基于工程教育認(rèn)證的電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化改革探討

黃靖濤

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 甘肅蘭州 730030）

隨著高等教育改革和工程教育的深入，重理論、輕實(shí)驗(yàn)的舊觀念發(fā)生了變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)間少，實(shí)驗(yàn)實(shí)施效果差，如何在有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效的教學(xué)已成為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵問題。本文針對(duì)電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題及其自動(dòng)化專業(yè)。在把握工程專業(yè)認(rèn)證核心概念、以工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容體系，設(shè)計(jì)了教學(xué)方法研究，結(jié)合實(shí)踐不斷完善[1-4]

一、電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

我校自成立電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)以來，已經(jīng)建立了多個(gè)電類本科的實(shí)驗(yàn)室。但是縱觀所有實(shí)驗(yàn)室，不論是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還是專業(yè)實(shí)驗(yàn)，所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)都是基于硬件裝置。雖然這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施能夠滿足基本的本科教育，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，但是依然存在著以下多方面的問題：

1.硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備更新維護(hù)難

目前我院的實(shí)驗(yàn)設(shè)備多為基礎(chǔ)性硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建設(shè)費(fèi)用成本高，且電子元器件具有有限的使用壽命，更新?lián)Q代較難，后期的維護(hù)費(fèi)用較高。

2.教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)單調(diào)，教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)

由于我院的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是實(shí)驗(yàn)箱，因此，它的教學(xué)內(nèi)容就是實(shí)驗(yàn)箱上的模塊內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)箱上的模塊一般都是驗(yàn)證內(nèi)容，綜合創(chuàng)新內(nèi)容很少，上學(xué)時(shí)間有限。因此，各專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是可驗(yàn)證性。由于實(shí)驗(yàn)是按照實(shí)驗(yàn)室的模塊進(jìn)行的，老師講解演示，學(xué)生被動(dòng)的跟著操作，課堂上缺乏主動(dòng)性和創(chuàng)造性，學(xué)生的思維創(chuàng)新能力得不到提高，教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

3.教學(xué)形式單一

目前，我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍采用傳統(tǒng)的注射教學(xué)模式，老師通常先介紹實(shí)驗(yàn)原理。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，根據(jù)教材的內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)。所以即使每次學(xué)生都完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理不知其所以然，缺乏了對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解和實(shí)際項(xiàng)目的了解，學(xué)生分析問題的能力得不到提高。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理工作量大

教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理工作量很大，因?yàn)樵S多實(shí)踐基地需要日常維護(hù)，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到教師的限制。

二、構(gòu)建完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì) 2017年3月修訂的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，以培養(yǎng)為目的，以畢業(yè)要求為指導(dǎo)，充分利用現(xiàn)有資源，建立系統(tǒng)、可操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的修訂

實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱是是實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的重要依據(jù)，應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的和基本要求[5-6].通過專業(yè)課程的開設(shè)學(xué)期、學(xué)時(shí)安排、操作方式、考核方式等具體內(nèi)容的實(shí)施不斷發(fā)現(xiàn)問題，梳理思路，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化改革，每 3～5年隨著專業(yè)課程大綱的修訂對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行修訂與調(diào)整.

針對(duì)電氣專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，首先進(jìn)行綜合分類，有硬件實(shí)物的電路連接測(cè)試與驗(yàn)證、有軟件電路的模擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、也有軟硬件的結(jié)合綜合實(shí)驗(yàn)，因此在修訂教學(xué)大綱時(shí)充分考慮到實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)，以及前導(dǎo)課程與后續(xù)課程的銜接，開設(shè)相應(yīng)的基礎(chǔ)課程。實(shí)驗(yàn)課程作為理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)相聯(lián)系的橋梁，根據(jù)專業(yè)課程的性質(zhì)與特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)的安排要能涵蓋體現(xiàn)本課程基礎(chǔ)的理論知識(shí)以及多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)知識(shí)的更新，一些現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)要求，需要結(jié)合行業(yè)的實(shí)際情況，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易程度等編寫實(shí)驗(yàn)講義.

