電工電子基礎(chǔ)實驗開展創(chuàng)新教學(xué)的實踐探索

摘要：“電工電子學(xué)”課程是一門實踐性很強(qiáng)的課程，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的作用無可替代。在深刻剖析電工電子基礎(chǔ)實驗教學(xué)存在的問題的基礎(chǔ)上提出在基礎(chǔ)實驗課程中開展創(chuàng)新實驗教學(xué)的思路。提出了創(chuàng)新實驗教學(xué)的改革方案，詳細(xì)闡述了實驗教學(xué)內(nèi)容整合、實驗平臺開發(fā)與建設(shè)等多項措施；創(chuàng)新實驗教學(xué)模式的實踐表明：所開發(fā)的實驗平臺滿足基礎(chǔ)、綜合以及創(chuàng)新等多層次的實驗教學(xué)需求，“創(chuàng)新”教育的理念貫穿于實驗教學(xué)中是促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效方法。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；電工電子；創(chuàng)新能力；平臺建設(shè)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0119-03

“電工電子學(xué)”是面向綜合院校非電類本科生開設(shè)的電類技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是一門實踐性很強(qiáng)的課程。由于課程涉及到眾多的實際工程技術(shù)問題，許多概念和方法的掌握有賴于實驗手段的介入；同時，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是初步訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，并培養(yǎng)其工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的重要途徑；因此，實驗教學(xué)作為“電工電子學(xué)”課程教學(xué)的一個重要組成部分，其作用是無可替代的。

近年來電工電子技術(shù)不斷發(fā)展，電工電子實驗教學(xué)的內(nèi)容和技術(shù)不斷革新，而與此同時，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)時數(shù)卻在不斷減少，學(xué)生規(guī)模大、基礎(chǔ)參差不齊的現(xiàn)狀與高素質(zhì)、高水平和強(qiáng)能力的人才培養(yǎng)目標(biāo)之間的矛盾也越來越明顯，在以下幾個方面尤為突出：開設(shè)的實驗項目內(nèi)容設(shè)置不合理，潛意識地認(rèn)為基礎(chǔ)實驗課程教學(xué)與“創(chuàng)新”毫不相關(guān)，缺少為學(xué)生開展創(chuàng)新實驗的平臺環(huán)境。為此，重慶大學(xué)電工電子實驗中心開展了基礎(chǔ)實驗課程開設(shè)創(chuàng)新實驗教學(xué)的探索。

一、教學(xué)改革思路

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用逐漸得到各高校的公認(rèn)，各種層次、各種形式的創(chuàng)新實驗教學(xué)和創(chuàng)新實踐項目不斷發(fā)展起來。然則基礎(chǔ)實驗教學(xué)要不要“創(chuàng)新”，這是一個值得深思的問題。

1.教學(xué)改革思路

結(jié)合實踐教學(xué)的特點，“創(chuàng)新”包含三重意思，即創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力。創(chuàng)新意識培養(yǎng)在實踐教學(xué)中意味著激發(fā)興趣，讓學(xué)生對教學(xué)中所涉及的知識和現(xiàn)象產(chǎn)生探究的熱情和積極性；而“創(chuàng)新思維”從易到難可以表現(xiàn)為不同的形式：形成新觀念，提出新方案，發(fā)明新技術(shù)，創(chuàng)建新理論，在實踐教學(xué)中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)更多體現(xiàn)在獨立思考能力的培養(yǎng)上，即在面對教學(xué)中所涉及的知識和現(xiàn)象時能自主地通過各種信息技術(shù)手段收集信息，對各種信息進(jìn)行正確地歸納分析，形成自己的看法或提出可能的方案。這種針對問題的獨立思考能力只有通過長期的訓(xùn)練、積累、磨礪才能具備。而在實踐教學(xué)中“創(chuàng)造力”則是綜合應(yīng)用知識能力、動手實踐能力、協(xié)同合作能力的綜合表現(xiàn)。

