電類學生實踐學習曲線的構建與實施

杜海江，耿光飛，張曉東

(中國農(nóng)業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

電類學生實踐學習曲線的構建與實施

杜海江，耿光飛，張曉東

(中國農(nóng)業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

為使電類學生適應當前工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和需求，結合我院實驗中心現(xiàn)狀和建設規(guī)劃為背景，對大學4年實踐學習過程進行設計。提出大學生培養(yǎng)的目標是：具有獨立分析和解決實際工程問題的能力及開展科學研究的思維及能力，與國內(nèi)外學生相比有更強的競爭力；對母校和老師有很強的認同感，并有勇于創(chuàng)新、建設國家、回饋社會的情懷和精神，而不是功利主義的奴隸。構建電力學生合理的學習曲線，在每個階段都有具體的學習目標。對實現(xiàn)基礎平臺-實驗室布局和過程管理進行規(guī)劃設計，以達到理想的培養(yǎng)目標。

電類學生； 學習曲線； 資源管理； 實驗室

0 引 言

我院是以工科和實踐性學科及熱門的工程學科組成的學院，學生們懷著很高的期望并以相當高的成績來到我院，學校應提供國內(nèi)一流的實驗實踐平臺，即包括先進和豐富的實驗和場所，也包括水平較高、造詣頗深且有相當熱情投身于教學的教師隊伍。我院實驗中心目前有37個實驗室，12名實驗教師，實驗室數(shù)量大，管理任務重，但限于學生人數(shù)和目前開設的實驗課內(nèi)容少，整體利用率并不高，實驗設備比較陳舊。

為推進工科專業(yè)水平的提高，我國推行了一系列建設計劃，包括專業(yè)認證、卓越工程師計劃、國家示范實驗教學中心建設等。我院目前的水平與國家計劃目標和學習期望值還有一定的距離，所以也在積極籌劃，以推進實踐教學水平的快速提高。

1 實驗教學理念與目標探討

分析國家級實驗教學示范中心評審指標體系和工程教育認證標準[1-2]，建設教師隊伍和實驗實踐設備條件，其目的都是為了培養(yǎng)學生，綜合各種目標，培養(yǎng)學生應該達到的目標是：具有獨立分析和解決實際工程問題的能力及開展科學研究的思維及能力，與國內(nèi)外學生相比有更強的競爭力；對母校和老師有很強的認同感，并有勇于創(chuàng)新、建設國家、回饋社會的情懷和精神，而不是功利主義的奴隸。

2 如何構建電類本科學生實踐學習曲線

實踐教學從內(nèi)容上應包括：實驗、課程設計、實習實訓、畢業(yè)設計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動等5個部分。在大學4個學年的不同階段，需要結合認知、基礎、專業(yè)等不同層次的需求，在前述5個部分完成整個學習過程。

認知階段。各專業(yè)都有當前熱點研究課題和流行的研究開發(fā)工具與研究對象，這些內(nèi)容應該在實驗設備和實驗內(nèi)容中體現(xiàn)。但在大一和大二階段，學生應該接觸這些設備和裝置，以在學習初期就了解它們的運行情況、使用情況、性能要求，并激發(fā)學生學習的興趣。這些內(nèi)容可以做為專業(yè)認識實踐課程。其他基本技能的學習也是為后面從事更深入的實驗研究建立基礎。

對大一大二學生，物理、模數(shù)電技術、電路、機械制圖是基本的工科理論和應用基礎，電路原理圖設計、電路板焊接和電子元器件識圖、電氣元件識圖、機械加工等是基本的工程實踐技能。通過理論學習，并通過驗證性、設計性、綜合和創(chuàng)造性的實驗實踐過程，對模數(shù)電、電路電工、電路原理圖設計與印制板設計、焊板等，達到非常熟練的地步，將這些日后會反復用到的理論與應用技能變成工科學生的基本技能，并對常用儀表儀器(萬用表、信號發(fā)生器、示波器、焊接、機加工)熟練使用。電類學生需對電工工作有完整的掌握，從識圖、布線、測試等，達到高級電工的水平。

只有使學生有足夠的壓力投身到實驗室，進行長時間和反復的實驗，只有這樣，才能對實驗儀器設備，和對所實驗對象有深入的理解。這需要采購最新式的儀器設備，需要老師盡心的設計足夠強度的實驗項目并認真考核，需要實驗老師長時間留在實驗室以保證設備完好，等等。相關的仿真軟件應成為學生們的基本工具。

到大三，微機原理應該是一門非常重要的課程，是學生們接觸微處理器的第一門課程。如果說模數(shù)電學習的是無生命的器件，而微機原理課程將學習有生命和活性的微處理器，由它來指揮和協(xié)調(diào)外圍電路及外部設備的工作。通過該課程學習微處理器硬件及軟件的工作原理和系統(tǒng)的開發(fā)設計工作。目前主要學習INTEL8086，這款上世紀80年代的產(chǎn)品。顯然已遠遠落后于時代了，不要說它的內(nèi)容已夠用和夠?qū)W了，這是懶惰的代名詞。當今最新的微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理、可編程器件層出不窮，是應該更新的時候了。至于選什么，應該和以后從事的專業(yè)有關系。

