基于創新實踐型人才培養的全周期實驗教學模式研究

鄭林鋒 張新征 周曙

［摘 要］ 實驗教學是工科專業課程體系的重要組成部分，在培養學生的實踐創新能力方面具有重要作用。基于創新實踐型人才培養，研究全周期實驗教學模式的構建，以“模擬電子技術實驗”課程為例，構建從電子元器件認知到系統設計應用的全周期實驗教學模式，促使學生從電子元器件認知到系統應用、虛擬實驗到現實實驗、基礎驗證到綜合設計等全過程、多層次地參與實踐與創新，全面提升學生的工程實踐和創新能力，為培養卓越工程科技人才打下牢固基礎。

［關鍵詞］ 創新實踐型人才培養；全周期實驗教學模式；模擬電子技術實驗；卓越工程師教育培養計劃2.0

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）08-0034-04

引言

教育部、工業和信息化部、中國工程院聯合發布的《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》中的改革任務和重點舉措之一是樹立創新型、綜合化、全周期工程教育理念，培養學生對產品和系統的創新設計、建造、運行和服務能力。在此背景下，以培養創新實踐型人才為導向，積極探索和構建全周期、多層次的實踐教學模式勢在必行。

實驗教學是工科專業課程體系的重要組成部分，進一步鞏固和加深了學生對理論課程知識的理解，是對理論課程教學的補充、繼續和深化，在培養學生的實踐創新能力方面有著極其重要的作用。為加強培養學生的創新意識和實踐能力，使學生充分發揮主觀能動性，國內外學者開展了許多實驗教學改革工作。譬如，國內的教研結合、實驗室開放項目和虛實結合等模式［1-5］，讓本科生走進科研實驗室，旨在提高學生的學習興趣，參與實際項目，提升學生的創新意識和實踐能力。美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究機構創立了CDIO教學模式［6-8］，包含構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），該模式是面向產品、過程、系統生命周期的工程教育方法。

基于傳統實驗教學過程存在的諸多問題，借鑒國內外先進的教學方法，結合“卓越工程師教育培養計劃2.0”的建設要求及內涵，本文以“模擬電子技術實驗”課程為例，研究構建從電子元器件認知到系統設計應用的全周期實驗教學模式，促使學生能夠全過程、多層次地參與實驗實踐與創新，以期全面提升學生的工程實踐和創新能力，為培養卓越工程科技人才打下牢固的基礎。

一、傳統“模擬電子技術實驗”課程中存在的問題

（一）學生實踐能力的培養具有局限性

“模擬電子技術實驗”課程一般是利用實驗箱或電路板開展實驗教學。學生在實驗箱上進行實驗操作，按照指導書按部就班地完成實驗。學生被動開展實驗，學習效果不理想，部分學生對于模擬電子電路的認識還局限于電路原理圖。比如，有的學生做完實驗后仍不認識所用的電子元器件，這對學生實踐能力的培養具有明顯的局限性。

（二）實驗內容缺乏與工程實際結合

模擬電子技術實驗內容通常只包含課程主要知識點的電路實驗，但各知識點電路較獨立，綜合性不強，無法與實際工程應用相結合。由于缺少對學生綜合性、工程性實驗的訓練，以及解決復雜綜合問題能力的培養，學生面對實際復雜工程問題時往往難以應對。

（三）實驗過程缺乏創新性和層次性

傳統的實驗教學過程局限于理論課程中主要電路原理的驗證，學生一般按照指導書步驟操作完成實驗，沒有創新的空間，不利于學生創新能力的培養。另外，傳統的實驗教學過程缺乏對學生實踐能力培養的層次性，比如從基礎到設計再到應用等不同層次的訓練。

（四）考核以終結性評價為主

傳統的實驗考核指標以考勤、實驗結果、實驗報告為主，特別是實驗報告所占比例偏高，導致學生把精力主要放在完善實驗報告方面。而教師往往忽略了對學生平時實驗過程的能力培養，達不到實驗課程對學生實踐能力訓練的目標。

