北方工業(yè)大學(xué)：以學(xué)科競賽促工科實踐能力培養(yǎng)

大學(xué)工科實踐教學(xué)承擔(dān)著培養(yǎng)大學(xué)生實踐動手能力、工程創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力的職責(zé)，是大學(xué)工科專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才不可或缺的培養(yǎng)環(huán)節(jié)。大學(xué)工科專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的主要目的，是為社會輸送具有實際工作能力的創(chuàng)新型專業(yè)人才，為相關(guān)工業(yè)行業(yè)的發(fā)展注入活力。工科實踐教學(xué)應(yīng)該有一套適合自身特點的培養(yǎng)方式，以達到較好的培養(yǎng)效率。因此，實踐教學(xué)的教學(xué)方法研究一直是大學(xué)工科實驗教師關(guān)心的教改方向。

隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來，我們的生活和學(xué)習(xí)方式發(fā)生了翻天覆地的變化，高校的教學(xué)方式也發(fā)生了許多變化，工科實踐教學(xué)要適應(yīng)時代的變化，必須進行深入的教學(xué)方法改革。北方工業(yè)大學(xué)綠色能源與電源實驗室長期從事實踐教學(xué)工作，指導(dǎo)學(xué)生參加以大學(xué)生電子競賽為代表的各種學(xué)科競賽，取得了優(yōu)良的成績。在工作過程中，總結(jié)出一套適應(yīng)于電子信息專業(yè)的實踐教學(xué)方法，以學(xué)科競賽為抓手，在競賽中培養(yǎng)學(xué)生的理論付諸實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊合作能力。同時還發(fā)現(xiàn)，參與學(xué)科競賽活動不僅有利于學(xué)生的培養(yǎng)，還有利于實驗教師隊伍的培養(yǎng)，有利于實驗室的建設(shè)，極大地促進了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

大學(xué)工科實踐教學(xué)的現(xiàn)狀和問題

實踐教學(xué)設(shè)立之初，很大程度上是課堂教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)。長期以來，實踐教學(xué)自主性較差，驗證性實驗占據(jù)了實踐教學(xué)的主旋律。課堂教學(xué)依賴于課本，而課本內(nèi)容都是經(jīng)過多年考驗已經(jīng)被作為定論的知識，必然滯后于工業(yè)界現(xiàn)狀至少5-10年，乃至更多，所以很多的課堂教學(xué)與工業(yè)界脫節(jié)。課堂教學(xué)側(cè)重經(jīng)典理論、創(chuàng)新不足的特點也直接體現(xiàn)于實踐教學(xué)。以課堂教學(xué)為指導(dǎo)的實踐教學(xué)也必然滯后于工業(yè)現(xiàn)狀，造成培養(yǎng)出的學(xué)生進入用人單位不能立刻進入角色，需要二次培養(yǎng)的現(xiàn)象。

重課堂教學(xué)，輕實踐教學(xué)的現(xiàn)狀，也必然造成實踐教學(xué)在教學(xué)中占有的比例較少。同時，實踐教學(xué)受制于實驗設(shè)備，完成一個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生常常需要分批次進行實驗，實驗教師要付出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的時間和精力，也制約了實踐教學(xué)在教學(xué)環(huán)節(jié)中所占比例的增加。然而，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，沒有充足的實踐環(huán)節(jié)，掌握所學(xué)知識終歸不夠牢靠。因此，探索更高效的實踐教學(xué)方法勢在必行，我國高校工科的實踐教學(xué)處在一個亟需改革的階段。

大學(xué)教改的目的是最大限度地調(diào)動師生的積極性，營造更加利于出人才和出成果的良好環(huán)境。目前的實踐教學(xué)因上述原因，使得學(xué)生對之沒有足夠的興趣，實驗老師的積極性也陷于重復(fù)勞動的陷阱不能得到充分的發(fā)揮。因此，尋找能夠充分調(diào)動師生積極性的實踐教學(xué)方式，成為當前工科實踐教學(xué)改革的重要一環(huán)。

