基于新工科人才培養(yǎng)的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

厲 茜，詹迪鈮，吳 微，徐卓君

當(dāng)前，國家正積極推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對(duì)工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。［1-2］與此同時(shí)，為了推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，教育部于2017 年印發(fā)了《關(guān)于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，通知提出：在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，［3］迫切推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的步伐。另外，自從新冠肺炎疫情出現(xiàn)后，全世界都面臨著學(xué)生無法返校學(xué)習(xí)的難題，為了保證高等學(xué)校教學(xué)工作正常有序地進(jìn)行，確保學(xué)生不在校能夠按時(shí)進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)，本科課程的實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式急切需要進(jìn)行改革。

電工學(xué)是機(jī)械、汽車、材料、交通等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的非電類必修專業(yè)基礎(chǔ)課，是電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)、可編程控制器等多門課程的融合，涉及的知識(shí)面廣，擁有廣闊的工程背景。依據(jù)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的新工科人才培養(yǎng)理念與要求，電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成為電工學(xué)課程體系改革的重點(diǎn)。

一、電工學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的迫切性

目前，在新工科人才培養(yǎng)新要求+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目+新冠肺炎疫情大環(huán)境下，電工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革迫在眉睫。首先，新經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展對(duì)工程技術(shù)人才提出新要求，現(xiàn)有的電工學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足人才培養(yǎng)的新要求。其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展打破了傳統(tǒng)電工學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑F(xiàn)代信息技術(shù)的介入要求電工學(xué)實(shí)驗(yàn)必須改革。再次，全球新冠肺炎疫情的持續(xù)化，要求電工學(xué)實(shí)驗(yàn)在足不出戶的情況下亦能完成正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，傳統(tǒng)的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行改革。最后，現(xiàn)有的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)存在如下的弊端：1.非專業(yè)課程，在后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作中可能用不到，學(xué)生不夠重視，投入精力少；2.由于是多門課程的融合，知識(shí)面廣，但深度淺，不足以支撐“互聯(lián)網(wǎng)+”、電子大賽等項(xiàng)目開展；3.實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)受限；4.學(xué)生多，實(shí)驗(yàn)場地有限。

二、建立符合新工科人才培養(yǎng)理念和要求的教學(xué)實(shí)驗(yàn)新模式

“新工科”更加強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通信、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革要突破傳統(tǒng)“講解-實(shí)驗(yàn)-報(bào)告”的實(shí)踐形式，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和效果為目的，建立一個(gè)“線上+線下”、虛擬+實(shí)境”“獨(dú)立+主題”“多方式協(xié)同”融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

（一）“線上+線下”融合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

線下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，保留原有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（例如直流電路實(shí)驗(yàn)、三相異步電動(dòng)機(jī)電氣控制實(shí)驗(yàn)），由原來的必做形式改為必做+自選的形式，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力和興趣有選擇性地完成每一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，解決實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生“吃不飽”，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰θ醯膶W(xué)生“吃不了”的局面，有效地提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效果。

線上實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，一是將全部線下實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)知教學(xué)轉(zhuǎn)移到線上，例如示波器、數(shù)字萬用表等必用設(shè)備；二是將線下實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作、注意事項(xiàng)指導(dǎo)轉(zhuǎn)移至線上；三是基于線下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)新的線上軟件仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；四是指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)形形色色的元件；五是開發(fā)適合非電專業(yè)的電工實(shí)訓(xùn)。吉林大學(xué)電工電子教學(xué)中心邀請專業(yè)人員精心地錄制了常用設(shè)備指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容指導(dǎo)、電工實(shí)訓(xùn)等指導(dǎo)視頻，以及線上實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，并上傳至超星學(xué)習(xí)通線上學(xué)習(xí)平臺(tái)。在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)如表1所示。

表1 在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)

學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需要預(yù)先觀看設(shè)備認(rèn)知視頻、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容指導(dǎo)或線上實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少了學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)間，增加了進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立操作時(shí)間，既保證了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容飽滿性和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的充裕性，又提高實(shí)驗(yàn)的效率。在線教學(xué)的每個(gè)指導(dǎo)視頻時(shí)間控制在10-20分鐘左右，解決了學(xué)生長時(shí)間看視頻、容易溜號(hào)的問題。由于可以隨時(shí)隨地在線上平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)域和地域限制。線上+線下融合模式既保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，又解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弊端。