二、基于創新實踐型人才培養的全周期實驗教學模型設計與實踐

（一）“模擬電子技術實驗”全周期實驗教學模式設計

針對傳統實驗教學模式的諸多不足，本文以創新實踐型人才培養為導向，研究全周期實驗教學模式的構建與實踐。以“模擬電子技術實驗”課程為例，構建從電子元器件認知到系統設計應用的全周期實驗教學模式（如圖1所示），主要包含電子元器件認知、電路設計與器件選型、電路模擬仿真、實際電路操作、系統設計應用等5個環節，具體各環節內容如下。

環節一“電子元器件認知”是要求學生對常用電子元器件的分類、封裝、識別規則、性能特點、應用場合等進行學習調研，特別是對模擬電路里常用的電子元器件，如晶體管、二極管、電阻、電容、集成運算放大器等進行詳細調研，其主要目的是鞏固學生的學習基礎，提高學生對電子元器件的認識。“模擬電子技術實驗”課程一般是在學生大一或大二期間開設的，學生沒有太多電子元器件的實踐基礎，因此有必要完成電子元器件的認知調研，對電子元器件有比較全面的了解，為后續電路設計、仿真與實操等打下牢固的基礎。

環節二“電路設計與器件選型”是學生根據所學模擬電路實現的功能要求，運用理論知識進行電路原理設計，并進行電路參數的計算與電子元器件的選型。該環節的電路設計主要圍繞理論課程核心知識點相關的電路開展，其主要目的是提高學生對理論知識的運用能力和創新設計能力。

環節三“電路仿真模擬”要求學生采用模擬電路仿真軟件平臺如Multisim、PSpice等對環節二設計的電路進行模擬仿真和驗證分析，實現虛擬實驗和交互式設計，其主要目的是提高學生對現代化軟件工具的運用能力和對模擬電路的理解分析能力。

環節四“實際電路操作”是對前面兩個環節設計和仿真的電路在面包板上采用電子元器件和跳線進行實際搭建、調試、測試等操作，并力求學生在調試過程中遇到問題要學會思考分析問題，找到問題的緣由，從而解決問題，不僅提高了學生的實踐動手能力，而且提高了學生解決問題的能力，同時實現了對學生從虛擬仿真到實際實操能力的綜合培養。

環節五“系統設計應用”與工程實際應用緊密聯系，要求學生綜合運用所學模電知識，結合其他課程知識，對復雜工程問題進行分析和設計解決方案。該環節旨在提高學生的綜合能力和解決復雜工程問題的能力，也是實現學生從基礎知識驗證到綜合系統設計全過程的創新實踐能力培養。

全周期實驗教學模式的設計有利于學生充分發揮其主觀能動性，從全過程、多層次參與實踐與創新，提高學生的創新實踐能力和解決復雜工程問題的能力，克服傳統實驗教學模式的不足。

（二）“模擬電子技術實驗”全周期實驗教學模式實踐

“模擬電子技術實驗”全周期實驗教學以學生自主學習、設計和實操為主，教師實驗現場教學答疑為輔。在第一次實驗課之前，要求學生提前完成電子元器件的認知調研，對電子元器件，特別是實驗課程中用到的模擬電子元器件，有比較全面的認識，為后續的電路設計、搭建和調試等奠定基礎。同時在每次實操實驗課之前，要求學生結合實驗要求，圍繞理論課程的重點電路和主要知識點，如三種基本放大電路（共射、共集、共基）、多級放大電路、負反饋放大電路、差分放大電路、信號運算電路、有源濾波電路、波形發生電路等，完成電路設計與器件選型及模擬仿真等工作，掌握實驗電路的工作原理。在實操實驗現場，要求學生明確實驗過程中應注意的問題和安全操作規程，通過查看學生設計的電路圖及其實際搭建、調試等情況，及時掌握學生實驗操作的熟悉程度。同時，激勵學生通過小組討論、協商、互助的方式，自我檢查與排除實驗過程中出現的故障與問題。在實驗完成后，教師檢查實驗數據時，鼓勵小組成員討論解釋實驗數據反映出的理論現象，或與理論有較大出入時，找出引起較大誤差的原因，解釋實驗現象，最后要求學生獨立撰寫完成實驗報告。在完成課程主要知識點電路實驗后，要求學生以小組或小組聯合的方式共同解決與實際工程應用緊密聯系、相對復雜綜合的系統設計應用題目，給出電路設計方案，并進行仿真模擬和實操。