學(xué)科競賽有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

學(xué)科競賽在結(jié)合專業(yè)知識教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過競賽的手段，能夠激發(fā)學(xué)生的自主能動性，培養(yǎng)學(xué)生理論付諸實踐的能力、科研探索的精神和創(chuàng)新能力，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神。從根源上看，學(xué)科競賽與實踐教學(xué)具有一致的目的，是實踐教學(xué)的有力補充；從形式上看，學(xué)科競賽更加注重系統(tǒng)地分析和解決具體問題，更接近于實際；從效果上看，學(xué)科競賽更能調(diào)動學(xué)生的自主能動性，有利于學(xué)生的培養(yǎng)。最終，學(xué)科競賽通過一個系統(tǒng)的過程，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生，使學(xué)生能夠站在人文與自然科學(xué)的交叉點創(chuàng)新，增強了學(xué)生的社會競爭力。

學(xué)科競賽的題目與工業(yè)界聯(lián)系緊密，一般都來自于目前關(guān)心的具有廣泛應(yīng)用背景的課題，內(nèi)容比較復(fù)雜，有較高的甚至是苛刻的指標要求。學(xué)生在參與競賽過程中，需要綜合所學(xué)的專業(yè)知識，查找相關(guān)的較新的技術(shù)文獻，深入分析設(shè)計，才能得到較好的設(shè)計方案；之后還要把設(shè)計方案通過實踐手段制作出來。在此過程中，不僅培養(yǎng)了學(xué)生理論付諸實踐的能力，同時培養(yǎng)了學(xué)生敢于面對困難、勇于解決困難的精神；不僅要學(xué)生能運用已學(xué)的知識，還要學(xué)生能主動查閱資料，學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用新知識，培養(yǎng)了科研探索的精神和創(chuàng)新的能力。

學(xué)科競賽的組織形式是競賽，有完整的獎勵機制，學(xué)生在努力做出好的作品時，也能得到更具象化的肯定——獲得競賽獎勵，使學(xué)生在日后的評優(yōu)、評定獎學(xué)金、升學(xué)、找工作中獲益，物質(zhì)上的獎勵之外，學(xué)生更能夠獲得精神上滿足，因此更能激發(fā)學(xué)生的自主能動性。此外，學(xué)科競賽一般都是學(xué)生組隊參加，在比賽過程中，參賽學(xué)生需要互相配合，協(xié)調(diào)分工，盡可能發(fā)揮自己的強項，出現(xiàn)意見分歧時，需要求同存異，形成統(tǒng)一的意見。在這個過程之中，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神和溝通能力。

總之，學(xué)科競賽將師生從相對死板的教學(xué)形式中解放出來，遠文試而就實戰(zhàn)，以實戰(zhàn)檢驗學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。這種實踐教學(xué)方式適應(yīng)了當前的社會現(xiàn)狀，能夠為社會培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。北方工業(yè)大學(xué)綠色能源與電源實驗室長期指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生電子競賽、“挑戰(zhàn)杯”競賽等多種學(xué)科競賽活動。以全國大學(xué)生電子競賽為例，自2001年以來，共指導(dǎo)學(xué)生參加7屆，獲得全國一等獎3次，全國二等獎5次，24名獲獎同學(xué)均已畢業(yè)，有19人考取研究生或出國深造，其他5名同學(xué)就業(yè)狀況良好，在相關(guān)行業(yè)的知名企業(yè)中成為技術(shù)骨干或項目負責(zé)人。

學(xué)科競賽有利于實驗教師隊伍的培養(yǎng)

學(xué)科競賽過程中要求指導(dǎo)老師基于模型進行理性思維，基于仿真數(shù)值進行特例驗證，是一種典型案例教學(xué)方式。目前，歐洲形成了以實驗為基礎(chǔ)的模型方法；美國人形成了以計算機為基礎(chǔ)的仿真方法；中國人文學(xué)科是典型案例方法，而我國理工科教學(xué)尚未形成自己的思維模式和方法。在學(xué)科競賽中探索典型的理工科思維方法，也是理工科教學(xué)改革的研究方向。在學(xué)科競賽的過程中，不僅學(xué)生得到培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生參賽的實驗教師也能得到提高和培養(yǎng)，并逐漸形成穩(wěn)定的指導(dǎo)團隊，為學(xué)科和科研團隊建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