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)該能夠體現(xiàn)專業(yè)課程核心知識(shí)點(diǎn)并對(duì)教學(xué)目標(biāo)、畢業(yè)要求的達(dá)成度形成支撐作用.學(xué)?，F(xiàn)在開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)根據(jù)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)專業(yè)課程的實(shí)際應(yīng)用情況和在校學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。電氣工程的核心課程有其自身的特點(diǎn)，也有知識(shí)的連貫性和系統(tǒng)化。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法下，實(shí)驗(yàn)課和理論課是獨(dú)立進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置基本上是基于實(shí)驗(yàn)盒上的模塊。模塊化實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，很少有綜合設(shè)計(jì)。所以學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中單一運(yùn)用一門課程的理論知識(shí)，連貫性和系統(tǒng)性較差。目前，我國電力行業(yè)已全面進(jìn)入微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、智能時(shí)代，以適應(yīng)電機(jī)工程專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)軟硬件結(jié)合，反映專業(yè)與學(xué)科特色；同時(shí)能夠體現(xiàn)系統(tǒng)化、層次化。因此，根據(jù)專業(yè)課程的知識(shí)點(diǎn)將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為演示驗(yàn)證性試驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性試驗(yàn)、開放創(chuàng)新性試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，在掌握學(xué)生基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，發(fā)展學(xué)生綜合應(yīng)用基本知識(shí)，提高分析問題和解決問題的工程素養(yǎng)。

（1）演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)需要體現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，主要對(duì)基本原理進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)，通過此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在理解原理的基礎(chǔ)上熟悉實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備和軟件環(huán)境。例如電力電子技術(shù)中的交流調(diào)壓和交流調(diào)功的實(shí)驗(yàn)，通過負(fù)載燈泡閃爍的不同現(xiàn)象理解交流調(diào)壓和交流調(diào)功的本質(zhì)區(qū)別；電氣控制實(shí)驗(yàn)中三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)和自鎖控制線路，通過對(duì)一臺(tái)電機(jī)的控制，演示驗(yàn)證點(diǎn)動(dòng)和自鎖控制的功能所在；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中以MATLAB軟件為平臺(tái)搭建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型等。

（2）綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了這一專業(yè)知識(shí)點(diǎn)的銜接和綜合性，并考慮了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與簡單工程問題之間的密切聯(lián)系。例如：直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用對(duì)自動(dòng)控制原理中系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)分析不同因素對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性的影響，可以通過軟件進(jìn)行模擬仿真；電力電子電路中的電能變換電路也可以借助于MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)等。

（3）開放和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)可適用于超越提綱，通過跨學(xué)科、跨專業(yè)的知識(shí)獲取和應(yīng)用，提高綜合能力和質(zhì)量。例如：開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)、PLC的機(jī)床控制應(yīng)用等。

三、教學(xué)方法的改革

通過對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和所實(shí)施的方式、環(huán)境進(jìn)行分析，在面向工程教育認(rèn)證的電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，嘗試采用多樣化的教學(xué)模式，推進(jìn)教學(xué)成果。

1.虛擬仿真和實(shí)體操作實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合

通過“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)方法，改善實(shí)驗(yàn)掛箱的實(shí)踐教學(xué)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，提高學(xué)生分析解決問題的能力，在傳統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)掛箱教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開展電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。有效利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，如Matlab/Simulink、Pspice 等，對(duì)于同類實(shí)驗(yàn)可以通過計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)進(jìn)行，例如整流電路的實(shí)驗(yàn)：有效避免了實(shí)驗(yàn)掛箱觸發(fā)電路不可靠、管子器件容易發(fā)生故障致使不能及時(shí)的對(duì)理論教學(xué)輔助的弊端；電機(jī)拖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：避免對(duì)DSP掌握不足的基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的理論知識(shí)不能深刻理解的弊端，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可有效理解理論知識(shí)原理；同時(shí)，針對(duì)電力系統(tǒng)的特殊性，對(duì)于無法直接進(jìn)行實(shí)體操作的部分，引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，用于模擬電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行及性能分析等環(huán)節(jié)，彌補(bǔ)缺乏實(shí)體操作型實(shí)驗(yàn)的不足[7]。

2.采用“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，任務(wù)結(jié)合”的教學(xué)方法