（三）學生考核

在學生考核方面，全周期實驗教學模式側重平時實驗過程的評價，提高平時實驗過程的成績占比。比如，平時實驗過程考查占80%、實驗報告成績占20%，力求實現從“以終結性評價為主”到“以形成性評價為主”轉變的目標。這與傳統的實驗課程評價方式——“以終結性評價為主”有明顯的區別，要求教師更關注學生在平時實驗過程中的表現，及時掌握學生的學習情況，更有利于學生創新實踐能力的養成。全周期實驗教學模式各環節成績所占比例應適當分配，其中，平時實驗過程包含全周期實驗教學模式的5個環節，電子元器件認知調研占10%、電路設計與器件選型及模擬仿真占30%、實際電路操作占30%、系統設計應用占10%。另外，為培養學生的團隊合作精神，鼓勵學生面對復雜工程問題時進行團隊協同合作，可適當考慮團隊協同合作的成績占比，其包含在實際電路操作和系統設計應用成績中。最終的實驗報告成績占20%，主要考查學生對實驗方法的掌握程度，能否正確地記錄數據、合理地分析解釋數據和誤差原因以及給出恰當的結論，并規范地撰寫完成實驗報告。

（四）教學實踐效果反饋

為驗證“模擬電子技術實驗”全周期實驗教學模式的教學效果，針對電氣工程及其自動化、自動化兩個工科專業的部分學生開展教學實踐。在教學實踐過程中，收集參與學生的反饋意見，得到以下積極信息：（1）對實際應用的電子元器件有更深入的了解；（2）能有效提高學生的動手操作能力，相比直接在實驗箱接線，這種方式能有效加深學生對電路的理解；（3）可以發揮學生的想象力和創造力，使得實驗更具趣味性和實用性。從初步的教學實踐效果上看，全周期實驗教學模式達到了預期的教學改革目標，即提升學生的工程實踐和創新能力。但是，該教學模式在教學實踐過程中也發現一些弊端，比如：（1）實驗課時有限，學生須要提前去完成電子元器件調研和電路設計與仿真，若這些環節沒做好，對后續環節影響較大；（2）學生自主設計電路與器件選型，所采用的電子元器件參數不同、型號繁多，不利于電子元器件的統一采購。這些問題將在后續教學中持續改進，形成更加科學合理的全周期實驗教學模式。

結語

本文基于傳統的實驗教學存在的諸多問題，以“卓越工程師教育培養計劃2.0”的教學理念為指導，研究全周期實驗教學模式的構建。以“模擬電子技術實驗”課程為例，設計了包含電子元器件認知、電路設計與器件選型、電路模擬仿真、實際電路操作、系統設計應用等5個環節的全周期實驗教學模式及對學生的考核方式。從初步的教學實踐效果上看，該實驗教學模式有助于激發學生的學習興趣和主動性，全面提升學生的工程實踐和創新能力。

參考文獻

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Research on the Cultivation of Innovative and Practical Talents Oriented Full Cycle Experimental Teaching model： Taking Analog Electronics Laboratory as an Example

ZHENG Lin-feng1，2， ZHANG Xin-zheng2， ZHOU Shu2

（1. Sino-German College of Intelligent Manufacturing， Shenzhen Technology University， Shenzhen， Guangdong 518118， China; 2. International Energy College， Jinan University， Zhuhai， Guangdong 519070， China）

Abstract： Experimental teaching is an important part of engineering curriculum system and plays a vital role in cultivating students practical and innovative ability. Oriented by the cultivation of innovative and practical talents， this paper focuses on the research of the construction of full cycle experimental teaching model. Taking Analog Electronics Laboratory as an example， a full cycle experimental teaching model from electronic component cognition to system design and application is designed， which allows student to practice and innovate with the whole process and multi-level from electronic components cognition to system application， from virtual experiment to real experiment， and from basic verification to comprehensive design. The aim of this work is to comprehensively improve students engineering practice and innovation ability， laying a solid foundation for cultivating outstanding engineering talents.

Key words： cultivation of innovative and practical talents; full cycle experimental teaching model; Analog Electronics Laboratory; excellent engineer education and training program 2.0