學(xué)科競賽的題目一般工業(yè)背景較強，難度較高。為了適應(yīng)這個特點，實驗教師需要不斷地跟蹤新知識、新技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，才能游刃有余的指導(dǎo)學(xué)生參加比賽。競賽期間，面對題目苛刻的指標，往往需要使用一些之前不熟悉的技術(shù)。此時，需要迅速學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，根據(jù)自己的需要進行知識的再構(gòu)造，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出滿足題目要求的方案，可以說是一個典型的研發(fā)過程。在此過程中，實驗教師的知識水平得到了提高，與工業(yè)界的聯(lián)系逐漸緊密起來，科研能力也得到了提高。以正在進行的“2015國際未來能源挑戰(zhàn)賽”為例，題目要求制作一種500W的無線電動車充電器，引入了無線輸電技術(shù)這個目前極為熱門的研究方向，整機效率要求達到92%，體積、重量、成本以及電磁兼容性能也都有嚴格的要求。目前我們已經(jīng)引入了無線輸電這個研究方向，投入大量的人力物力，并組織了數(shù)名研究生和本科生參與項目，經(jīng)過幾個月的努力，初步掌握了無線輸電技術(shù)的設(shè)計方法，制作出一臺實現(xiàn)基本無線充電功能的實驗樣機。

競賽進行的過程中，時間緊，任務(wù)重，難度高，學(xué)生心理也相對脆弱，任務(wù)難以全部完成，實驗指導(dǎo)老師面臨著眾多的抉擇，既要保證參賽隊伍的正常運轉(zhuǎn)，又要盡可能取得較好的成績，如何取舍，對教師的整體把握能力也是一個考驗。經(jīng)過指導(dǎo)競賽，對實驗教師的組織協(xié)調(diào)能力有很好的培養(yǎng)效果。

為取得較好的競賽成績，賽前培訓(xùn)必不可少。在競賽前的培訓(xùn)工作中，實驗室老師總結(jié)以往競賽的經(jīng)驗，將典型的電路功能結(jié)構(gòu)列出清單，逐個為參賽的同學(xué)講解，類似于進行專題講座。在此過程中，教師的歸納、講解能力都得到了鍛煉，增強了教師的培訓(xùn)能力。每年暑假期間，我們都會組織學(xué)生進行電子競賽基礎(chǔ)能力的培訓(xùn)，在總結(jié)競賽經(jīng)驗過程中，找到了較為系統(tǒng)的培訓(xùn)方法，從而得到了良好的培訓(xùn)效果。每年經(jīng)過培訓(xùn)的學(xué)生都在各種開放式或非開放式的電子競賽中獲獎。

目前學(xué)科競賽題目復(fù)雜程度越來越高，單個指導(dǎo)教師難以全方位有力指導(dǎo)，指導(dǎo)教師組隊，分工合作越來越必不可少。合作指導(dǎo)過程中，指導(dǎo)教師以老帶新，形成了穩(wěn)定的指導(dǎo)團隊，有效地促進了教師隊伍發(fā)展，并逐步發(fā)展為教學(xué)、科研團隊。

學(xué)科競賽促進實驗室建設(shè)

學(xué)科競賽活動必須在實驗室進行，這對實驗室提出了更多的要求，從而促進了實驗室建設(shè)的現(xiàn)代化。北方工業(yè)大學(xué)綠色能源與電源實驗室是以科學(xué)研究為主的實驗室，開展學(xué)科競賽，也為實驗室增添了新的功能。

實驗內(nèi)容現(xiàn)代化

學(xué)科競賽有助于更新實踐教學(xué)的內(nèi)容，將已經(jīng)或接近成熟的、被工業(yè)界采用的技術(shù)和研究成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生的實驗內(nèi)容，以此作為實踐內(nèi)容更新的源泉。我們強調(diào)學(xué)生的實踐教學(xué)要與科研和生產(chǎn)相結(jié)合，進行以系統(tǒng)為主的實驗，提高學(xué)生解決工程實際問題的能力。為此，我們建設(shè)了多個功率電子系統(tǒng)實驗平臺（如交錯PFC電路實驗平臺），開設(shè)了數(shù)個高級演示實驗（如風(fēng)光互補發(fā)電實驗，傳遞干擾測試實驗），深受學(xué)生的歡迎。

