以實驗案例設計為抓手提升教師工程實踐能力

袁洪芳，曹 晰，韓 萍，張 帆*

（1.北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029；2.中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300；3.教育部信號類課程群虛擬教研室，天津 300300）

高等教育的主要目的是為國、為黨培養人才，同時承擔科學研究與服務社會的主要職責。教師是高等學校的主體，是大學能夠發揮其重要功能職責的載體，高等學校教師的教學能力和科研水平在很大程度上影響和決定人才培養質量，是影響高等學校發展的重要指標之一。近年來，高等學校越來越重視師資隊伍的建設，包括人才引進和在職教師的培養。與此同時，隨著我國經濟社會的轉型，對人才的需求也發生了變化，促使我國高等教育也逐漸轉型，當前工程教育是工科高等教育的核心，其中培養學生的創新工程實踐能力也成為工程教育的關鍵任務。自從2010 年國家啟動“卓越工程師教育培養計劃”開始，到2016 年，我國正式加入國際互認的工程教育專業認證體系《華盛頓協議》，標志著我國工程教育正式與國際接軌，培養高質量的工程科技人才正式確立為我國工科高等教育的核心任務。2017 年2 月、4 月、6 月，教育部先后召開三次新工科建設工作會議，確立了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等一系列新工科建設綱領，推動工科高等教育改革[1]。

新工科建設要求各高等學校在工科人才培養過程中，除了夯實工科專業的基礎理論和專業基礎知識外，越來越重視學生創新工程實踐能力的培養，在培養計劃的制定時，要求實驗和實踐環節所占比重必須滿足一定的比例，在實驗和實踐內容的安排上更強調培養學生的工程實踐能力，使學生畢業即可達到行業認可水平。這對高等院校實踐教學教師提出了非常高的要求。與國內一流大學或同類大學相比，北京化工大學（以下簡稱“我校”）實踐教學教師隊伍在自身創新能力與培養學生創新能力的方面還存在一定的差距。我們查閱了相關高校電工電子中心網站及2020 年國家級實驗教學示范中心建設報告[2-4]，總體來看，在電子類相關學科競賽上我校學生還處于比較好的水平，主要原因是近幾年學校非常重視，教師投入也比較大，學生的參與度比較高。但是，在師資隊伍數量、參與科研項目等方面還存在比較大的差距。

一 實驗教學示范中心實驗教師隊伍建設面臨的主要問題

構建一支高水平、高素質具有創新能力的實驗教師隊伍，是高等學校培養創新人才的基礎和重要保障。實踐教學作為高等工程教育承擔培養學生創新實踐能力的重要環節，實踐環節的實施和質量主要依靠實驗教師，因此，要想提升實踐教學質量，最關鍵的還是實驗教師的能力和水平。培養和提升實驗教師的工程實踐能力，既是理工科高校提高人才培養質量的重要途徑，也是實驗教師個人職業發展及提高自身職業素養和能力的立足點。因為實驗教師是實驗教學實施的主體，只有不斷提高其創新工程實踐能力，才能保障教師在實驗教學中不斷開發新的實驗項目、引入前沿新技術、應用先進教學方法和多媒體等信息手段，不斷提高實驗教學質量和管理水平，進而提升人才培養質量[5]。另一方面，實驗教學是理論聯系實際、培養學生實驗能力、創新工程實踐能力的重要途徑。實驗教師是實驗教學設計和實施的主體，實驗內容設計即要能夠鞏固和應用理論知識，又要培養學生實際操作能力，還能引導學生綜合應用理論知識解決實際問題，并最終培養學生創新設計能力。電學能力又是所有工科專業本科生必備的基礎能力，因此學院特別重視電工電子中心實驗教學隊伍的建設，作為學校基礎性實驗教學隊伍之一，是支撐我校工科專業教學改革，特別是電類相關4 個國家級一流專業建設不可或缺的重要力量。因此，構建電學創新實踐能力培養體系，培養一支參與科學研究、教學能力強、具備創新實踐項目開發能力的實驗教學團隊勢在必行。