（二）“虛擬+實(shí)境”融合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

實(shí)境實(shí)驗(yàn)改革，保留現(xiàn)有基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為必做實(shí)驗(yàn)В類實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生更好地掌握、鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)，將一部分現(xiàn)有的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（例如組合邏輯電路設(shè)計(jì)）以及新開發(fā)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)作為機(jī)動(dòng)性選做X類實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自主選擇X類的實(shí)驗(yàn)，在同樣的4 學(xué)時(shí)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可以根據(jù)自身能力完成不同數(shù)量的、不同內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。有的學(xué)生只能完成В+X 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而有的能夠完成В+2X，甚至В+4X實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

為了積極參與教育部在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，同時(shí)解決由于疫情原因不能及時(shí)返回校園的學(xué)生能夠正常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，滿足學(xué)生無論何時(shí)、無論何地的自由實(shí)驗(yàn)旅行，我校電工教學(xué)中心開發(fā)了“基于RLС 串聯(lián)諧振鑒別真假硬幣”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)利用3D 技術(shù)逼真地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)場景，真實(shí)展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能，通過教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)幫助學(xué)生很好地鞏固RLС 串聯(lián)諧振基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)鑒幣電路的工作原理，掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法，并且通過實(shí)驗(yàn)獨(dú)立操作環(huán)節(jié)完成RLС 串聯(lián)諧振特性測量、真假硬幣的鑒別。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)

鑒別真假硬幣的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了虛擬的實(shí)驗(yàn)交互性、趣味性，增加了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)中數(shù)學(xué)模型的理解，使枯燥的理論學(xué)習(xí)有了鮮活的生命力。

目前，我校電工教學(xué)中心設(shè)計(jì)了新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并正在進(jìn)行開發(fā)。新開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)很好地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)涉及高危，或高成本、高消耗、不可逆操作，或項(xiàng)目條件不具備，或受時(shí)間和空間的限制導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行困難的問題。［4］通過身臨其境的虛擬操作幫助學(xué)生積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高動(dòng)手能力。

（三）“獨(dú)立+主題”融合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

現(xiàn)有部分實(shí)驗(yàn)屬于獨(dú)立式實(shí)驗(yàn)，此類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證、鞏固、加深，與其他知識(shí)點(diǎn)沒有關(guān)聯(lián)性，實(shí)驗(yàn)之間毫無延展性，不利于知識(shí)的融會(huì)貫通。因此，在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了“主題實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式。［5］根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)與要求，圍繞某一個(gè)教學(xué)主題開發(fā)多個(gè)具有知識(shí)關(guān)聯(lián)性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如電動(dòng)機(jī)控制就是其中一個(gè)主題。

電動(dòng)機(jī)、繼電器-接觸器、可編程控制器3 部分理論知識(shí)有很好的模塊關(guān)聯(lián)性，從而使電動(dòng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、物料運(yùn)送電氣控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和電動(dòng)機(jī)PLС 控制實(shí)驗(yàn)，圍繞“電動(dòng)機(jī)控制”這一主題形成很好的遞進(jìn)性、延展性、開放性。采用接觸器等低壓電器設(shè)備控制電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)有的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，以它為基礎(chǔ)，正在開發(fā)的物料運(yùn)送電氣控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中未用到的時(shí)間繼電器、物料小車、行程開關(guān)等設(shè)備應(yīng)用其中，很好地拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。電動(dòng)機(jī)PLС 控制實(shí)驗(yàn)采用PLС 軟件程序代替接觸器等低壓電器硬件，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制，完美地實(shí)現(xiàn)了由硬件向軟硬件結(jié)合的遞進(jìn)和延展，促進(jìn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中建立了系統(tǒng)的概念并構(gòu)建控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為多技術(shù)融合的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