依據(jù)工程教育模式的思路，對(duì)實(shí)驗(yàn)掛箱的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精簡，增加設(shè)計(jì)型、合成型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在全課程學(xué)習(xí)時(shí)間有限的情況下，選取幾個(gè)實(shí)驗(yàn)作為必要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，首先進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。一方面理論得到驗(yàn)證，一方面實(shí)驗(yàn)設(shè)備和各種儀器（如示波器、萬用表等）為人所熟悉，使用方法，為設(shè)計(jì)和綜合試驗(yàn)的打下基礎(chǔ)。完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生小組選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以團(tuán)隊(duì)的形式完成“討論設(shè)計(jì) 、方案實(shí)施 、展示驗(yàn)收”的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。通過該方法，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)過程中完成理論知識(shí)的再認(rèn)識(shí)、理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)和理論知識(shí)的實(shí)踐測(cè)試，從而提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性。同時(shí)積極調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主創(chuàng)新能力，指導(dǎo)教師幫助學(xué)生監(jiān)制方案設(shè)計(jì)的合理性和可行性，同時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)操作過程的規(guī)范性和安全性，從而有效考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。在鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力的同時(shí)，有效培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

3.充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建設(shè)的“教、學(xué)、做”于一體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

為了更加合理有效的利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源、調(diào)配師資力量，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的輔助教學(xué)平臺(tái)包括理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容。該平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容信息的概況：包括所涉及的所有項(xiàng)目內(nèi)容、性質(zhì)、學(xué)時(shí)，在線查閱、實(shí)驗(yàn)時(shí)間預(yù)約和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定等功能。通過網(wǎng)絡(luò)化輔助教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可檢索電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)的全部信息，根據(jù)學(xué)科要求在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫中選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間，做好實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)工作，按時(shí)在規(guī)定的地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，提交試驗(yàn)結(jié)果，完成試驗(yàn)考核。教師可利用網(wǎng)絡(luò)化輔助教學(xué)平臺(tái)，有效調(diào)配師資和實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)前一系列準(zhǔn)備工作，高效地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

4.積極開展開放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)建設(shè)

除了演示驗(yàn)證性試驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，積極開展開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室配備基本電子元件和各種測(cè)試工具，積極組織學(xué)生參加各級(jí)高校各類課外科技活動(dòng)和競(jìng)賽（如電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，挑戰(zhàn)杯科技作品比賽、機(jī)器人比賽等）。鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，使學(xué)生能夠利用所學(xué)的知識(shí)，在開放的實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)際任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程能力和解決實(shí)際問題的能力。

四、建立合理的考核機(jī)制

所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目庫，學(xué)生可以在線進(jìn)行選擇，指導(dǎo)教師在網(wǎng)上完成試驗(yàn)內(nèi)容的批閱及考核。不論所是哪一類項(xiàng)目內(nèi)容，只要所選擇完成考核的項(xiàng)目內(nèi)容學(xué)分大于等于實(shí)驗(yàn)大綱所要求的就認(rèn)為完成該課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)于基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)一般為演示驗(yàn)證性試驗(yàn)，可在具體的實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)掛箱進(jìn)行操作，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果和作業(yè)需要上傳至網(wǎng)絡(luò)，便于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行批閱，用于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，一般為虛擬軟件實(shí)現(xiàn)或軟硬件結(jié)合進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這種實(shí)驗(yàn)建立系統(tǒng)模型，生成可執(zhí)行文件，上傳校園服務(wù)器。學(xué)生可以通過下載服務(wù)器上的可執(zhí)行文件、運(yùn)行程序、觀看系統(tǒng)模型的運(yùn)行過程以及手動(dòng)自己調(diào)節(jié)更好地理解。這樣，學(xué)生就可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室在宿舍里做虛擬實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和本課程的綜合實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)將不再受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。

結(jié)語

高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)長久以來以硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備易老化，教師的管理工作量大。為此本文以工程專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為據(jù)，工學(xué)結(jié)合為主，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，豐富試驗(yàn)教學(xué)手段，從內(nèi)容體系上對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有層次的區(qū)分：將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)三種體系。從教學(xué)手段上，充分利用現(xiàn)有的軟硬件資源，跟隨時(shí)代的腳步，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)平臺(tái)，減少了教師的管理工作量，且更新維護(hù)較為方便；通過鼓勵(lì)學(xué)生參加各種比賽進(jìn)行開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建立，綜合對(duì)電氣專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化改革。實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作服務(wù)于應(yīng)用技術(shù)型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，為此我院加大實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式改革，通過“引進(jìn)來、送出去”的方式促進(jìn)學(xué)產(chǎn)研協(xié)同發(fā)展，為應(yīng)用型人才培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提高。