實驗設(shè)備現(xiàn)代化

學(xué)科競賽題目指標要求很高，需要一些品質(zhì)精良的新設(shè)備才能滿足競賽的需要。學(xué)校對競賽活動給予了大力支持，增添了高檔數(shù)字示波器、頻譜儀，電子負載，大功率直流電源等十多種新設(shè)備。可以說學(xué)科競賽促進了實現(xiàn)室設(shè)備的更新，有助于實驗設(shè)備的現(xiàn)代化。這些更新的設(shè)備，在滿足競賽需求之余，還能夠滿足綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性等現(xiàn)代化實驗教學(xué)、研究生培養(yǎng)、科學(xué)研究和適量的社會服務(wù)等多功能需要，推進了相應(yīng)的教學(xué)科研工作。

實驗手段現(xiàn)代化

單以實際實驗為手段的設(shè)計過程一旦發(fā)生指標與設(shè)計不符，往往需要往復(fù)的推倒重來，耗費大量的時間進行裝置的制作，同時浪費大量的人力物力，無法滿足學(xué)科競賽的要求。為了減少重復(fù)制作，學(xué)科競賽中需要引進仿真技術(shù)，使學(xué)生在設(shè)計或?qū)嶒炃俺浞掷矛F(xiàn)有的仿真軟件得到相應(yīng)的仿真結(jié)果，做到心中有數(shù)，再進行相關(guān)實驗。仿真技術(shù)是依托于計算機技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)，近年來取得了非常大的突破，可以實現(xiàn)十分逼真的模擬仿真，仿真結(jié)果與實際結(jié)果具有極高的吻合度。引入仿真技術(shù)，并將之推廣到日常實驗中去，使學(xué)生掌握仿真的能力，可以增強學(xué)生對專業(yè)知識的認知，提高學(xué)生專業(yè)能力。實驗室為此專門配備了電腦和實驗器材，購買了ORCAD10、PSIM等多款仿真軟件，鼓勵學(xué)生在實驗室中先仿真再實驗，取得了較好的教學(xué)效果。對實驗室來說，引入仿真技術(shù)，是引入了新的實驗手段，促進了實驗手段的現(xiàn)代化。

實驗管理現(xiàn)代化

學(xué)科競賽要求實驗室提供靈活的實踐時間，同時實驗場地和實踐內(nèi)容的需求也有很大的不確定性，是典型的開放性實踐教學(xué)。為了保證實驗室常規(guī)實踐教學(xué)和科學(xué)研究的正常運行，必須建立以網(wǎng)絡(luò)信息平臺為基礎(chǔ)的智能化的計算機管理系統(tǒng)，促進實驗管理的現(xiàn)代化。

經(jīng)過良好建設(shè)的實驗室逐步改變了單一作為實踐教學(xué)場地的功能，還可以承擔(dān)科學(xué)研究、設(shè)備研發(fā)、研究生培養(yǎng)、學(xué)生或外來人員的培訓(xùn)等工作，使實驗室能夠跟蹤新技術(shù)的發(fā)展趨勢，教學(xué)與科研相結(jié)合，培養(yǎng)出高質(zhì)量的學(xué)生。充分發(fā)揮能力，承擔(dān)更多社會責(zé)任，為社會的科技進步提供動力。

作為一種行而有效的實踐教學(xué)培養(yǎng)方式，學(xué)科競賽在對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)上具有普通實踐教學(xué)難以企及的優(yōu)勢；能夠有力的促進實驗教師的自我提高，引領(lǐng)并形成獨特的工科教學(xué)思維方式；能夠全方位推動實驗室建設(shè)，賦予實驗室新的社會功能。北方工業(yè)大學(xué)綠色能源與電源實驗室在十余年的指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽過程中，初步形成了一套培訓(xùn)體系，取得了較為豐碩的成果。（作者劉元超系北方工業(yè)大學(xué)試驗教師；張衛(wèi)平系北方工業(yè)大學(xué)研究生部主任）