比如電力專業(yè)，目前電力工業(yè)的控制、測量，大量使用ARM和DSP[3-4]，應該在微機原理學習時對其進行較深入的學習和理解。對于自動化和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，ARM和微控制器用得更多一些，對低功耗要求高，應該在微機原理課程學習相對應用多、較復雜的一或兩款芯片。

W300是 尼 康Coolpix AW130的替代型號，不過兩者的配置參數(shù)差異并不大。在這次測試中，W300擁有最強的30米防水以及零下10攝氏度防凍能力，防摔高度也是評測中最強的，達到了驚人的2.4米。其他新功能還包括4K視頻拍攝能力，尼康SnapBridge通信系統(tǒng)，高度/深度計以及GPS功能。

對于計算機方面，是否應該以最新的多核微處理器進行學習，以掌握最先進的微處理器工作機理，并從微結構級的軟件設計以理解其工作的機理，也為以后從事設計和開發(fā)建立基礎。

目前市場上開源硬件平臺Arduino[5-7]、Raspberry Pi[8-10]，是為了提高學生對軟硬件嵌入式系統(tǒng)設計興趣開發(fā)的，也可以做為微機原理的課程內(nèi)容。

所以，這門課程應該是個分水嶺，不同專業(yè)的學生們會結合各自專業(yè)的需求，開始有所側重的選擇學習的微處理器，并通過設計的豐富的實驗課程，對所學微處理器芯片有深入的理解并能熟練的使用。并能結合綜合課程設計，將模數(shù)電、電路知識，與微機處理器結合，設計出實現(xiàn)一定功能的軟硬件作品，并能設計出實際的電路板。這一過程中，仿真同步應用，成為學生必備的技能。

大四階段，結合大三階段對本專業(yè)的專業(yè)課程進行專門的學習，并通過積累的電子、電氣、微處理器、電工電子等專業(yè)基礎知識和應用技能，可在前沿領域，如物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)、機器人、新能源電力等，從事創(chuàng)造性、有一定探索性的開發(fā)和實踐工作，至畢業(yè)前，已具備獨立開發(fā)能力，并具備與國內(nèi)外畢業(yè)生相當?shù)母偁幜Α⒂矊嵙Α?chuàng)造潛力的合格畢業(yè)生。

為了達到這個學習曲線的設計，需要具備配套的實踐教學條件。

如前述，大二學生應具備模數(shù)電、電路、機械制圖的理論及相應實驗實踐的基礎知識和技能。這種技能的建立就是以專業(yè)基礎實驗室為載體。如電子實驗課，可以只為學生提供面包板和元器件，由學生自行搭建電路，實驗室提供先進的儀器。常說，無招勝有招，武術的最高境界是無招。同樣，最好的實驗設備就是自己設計和實現(xiàn)。只有設計的豐富的實驗項目和嚴格要求，才能把學生們留在實驗室。與之配合的則是，實驗室必須長時間開放，并維護設備處于良好的運行狀態(tài)；要求實驗老師有更高的水平和投入，才能解決學生實驗過程遇到的各種問題。為了達到大二階段的目標，是理論教學、實踐教學、實驗室儀器設備等多方面的問題，良性合作、共同努力，才能達到最佳的效果。

到大三階段，隨著專業(yè)課程的開設，學生們應該長時間留在專業(yè)實驗室，以掌握本專業(yè)的專門知識。進而結合課程設計、實踐性實驗項目的設計，將微處理器、電工電子技術與本專業(yè)知識結合，可以開展更深入的科研工作，使自身的科研素質(zhì)、能力得到迅速提升。

到大四階段，及大三和大四階段，創(chuàng)新項目、校企項目、自選題目、競賽項目等等，為學生提供更寬的訓練平臺，創(chuàng)新實驗室、專業(yè)實驗室，都是學生們自由研究和實驗的場所。隨著掌上學習套件的普及，學生宿舍也是很好的實踐場所。學習曲線設計如圖1所示。

圖1 實驗學習曲線

3 圍繞學習曲線構建實驗室布局

實驗中心原來的實驗室共用37個實驗室及一個元器件庫，實驗室面積約2 500 m2，其中有1 900 m2分布在院1～3層，主要在3層，另有創(chuàng)新實驗室600 m2分布在負一層。布局如圖2所示。