目前實驗教學示范中心（以下簡稱“中心”）實驗教師隊伍建設面臨的問題主要以下幾個方面。

1）實驗教師教學工作量大，投入工程實踐和科研的精力比較少，參加校外培訓和企業交流的機會也有限，造成教學內容設計、實驗項目開發中表現出來工程實踐和創新能力不足。實驗教師通常主要負責實驗室管理和實驗教學，高校現在更加重視學科建設和科研工作，因此在實驗教師隊伍人才引進和教師培養上投入不足，而現有教師隊伍建設不足又直接導致在職教師工作量大，總結和提升的精力不足。實驗教師參加各種師資培訓、學術交流活動、科研項目合作的機會比較少，直接導致教師在實驗項目開發和內容的設計上也多為理論教材對應的驗證性實驗，顯少有向高水平研究的創新綜合實踐類項目，總體來看實驗教師的創新經驗稍顯不足，不能更好地支撐與培養學生創新實踐能力。

2）實驗教師在教育教學方法上創新不足，主要表現是授課形式、方法單一，授課形式和方法與理論課授課區別不大，依托實驗教材，沒有充分利用各類多媒體平臺，授課方式以平鋪直敘的“保姆式教學”為主，直接導致學生實驗積極性不足，未能較好地體現出引導、發散、設計然后驗證回歸工程的實踐教學特點。

3）實驗室共享程度低，實驗內容較為封閉。從管理上電子類基礎實驗室屬于電工電子教學實驗中心，專業實驗室屬于學院實踐平臺，由于管理形式造成電子類基礎實驗室欠缺與后續專業實驗室教師之間的交流，一方面導致實驗內容的銜接、各實驗室信息資源共享困難，局限性較大；另一方面缺少相關專業工程背景的交互，實驗內容和實驗目標未能充分體現工程化思想，或對相關思想解釋引導不足。

如何建設一支理論基礎扎實、有工程實踐經驗和實驗項目開發能力、具有創新性思維的實驗教師隊伍是實驗室建設的重要工作之一，本文主要以實驗案例設計為抓手，探討提升實驗教師工程實踐能力的方法和主要舉措。

二 以實驗案例設計為抓手提升教師工程實踐能力的舉措

實驗教師是實驗教學的一線力量，要想培養學生的創新實踐能力，要求實驗教師具備創新項目的設計和工程實踐能力，本文從以下四方面開展工作持續改進提高實驗教師的工程實踐能力和教學水平。

（一）建立實驗教師階梯式培養機制促進青年實驗教師成長

由學院和中心共同努力建設階梯式教師能力培養機制，開設青年教師訓練營加深電工電子教學中心實驗教師與各個專業教師的交流合作，按照課程組建教學團隊，老教師、工程經驗豐富的教師與年輕教師、工程經驗不足的教師共同負責實驗項目的開發和教學，共同完成教學研究和教學改革工作，各項工作遵循“以學生為中心、以能力培養為導向”的工程教育理念。信息科學與技術學院每學期開展實驗教學競賽、教學示范和交流，利用全校每周五下午沒課的時間討論，定期組織教學項目的立項，并邀請校內外專家對實驗教師的教學改革工作進行指導。終身學習、自主學習的理念不應僅用于學生，也應該融入教師培養的過程中。通過這種階梯式的培養機制將實驗教師培養工作與教學改革工作有機結合，真正發揮“學、幫、帶”的作用，增強實驗教師自主學習的積極性，有效提升實驗教師綜合能力。僅2022—2023 學年中心就組織電工電子實驗教學中心的教師與信息工程、測控技術及自動化專業的教師交流活動3 次，專業教師從后續科研和發展的角度，對電子類實驗教學提出了要求，對實驗教師設計的實驗內容進行指導并提出建議，組織教學名師為青年教師傳授教學經驗，討論如何設置實驗內容和改革實驗教學模式，讓學生更有興趣做實驗，同時設置問題和小“故障”，讓學生在實驗過程中接受挑戰，提升完成實驗的獲得感。