由此可見，“創(chuàng)新”本身并沒有任何層次的限制，所以打破“基礎(chǔ)實驗無創(chuàng)新”的定勢思維，提出在基礎(chǔ)實驗課程開展創(chuàng)新實驗教學(xué)的思路，即在基礎(chǔ)實驗中圍繞提高學(xué)生“自主學(xué)習(xí)能力、書面表達(dá)能力、口頭表達(dá)能力、批判性思維（能力）、協(xié)同合作能力、運用信息技術(shù)能力、動手實踐能力”等方面開展教學(xué)改革，最終實現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.教學(xué)改革方案

明確了改革思路之后，進(jìn)一步提出相應(yīng)的教學(xué)改革方案，即：在電工電子基礎(chǔ)實驗課程中推行以學(xué)生為主體的開放自主實驗，提倡基于小組合作的研究式實驗。

（1）構(gòu)建層次化創(chuàng)新教學(xué)體系。首先是在層次化的實驗教學(xué)內(nèi)容體系中明確界定各個層次的實驗要達(dá)到什么樣的教學(xué)目的，著重培養(yǎng)何種能力，使“創(chuàng)新教育”的理念貫徹在基礎(chǔ)實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新實驗三個不同層次。

基礎(chǔ)層次的實驗：著重在基本儀器使用、基本器件的認(rèn)識及應(yīng)用、基礎(chǔ)知識的了解及應(yīng)用上主要針對基本應(yīng)用電路及基本功能電路的實現(xiàn)，開展設(shè)計性實驗。

綜合層次的實驗：整合綜合實驗項目，開發(fā)電路與電子技術(shù)應(yīng)用、PLC及電機(jī)控制等領(lǐng)域的綜合實驗項目，強(qiáng)化實驗內(nèi)容與工程、與實際應(yīng)用聯(lián)系；基于Electronics Workbench軟件平臺，引入Multisim軟件，開發(fā)完善仿真實驗項目，通過仿真分析把傳統(tǒng)的電工電子學(xué)知識與本領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法相結(jié)合；開展基于EDA技術(shù)的設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗，形成虛實結(jié)合的綜合實驗體系。

依托于重慶大學(xué)電工電子基礎(chǔ)實驗教學(xué)國家級示范中心，充分利用重慶大學(xué)“SRTP”項目，面向全校非電類工科專業(yè)學(xué)生開展“電工電子創(chuàng)新實驗”。在本層次，以解決實際問題為目標(biāo)設(shè)置創(chuàng)新項目，讓學(xué)生以實驗小組為單位來完成。

（2）改革創(chuàng)新實驗教學(xué)模式。拓展“創(chuàng)新教育”的外延，把創(chuàng)新教育從單一的開設(shè)創(chuàng)新實驗項目拓展到教學(xué)方式的改革。在基礎(chǔ)實驗層次推進(jìn)自主實驗教學(xué)，即以學(xué)生為主體，實驗內(nèi)容上采取給定實驗?zāi)康?、要求和實驗條件，讓學(xué)生在自主的時間內(nèi)自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)。進(jìn)一步在管理上實現(xiàn)實驗室的開放管理，即開放實驗室，學(xué)生可以自由自主地到實驗室開展實驗。這種把自主性的實驗?zāi)Ｊ胶烷_放式的實驗管理結(jié)合的教學(xué)方式有利于貫徹“創(chuàng)新教育”中“獨立學(xué)習(xí)、獨立思考”的理念。

（3）改革實踐評價方法。建立全面的考核辦法，提高實驗成績在整個課程成績中所占的比重，注重基礎(chǔ)理論、基本技能的同時，強(qiáng)調(diào)動手實踐能力和溝通協(xié)調(diào)能力等素質(zhì)的綜合考查；創(chuàng)新實驗和綜合實驗的考核按照實驗準(zhǔn)備（實驗預(yù)習(xí)方案報告）、實驗過程（實驗中分析處理問題的能力）、實驗結(jié)果（實驗總結(jié)報告）與PPT匯報相結(jié)合的方式，全方位、多角度地考核學(xué)生，避免“以實驗報告定成績”、“以實驗結(jié)果定成績”。