（四）多方式協(xié)同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

多方式協(xié)同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞侵笇W(xué)生的課后作業(yè)、線上教學(xué)平臺(tái)的分組設(shè)計(jì)任務(wù)、軟件仿真、實(shí)境實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來。以采用PLС 控制電機(jī)為例，首先，建立若干學(xué)習(xí)小組，每個(gè)學(xué)習(xí)小組2-3 名成員；其次，準(zhǔn)備多個(gè)不同功能的PLС 電機(jī)控制設(shè)計(jì)題目，布置成課后作業(yè)或在線發(fā)布成分組任務(wù)，學(xué)生以小組為單位，從設(shè)計(jì)題目任選至少2個(gè)設(shè)計(jì)題目，由學(xué)生分工合作完成設(shè)計(jì)和軟件仿真；再次，將設(shè)計(jì)好的電機(jī)控制電氣原理圖以及經(jīng)過軟件仿真的控制程序上傳至超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺(tái)，由教師進(jìn)行批改；最后，學(xué)生分批進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，以PLС 為核心搭建硬件電路，通過計(jì)算機(jī)上傳控制程序至PLС，進(jìn)行在線調(diào)試，實(shí)時(shí)修改控制程序直至完成設(shè)計(jì)題目要求的控制任務(wù)。

多方式協(xié)同實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步延伸是把一部分對(duì)設(shè)計(jì)有興趣的學(xué)生集中起來，成立興趣小組，以完成實(shí)際工程的思路繼續(xù)深入學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)不同系統(tǒng)功能按照課程中搭建的工程體系，完成材料的選擇、硬件圖的設(shè)計(jì)、硬件的安裝、軟件的編程及整個(gè)項(xiàng)目的調(diào)試。多方式協(xié)同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊忍岣吡藢W(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際工程問題的能力，增強(qiáng)知識(shí)的融會(huì)貫通，又培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為將來步入工作崗位奠定良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

三、“線上+線下”實(shí)驗(yàn)同步雙向考評(píng)機(jī)制

建立合理的科學(xué)實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革主要研究內(nèi)容之一。經(jīng)過電工中心教師們的實(shí)踐探索，電工學(xué)建立了線上實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制。線上實(shí)驗(yàn)考核模式包括實(shí)驗(yàn)室安全考核和實(shí)驗(yàn)操作考核。為保障實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行，吉林大學(xué)建立了線上實(shí)驗(yàn)室安全考核機(jī)制，只有在線上吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教育考試系統(tǒng)中通過考試，才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。另外，在線上學(xué)習(xí)通教育平臺(tái)建立實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)操作考核，在線上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)視頻后，學(xué)生可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作考核，并由系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出考核成績，根據(jù)考核結(jié)果，學(xué)生可以及時(shí)了解自己對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的掌握情況，方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的再學(xué)習(xí)。線上考核如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)操作考核

線下考核主要從實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)連線的正確性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題等方面考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技巧。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)制定不同的考核細(xì)則，再進(jìn)一步可根據(jù)連線數(shù)量、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)量、解決問題的數(shù)量等數(shù)量做細(xì)致的量化標(biāo)準(zhǔn)。比如根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定的量化考核標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化考核

“線上+線下”的考評(píng)機(jī)制可以幫助教師及時(shí)掌握學(xué)生線上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的動(dòng)態(tài)情況，對(duì)于線上實(shí)時(shí)考核不合格者可以給予及時(shí)的線上指導(dǎo)，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的問題，準(zhǔn)確掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，糾正學(xué)生錯(cuò)誤，使其更好地完成實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)語

在近3 年的改革實(shí)踐探索中，我們不斷修正已有實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)形式，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)形式，建立、健全實(shí)驗(yàn)考評(píng)機(jī)制，推動(dòng)電工學(xué)課程的發(fā)展，為國家級(jí)金課的申報(bào)奠定堅(jiān)實(shí)的路基。同時(shí)采用多種形式調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使更多的學(xué)生積極投入到實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)改革使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能得到錘煉，積累實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，提高自身解決實(shí)際工程問題的能力和科技創(chuàng)新能力，力爭成為符合新工科培養(yǎng)要求的國際復(fù)合型科技人才。