（二）開發工程背景實驗，創建立體化實驗教材，培養教師綜合能力

引導青年教師參與開發具有工程背景的配套實驗項目，一方面可以鍛煉實驗教師的工程實踐能力和科研水平，另一方面又能將科研轉化成實驗案例項目運用在實驗教學中，提升教師能力和水平的同時，也培養了學生的工程實踐能力，教師與學生共同受益。

在教育信息化建設推動下，實踐教學方法與實踐教學內容也在不斷地變革與擴充，實驗教材早已不再局限于紙質書籍，在線教學資源非常豐富，包括MOOC、實驗視頻及其他線上教學資源，與傳統實驗指導書一起形成了立體化的實驗教材資源。立體化實驗教材和數字化的教學資源，為學生隨時隨地采用多種方式、多形態的自主學習創造了條件，激發了學生學習的興趣，還能幫助學生快速學習并掌握實踐技能，學生的工程應用能力也得到顯著提升[6-7]。實驗教師可以總結教學經驗，開發有特色的立體化的實驗教材及其他數字化的實驗課程資源，既能夠滿足當前多樣化、個性化、實用化的實踐教學需求，又能夠鍛煉實驗教師的業務能力，促進教師職業發展。2021—2023 年中心實驗教師每年持續開發新實驗，保證實驗內容每年的更新率達到20%，出版了3 本實驗教材。中心自2021 年至今從實驗內容的數字化、實驗管理過程的數字化兩方面開展實驗課程數字化資源建設。

電工電子實驗教學示范中心以實驗案例設計為抓手開發新實驗項目，安排教師參加實驗案例研討會，學習實驗案例設計的成功經驗和先進教學理念、內容、技術和方法。鼓勵實驗教師積極開發新實驗，包括綜合性和設計性實驗，教師可以根據科研項目或者和企業一起選擇具有工程背景的實驗項目，既可以拓寬學生科研視野，同時設置開放性的實驗項目為學有余力的學生提供更多提升的機會，為培養創新人才奠定基礎。經過實際教學應用的實驗項目總結形成實驗案例參加全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計比賽[8-10]。2021—2023 年中心教師開發新實驗17 項，其中有9 項參加全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽，其中3 項獲全國一等獎，1 項全國三等獎，1 項華北賽區一等獎，2 項華北賽區二等獎，1 項華北賽區三等獎。這些獎項證明了實驗教師具備了良好的工程實踐能力，開發的實驗項目能夠培養學生的工程創新能力。

（三）加強教師培訓與對外交流合作，拓展實驗教師視野空間

電工電子基礎課程實驗教師隊伍結構的調整和完善是一個持久的過程。特別是中心新引進的青年教師，大多是高校應屆畢業生，沒有到企業工作過，工程經驗明顯不足，同時也存在個人發展規劃不明確的問題，中心安排經驗豐富的老教師一對一地指導和幫助青年教師，創造機會讓青年教師參與到科研團隊，提高自身科研水平。同時通過參加教學比賽、教師訓練營等活動提高教學能力。目前，北京化工大學和北京交通大學、北京理工大學、北京航空航天大學、北京郵電大學等京內電類教學實力雄厚的國家級實驗室建立聯系，派青年教師參觀學習。同時請京內外教學名師、企業專家入校指導或者專家講座等方式，幫助青年教師提升科研和教學能力[8-10]。此外，還鼓勵教師通過網絡查找學習引進國內外先進的教學資源提高課程教學質量；鼓勵教師積極對外交流、溝通，向兄弟院校學習先進經驗，開闊建設思路，取長補短，通過與國內相關高校同行學習交流解決課程建設、教學方法改革、工程實踐能力提高等問題。