二、開發(fā)實驗平臺

1.實驗平臺設(shè)計

合適的電工電子學(xué)實驗平臺是開展創(chuàng)新實驗教學(xué)的堅實基礎(chǔ)。實驗平臺的開發(fā)研究主要考慮兩個方面的問題：設(shè)計靈活性的實驗平臺，提高平臺的通用性和使用效率；設(shè)計開放性的實驗平臺，便于拓展使用。該實驗平臺應(yīng)具有以下功能，首先可以開設(shè)電工電子系列實驗課程的基礎(chǔ)性實驗，該部分的實驗內(nèi)容是實驗教學(xué)體系的基礎(chǔ)，是必修實驗，起著技術(shù)基礎(chǔ)的重要作用。該部分功能要滿足量大面廣的實驗教學(xué)任務(wù)需求；其次，平臺應(yīng)提供良好的二次開發(fā)環(huán)境，具有對一般規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計、分析功能，能夠開設(shè)包含電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及繼電器接觸器控制、PLC編程控制等相關(guān)知識的具有較強(qiáng)應(yīng)用性的綜合實驗和創(chuàng)新實驗；滿足學(xué)生對系統(tǒng)設(shè)計概念的培養(yǎng)和實踐需求，以適應(yīng)電子系統(tǒng)日趨數(shù)字化、復(fù)雜化和大規(guī)模集成化發(fā)展的趨勢；最后，實驗平臺的設(shè)計應(yīng)符合“自主實驗”精神，功能模塊的組織須本著“連續(xù)遞進(jìn)”的原則，可以充分利用該平臺進(jìn)行基礎(chǔ)實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新實驗三個層次的分級實驗教學(xué)。

2.實驗平臺模塊劃分與構(gòu)建

根據(jù)以上原則，設(shè)計的整套實驗系統(tǒng)包括計算機(jī)及測量儀表、弱電實驗系統(tǒng)、電機(jī)及控制實驗系統(tǒng)三個部分，具體模塊示意圖如圖1所示。

考慮到現(xiàn)成的電工電子弱電實驗平臺存在一些不足，比如各個電路間依賴性較強(qiáng)、限制功能的擴(kuò)展。這些缺點限制了實驗內(nèi)容的拓展，很難發(fā)揮學(xué)生的自主能動性。為此，本弱電實驗平臺采用模塊化的思想開發(fā)，選擇構(gòu)建實驗平臺的基本模塊的原則為：

（1）首先基本功能模塊要滿足完備性，實驗平臺可以不需要外接電源、信號源、指示報警裝置而獨立運行。

（2）通用模塊配置完善，模塊可為多個不同的實驗共用，簡化實驗硬件平臺的復(fù)雜度，也便于節(jié)約實驗成本。

（3）開發(fā)應(yīng)用單元模塊。這些模塊功能來源于實際應(yīng)用電路，具有一定的實用性或趣味性，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，對電路模塊進(jìn)行精心設(shè)計，使整個實驗的難度可控，對不同專業(yè)不同程度的學(xué)生可以由指導(dǎo)教師靈活掌握實驗的難度，對要求不高的模塊可以由老師指導(dǎo)完成，對重點要求掌握的部分盡量由學(xué)生自主探索完成。

基于以上原則，設(shè)置5個基本功能模塊，包括：電源信號源模塊，提供必要的電源、信號源插口；顯示指示功能模塊；基本元件模塊；面包板及集成塊擴(kuò)展模塊，集成塊擴(kuò)展模塊可以插接不同引腳數(shù)的集成塊；包含常用電阻、電感、電容等元件的擴(kuò)展元件模塊。其中電源模塊、顯示指示模塊和基本元件模塊設(shè)置在實驗箱面板上，而其他模塊則設(shè)置為單獨的擴(kuò)展模塊。通用模塊包括通用放大器、數(shù)碼管顯示模塊、A/D和D/A模塊等，而應(yīng)用模塊則包括紅外發(fā)射/接收模塊、常用傳感器模塊、光控模塊等，當(dāng)然還可以根據(jù)不同的需求開發(fā)新的應(yīng)用模塊。以上三類模塊構(gòu)成了電工電子弱電實驗臺的整體，具有較好的二次開發(fā)功能，既能方便地開出基礎(chǔ)實驗又可以進(jìn)行拓展，滿足創(chuàng)新研究、自主發(fā)揮的教學(xué)需求。

