成績和期末考查成績構成。平時成績源于歷次實驗成績和階段性測試成績，階段性測試可安排在課程進程的重要節點，例如EDA練習、大實驗驗收、在線學習環節等；期末測試則通常采用現場綜合技能考查的方式，考查內容涉及元器件選型、儀器操作、EDA 仿真、電路設計與調試、數據分析、故障排查等。對實施線上、線下混合式教學的課程，評價時還要借助于在線學習數據，對學生在預習、在線討論、線上測試等環節的學習情況進行評定。

3.2 產教協同驅動的課程體系改革

產學合作協同育人項目以“教學內容和課程體系改革”為主要類型，側重于創新實驗開發、實驗技術革新和課程資源建設。在項目實施過程中，探索協同驅動機制和資源轉化流程的構建，如圖3 所示。

圖3 協同驅動機制和資源轉化流程

（1）工程案例。根據產教雙方需求，提煉并形成包含產業主流技術和前沿應用的工程案例。

（2）課程轉化。設計基于工程案例的教學方案，融入現有課程體系。

（3）應用拓展。通過資源共享、模塊調用等方式，擴大創新課程的應用范圍。

（4）反饋迭代。評估和改進教學效果，提高課程對教學目標、學生特點和外部需求變化的適應性。

在外部資源和內部條件有限的情況下，該驅動機制有助于實現創新價值從“小范圍精英項目”向“普及化基本課程”的持續轉化，對實驗教學改革具有現實指導意義。

3.3 依托網絡和信息技術的教學環境建設

現代化教學手段的運用，不僅可豐富實驗內容、拓寬學生視野、活躍學生思維，更可通過構建更靈活高效的實驗環境，擴充實驗教學信息量、提升課程內涵［13］。為提高學時利用率、提升信息化應用水平，實驗中心建設了集數據采集、電子報告、開放預約、刷卡派位和電源管理于一體的實驗教學交互系統。開放式實驗時，可實現“任務下達-遠程預約-門禁控制-刷卡派位-電源管理-數據采集-電子報告-成績匯總”的教學閉環管理。系統支持師生隨時隨地訪問數據、提交／批閱實驗報告、查閱／匯總成績。提高學習效率，也提升了教學智能化水平。

實驗中心基于數據采集技術，結合程控電源和數字示波器，開發了晶體管特性測試系統，如圖4 所示。

圖4 實驗中心開發的自動測試系統

投入教學后，與EDA仿真、伏安法測量、圖示儀觀測等配合，構成了虛實結合、手段多樣的實驗環境?；贏DS便攜式實驗套件，開發了晶體管共射放大電路、多級放大電路、波形發生電路等實驗項目，用于開放實驗，滿足學生課外實踐需求?；贓LVIS 虛擬儀器開發的音頻功率放大電路測試平臺，用于輔助實驗指導教師開展對學生實驗作品的集中性驗收，提高驗收效率和準確性。

3.4 支撐持續改進的教學能力建設

重構教學內容、再造教學流程、創新教學手段，需要一支育人理念先進、實踐能力強、工程經驗豐富、踏實敬業的教師與實驗技術隊伍。實驗中心積極創造條件，通過組織申報各級教改和教研課題，組織參加交流研討、教學競賽、教學觀摩，設置實驗教學成果獎勵，并納入實驗中心考核指標體系等舉措，為教師發展提供機會和動力。

教師教學能力的形成，同樣需要“知識的外部吸收、轉化、沉淀、內化到應用”過程，將教師個體發展與實驗中心的改革實踐充分結合，促進實驗教學整體能力的提升和持續改進。通過深入體驗產業實踐、深度參與課程建設，使教師樹立關注產業動態和前沿技術的意識，提高對產業需求變革和技術革新的敏感度，逐步積累工程實踐能力和經驗?！半娮蛹夹g綜合設計”是暑期開設的集中性實踐教學環節，采用項目式教學。為強化對學生知識應用能力、系統設計能力和探究能力的培養，對教學內容和教學方法進行改革，突出探究性和開放性，減少提供參考設計。同時，加快配套教學資源的更新。依托產學合作協同育人項目，組建創新團隊，協同開發電感式位移傳感器及其測量系統［14］、半導體制冷溫度控制器（如圖5（a）所示）、圓度儀（如圖5（b）所示）、太陽能路燈控制器［15］（如圖5（c）所示）、直流無刷電動機運動小車控制系統（如圖5（d）所示）等探究性實驗平臺和模塊。經過多輪教學應用和優化，獲得了良好的教學效果和課程評價，不僅培養了教學團隊在課程建設中的協同開發能力，也為探究性教學模式的應用推廣積累了寶貴經驗。

圖5 探究性實驗平臺

4 結語

通過對實驗教學內涵和體系結構的梳理，建立以“課程、教學共同體和產學協同驅動”為要素的教學創新框架。針對體系中的教學模式、實驗內容、方法手段和隊伍建設等，開展教學改革，在一流課程、學科競賽和教學競賽等方面取得明顯成效。實踐表明，在創新框架指導下實施教學，能有效改善實驗課程質量，提升教師教學水平和學生實踐創新能力。為實現新工科背景下的創新人才培養和產學協同育人，做出了有益的探索。對于高校推進實驗教學中心高質量發展也具有參考和借鑒意義。