（四）加深與行業企業的聯系，參與或參觀產品生產流程，聘請企業導師參與課程建設

積極推動與企業的交流合作，企業在高校人才培養過程中起到了越來越重要的作用，加強實驗教師與企業的交流和合作，邀請企業參與到人才培養過程有助于培養學生工程實踐能力。目前，開展校企合作主要通過聯合申請并完成教育部產學研合作項目、支持實驗教師參加企業培訓、新建校企聯合實驗室等舉措，提升實驗教師的工程實踐能力。北京化工大學電工電子實驗教學示范中心和教學設備研發企業包括深圳市易星標技術有限公司、北京夢之墨科技有限公司合作建立的聯合實驗室，企業到學校對實驗教師進行培訓，為教師開發新實驗提供支持和幫助。特別是在北京化工大學-深圳市易星標技術有限公司智能在線共建實驗室，依托遠程實境實驗平臺，自主開發實驗，在新冠病毒感染疫情期間發揮了重要的作用，彌補了仿真實驗的不足，加深了學生對實際電路的認識和了解、培養了學生調試電路的能力。

另一方面，高校主要依托校企協同建設實驗室平臺，教科融合；隨著信息技術的快速發展，實驗實踐教學體系和實驗教學內容只有不斷地更新才能更好地服務于學生創新實踐能力的培養，實驗室硬件建設特別是實驗設備和儀器的選擇要更合適的教學內容和實驗項目，才能更好支撐實驗教學開展服務人才培養。所以，實驗室的儀器和設備不能完全依賴于成套購買，自制實驗設備既能夠根據各專業人才培養的需求，開發更多綜合性設計性實驗，提供更多的開放性實驗內容，也是對商用儀器設備的良好補充。根據學校各專業人才培養和實踐教學的具體需求，結合實驗教師自身的工程經驗和科研資源，研制自制設備或者實驗板卡，既能夠提高教師的工程實踐能力，同時隨著自制實驗設備和板卡的開發、使用并不斷升級，也能夠有效地鍛煉青年實驗教師隊伍，提高實驗教師業務能力和工程能力，調動教師工作積極性。自制實驗設備和板卡在拓寬實驗實踐教學內容、促進教材建設、加強實踐教學改革等方面也發揮著積極作用。

中心在全面推行上述四個舉措提升實驗教師工程實踐能力的水平基礎上，積極推薦實驗教學方法改革。在實驗教學上，改變往常布置實驗任務，學生按步驟完成的習慣，教師先拋出問題，引導學生思考，并通過自行查閱文獻，了解實驗項目相關背景知識及可能遇到的實際工程問題；在實驗教學過程中，教師不限制實驗方法和實驗步驟，目標導向，要求學生通過分組討論設計實驗方案，教師審核確定可行后安排學生實驗；最后，學生進行實驗總結。

結合北京化工大學的辦學方針和特色，不斷對實驗教師綜合培養體系進行改造和完善。中心通過提高實驗教師實驗水平，進一步提高了學生人才培養質量，高質量完成10 門實驗課程的教學工作外，培養的學生在2021—2023 年開展大學生創新訓練項目31 項，在電子類相關競賽包括全國大學生電子競賽、全國大學生嵌入式系統競賽、藍橋杯電子類競賽等賽事中累計獲國家級一等獎3 項，其他國家級獎項4 項，省部級獎129 項，參與競賽的學生讀研深造率達到95%以上。

三 結束語

本文以實驗案例設計為抓手，促進教師工程能力提高；推動自制實驗儀器研發，鍛煉教師綜合能力；規劃立體化實驗教材編寫，凝練教師工程教學經驗。為教師提供培訓和交流的機會、增加企業實訓和合作豐富教師工程背景、舉辦交流研討會提升教師教學水平，構建一支兼具工程實踐能力和創新能力的電工電子實驗教師隊伍，2021—2023 年的不斷深入改革，通過多舉措提升實驗教師水平，服務于工科專業電學基礎設計能力和創新實踐能力培養，提升本科生人才培養質量，更好地支撐了學院一流本科專業建設。