電工電子強(qiáng)電實驗系統(tǒng)主要針對電機(jī)的繼電器接觸器控制和PLC控制兩個領(lǐng)域的實踐與訓(xùn)練進(jìn)行設(shè)計，包括PLC編程模塊、PLC控制綜合實驗臺、機(jī)械手控制實驗臺、電梯控制實驗臺、電機(jī)行程控制實驗臺、交通燈控制實驗板、繼電器接觸器控制模塊七個部分。其中，繼電器接觸器控制模塊可分別與電機(jī)行程控制實驗臺和交通燈控制實驗板開設(shè)不同的控制實驗?？紤]到在實際生產(chǎn)和生活中PLC控制技術(shù)的大量應(yīng)用，因此，把PLC控制技術(shù)作為了創(chuàng)新實踐教學(xué)的重點內(nèi)容，除了可以把PLC編程模塊與電機(jī)行程控制實驗臺、交通燈控制實驗板結(jié)合起來開設(shè)基于PLC的基本控制實驗之外，特別配置了PLC控制綜合實驗臺、機(jī)械手控制實驗臺、電梯控制實驗臺等實驗裝置，可以開設(shè)多種與生產(chǎn)、生活實踐密切聯(lián)系的創(chuàng)新實踐項目。該電工電子強(qiáng)電實驗系統(tǒng)不僅可以為各專業(yè)開設(shè)電機(jī)控制類基礎(chǔ)、綜合實驗，而且能滿足對機(jī)械、動力熱能等專業(yè)學(xué)生開設(shè)電工電子創(chuàng)新實驗的教學(xué)需求，為其今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

三、試點教學(xué)

1.少學(xué)時類電工電子課程基礎(chǔ)實驗教學(xué)

對重慶大學(xué)弘深學(xué)院經(jīng)管創(chuàng)新班進(jìn)行試點教學(xué)，該班共30人，開設(shè)少學(xué)時的電工電子學(xué)課程，其中理論28學(xué)時、實驗8學(xué)時。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置4個實驗項目，實驗1～3為基礎(chǔ)應(yīng)用實驗，1人1組，全部采用開放自主實驗方式進(jìn)行實驗；實驗4為綜合實驗，采用分小組研討實驗方式完成，每個小組1個小題目，實驗過程包括選題—預(yù)習(xí)—提交方案—實驗驗證—PPT總結(jié)陳述幾個層層深入的環(huán)節(jié)；理論教師與實驗教師共同參與實驗指導(dǎo)，指導(dǎo)教師人數(shù)達(dá)6人；老師引導(dǎo)學(xué)生討論并確定方案，學(xué)生可在實驗室開放時自由自主的開展并完成實驗驗證；實際實驗教學(xué)環(huán)節(jié)超過20個學(xué)時。

同時，根據(jù)該課程的教學(xué)要求確定了實驗教學(xué)考核方法，從三個方面對學(xué)生的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行評價：平時成績占30%，注重學(xué)生良好實驗習(xí)慣的培養(yǎng)；基礎(chǔ)實驗占30%，主要考查基本實驗技能；綜合實驗占40%：實際操作與總結(jié)陳述并重，課內(nèi)與課外相結(jié)合，個人能力與團(tuán)隊協(xié)作相結(jié)合。

試點教學(xué)結(jié)束之后收集了所有學(xué)生的反饋信息，幾乎所有學(xué)生都覺得原來“實驗不簡單”，而且可以“很有趣”；實驗全程自主完成，被迫養(yǎng)成了自己動手的習(xí)慣；關(guān)鍵是綜合實驗要花較多的課余時間才能做好，包括查資料、做PPT、匯報等看似跟實驗毫不相干的環(huán)節(jié)都很鍛煉人。從這些信息可以看出，在實驗教學(xué)中“創(chuàng)新”教育的理念得到了貫徹，學(xué)生在整個實驗教學(xué)中收獲很大。同時，出現(xiàn)的問題也很明顯，首先盡管是弘深學(xué)院的創(chuàng)新班，學(xué)校對其培養(yǎng)要求比其他平行班要高得多，學(xué)生普遍感覺該課程“有點難”；其次，這樣的實驗教學(xué)不僅要求有充分的場地和設(shè)備，而且需要大量的實驗導(dǎo)師，只適合小班教學(xué)才能保證實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的充分開展。