圖2 目前實驗室布局

存在的問題是：① 隨著招生學生數(shù)量的大幅減少，部分實驗室處于閑置狀態(tài)；② 由于經(jīng)費限制和教授課程內(nèi)容的滯后，部分實驗設備老化，和工程實際現(xiàn)狀差距明顯；③ 實驗中心人員水平和人數(shù)限制，實驗室不是開放運行，又限制了學生參與實驗的積極性和機會；④ 主要是不能滿足所設計學生學習曲線的要求。針對這些問題，對實驗室重新布局，并設計有效的運行管理模式。新設計的實驗室布局如圖3所示。

圖3 實驗室新布局

實驗室新布局的特點：① 內(nèi)容類似的實驗合并及建設綜合性實驗室，如微控制器實驗室，將單片機、數(shù)字信號處理器、可編程器件等設備集中到一個實驗室，方便學生交叉學習；② 與工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀結合，如建設新型電力實驗室、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等實驗室；③ 強化實訓實驗室，提高學生實踐能力。

重新布局后核心電類課程與實驗室使用對應關系如圖4所示。

圖4 實驗室與理論課、實驗課程對應關系

4 資源管理系統(tǒng)建設與隊伍建設

為了配合實踐教學目標的達成，必須設計完善的資源管理系統(tǒng)[11-13]。可以將實驗中心的所有組件統(tǒng)稱為資源，包括教師、設備儀器、實驗室、學生、實驗課程等。實驗中心的運行過程，就是通過設計，使得所有資源達到最佳的使用狀態(tài)和最方便的使用操作，將該系統(tǒng)設計為3層結構，即基本資源層、二次資源層和可視操作層，如圖5所示。

圖5 資源管理系統(tǒng)結構

所設計實驗中心就像一座工廠的生產(chǎn)車間，資源管理系統(tǒng)實際是一套B/S結構的管理軟件，必須與實際管理措施結合才能有效發(fā)揮作用，實現(xiàn)有效的資源管理和調(diào)度。

實驗中心人員分為兩部分。①實驗管理人員，全職值班，為常規(guī)實驗員和實驗師職責；②實驗課程教學科研人員，主要做實踐教學。

開放實驗室管理和運行由值班人員負責，也負責開放期間學生實驗過程的一般指導和安全管理。實驗課程教學人員負責實驗課及所有實踐教學環(huán)節(jié)的工作，并從事與實驗有關的科研開發(fā)工作。其中,有相當?shù)膶嶒烅椖恳?，學生不得不留在實驗室，同時，實驗室老師專門長時間開放實驗室以供學生使用，形成良性循環(huán)。

5 結 語

(1) 提出本科學生學習目標確立，不僅學習技能，還要有更高的追求；

(2) 對電類學生學習過程曲線的設計進行了分析，對學生規(guī)劃學習過程和老師指導學生提供參考；

(3) 以我院實驗中心為背景，對實驗室布局和工作人員管理進行優(yōu)化設計。

學習曲線通過逐步施行，效果明顯但仍需努力。

[1] 余天佐，蔣建偉.基于工程教育認證標準的持續(xù)質(zhì)量改進——以Z大學全國示范性軟件工程專業(yè)為例[J].清華大學教育研究,2015(6)：104-111.

[2] 張文桂.實驗教學示范中心建設的思考與實踐[J].實驗技術與管理,2008,25(1)：1-4.

[3] 鄭文波，段明祥.工業(yè)控制與嵌入式系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,2005,18(11)：1-3.

[4] 劉廣林.基于PC/104和ARM的工業(yè)控制平臺設計及應用[D].武漢:華中科技大學,2010.

[5] http://www.arduino.cn/

[6] http://www.arduino.org.cn/

[7] https://www.arduino.cc/

[8] https://www.raspberrypi.org

[9] http://www.shumeipai.net/forum.php

[10] http://shumeipai.nxez.com/

[11] 王小雨.實驗室資源管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學，2015.

[12] 馬 燕，馮 廣.淺談高校實驗室資源管理系統(tǒng)建設[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008(9)：102-103.

[13] 耿曉君，陳章其.基于Struts與JSTL的開放實驗室資源管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術，2009,19(11)：136-140.

Construction and Implementation of Learning Curve for Students Majored in Electricity

DUHaijiang,GENGuangfei,ZHANGXiaodong

(College of Information and Electrical Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Based on the current situation and construction plan of the experimental center of our college,and in order to make the students majored in electricity to adapt to the current status of industrial development and demands,training objectives of engineering undergraduates have been designed as follows: having the ability to analyze and solve engineering problems independently,having the potential to carry out research of science,having competitive compared with students at home and abroad; having strong sense of identity with alma mater and teachers and having to be not slaves of utilitarianism.The four-year university practice learning process is analyzed and a good learning curve is designed.Lab layout and process management methods are also planned and designed to achieve ideal cultivation goal.

students majored in electricity; learning curve; resource management; laboratory

2016-10-25

杜海江(1971-)，男，河北定州人,博士，副教授，主要研究方向：電力電子技術、新能源發(fā)電。

Tel.:13718445130;E-mail：duhaijiang@cau.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2017)07-0257-04