2.開設(shè)創(chuàng)新實驗項目

依托重慶大學(xué)“SRTP”項目，從2009至2013年之間面向機(jī)械、動力、電氣、化工等專業(yè)的學(xué)生開設(shè)創(chuàng)新實驗項目15項，比如太陽能供電的便攜式戶外裝備、簡易電容測量儀、太陽能LED人體感應(yīng)開關(guān)燈、基于西門子PLC的電梯控制系統(tǒng)等。在SRTP項目中，導(dǎo)師有目的地引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用電工電子學(xué)的知識和技能去分析問題、解決問題。創(chuàng)新實驗過程不僅加深了學(xué)生對電工電子學(xué)知識的理解，更為重要的是對學(xué)生進(jìn)行了完整的電工電子學(xué)知識應(yīng)用的綜合訓(xùn)練。創(chuàng)新實驗為這些學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用電工電子學(xué)科知識奠定了良好基礎(chǔ)，受到學(xué)生一致好評。

四、結(jié)語

重慶大學(xué)電工電子基礎(chǔ)實驗課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)設(shè)備研發(fā)等幾個方面對基礎(chǔ)實驗課程開展創(chuàng)新實驗教學(xué)進(jìn)行了大膽的嘗試。投入近150萬元建成的電工電子實驗平臺已經(jīng)全面投入使用，支撐了面向全校非電理工類、文經(jīng)管類30多個專業(yè)學(xué)生開設(shè)電工電子學(xué)實驗，滿足基礎(chǔ)、綜合以及創(chuàng)新等多層次的實驗教學(xué)需求，品質(zhì)精良，使用效果良好；同時，在電工電子基礎(chǔ)實驗課程中開展“創(chuàng)新”實驗教學(xué)的探索拓展了“創(chuàng)新教育”的內(nèi)涵和外延，把“創(chuàng)新”貫穿于“基礎(chǔ)+綜合設(shè)計+創(chuàng)新實踐”等多個層次的實驗教學(xué)中，推進(jìn)了自主實驗、小組研討實驗等教學(xué)模式在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用和融合。創(chuàng)新實驗教學(xué)對學(xué)生完整地應(yīng)用電工電子學(xué)知識進(jìn)行了初步訓(xùn)練，為學(xué)生把電工電子學(xué)科知識與本專業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合奠定了基礎(chǔ)，是探索交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的有益嘗試。

當(dāng)然，在基礎(chǔ)實驗課程中開展創(chuàng)新實驗教學(xué)不僅需要開放的實驗場地、優(yōu)良的實驗設(shè)備支撐，關(guān)鍵是要建立一支高水平的實驗教學(xué)隊伍。因此，在目前基礎(chǔ)課課程廣泛采用大班教學(xué)的情況下很難大范圍推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]付蘭芳，李長安，李良洪，等.國內(nèi)外電工電子課程教學(xué)方法和內(nèi)容對比研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31（5）：111-112.

[2]王留芳，董德禮，周拓宇，等.多模式、多層次電子電工實踐教學(xué)改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（3）：94-96.

[3]施鼎方，朱毓秀.用創(chuàng)新理念指導(dǎo)和改革驗證性實驗[J].實驗室研究與探索，2008，27（12）：115-117.

[4]客慧明，王小逸，林興桃.創(chuàng)新實驗教學(xué)模式的探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（21）.

[5]符運良，羊大立.電子設(shè)計創(chuàng)新開放實驗室建設(shè)探索[J].中國電力教育，2012，（34）.

[6]尹進(jìn)田，劉麗，唐宏偉.加強(qiáng)實驗室開放，構(gòu)建電工電子創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺[J].電子世界，2012，（24）.

（責(zé)任編輯：王祝萍）