基于學(xué)科競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革
——以浙江水利水電學(xué)院電氣學(xué)院為例

吳琦燦，許海鶯

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

學(xué)科競(jìng)賽是在緊密結(jié)合課堂教學(xué)或新技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以競(jìng)賽的方法培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)完成競(jìng)賽任務(wù)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)及研究的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)的系列化活動(dòng)[1-2]，為培養(yǎng)“上手快、后勁足”的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，對(duì)建設(shè)應(yīng)用型本科院校具有十分重要的意義.

浙江水利水電學(xué)院電氣工程學(xué)院(浙水院電氣學(xué)院)電氣類學(xué)生主要參加的學(xué)科競(jìng)賽有大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、大學(xué)生新苗人才計(jì)劃等.學(xué)科競(jìng)賽的內(nèi)容既有理論分析與設(shè)計(jì)，又有實(shí)際制作與調(diào)試，所涉及的知識(shí)點(diǎn)包括基礎(chǔ)的模擬電路、數(shù)字電路和單片機(jī)應(yīng)用以及專業(yè)的電力電子、PLC、傳感器、測(cè)量、控制、通信等技術(shù)[3]，更是具有強(qiáng)實(shí)用性、強(qiáng)綜合性、強(qiáng)靈活性等特點(diǎn).以浙水院電氣學(xué)院為例，結(jié)合多年指導(dǎo)學(xué)科競(jìng)賽和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)歷和感悟，分析目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)提開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽融合重構(gòu)、進(jìn)行SWH-CDIO-E教學(xué)實(shí)踐、建設(shè)項(xiàng)目制課程、構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新思維能力和學(xué)科競(jìng)賽等方面取得了可喜的成績(jī).

1 存在的問(wèn)題

(1)學(xué)科競(jìng)賽指導(dǎo)教師數(shù)量少而且專業(yè)背景單一.浙江水利水電學(xué)院作為新升的本科院校，指導(dǎo)教師在各類學(xué)科競(jìng)賽中至關(guān)重要.但長(zhǎng)久以來(lái)指導(dǎo)教師隊(duì)伍一直得不到發(fā)展，數(shù)量少且專業(yè)背景單一，如指導(dǎo)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題方向大致為電源類、自動(dòng)控制類、測(cè)量及儀表類等3類賽題，使得浙江水利水電學(xué)院在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中處于相對(duì)困難時(shí)期.在諸如“西門子”杯中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽、“華為杯”中國(guó)大學(xué)生智能設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)國(guó)際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽等賽事中一直“留有空白”.

(2)課堂教學(xué)內(nèi)容與工程新技術(shù)應(yīng)用脫節(jié).教材及課堂教學(xué)內(nèi)容往往滯后于市場(chǎng)的發(fā)展，如單片機(jī)課堂教學(xué)內(nèi)容還停留在20多年前的89C51系列，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)接觸廣泛應(yīng)用于實(shí)際的STM32、MSP430等系列單片機(jī)，所學(xué)知識(shí)和工程實(shí)踐還有“溝壑”.

(3)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和方法，不適應(yīng)“上手快、后勁足”人才培養(yǎng)的需求.在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程一般是測(cè)量幾組數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算查看與理論相符合的程度并進(jìn)行誤差分析、原理驗(yàn)證，存在創(chuàng)新性不足；理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，學(xué)生理論知識(shí)一但不扎實(shí)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)就跟不上，實(shí)驗(yàn)效果“大打折扣”；學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性、積極性不高；與學(xué)科競(jìng)賽相比較，實(shí)驗(yàn)教學(xué)從內(nèi)容設(shè)計(jì)、方式方法上，更是“大相近庭”.

(4)學(xué)生專業(yè)綜合能力不足.具體表現(xiàn)為：基本儀器儀表(示波器、萬(wàn)用表、信號(hào)源等)的操作不熟練[4]；元器件焊接、電路布局、走線等不規(guī)范不美觀；單片機(jī)編程、電路仿真、PCB制作等一知半解；硬件和軟件調(diào)試缺乏經(jīng)驗(yàn)；團(tuán)隊(duì)協(xié)作、文檔編輯、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力更需加強(qiáng).

2 改革的舉措

2.1 基于SWH-CDIO-E人才培養(yǎng)模式，開(kāi)展CDIO教學(xué)

SWH-CDIO-E是將“水文化”特色與國(guó)際先進(jìn)的CDIO工程教育模式相結(jié)合，并借鑒OBE理念，創(chuàng)新提出的一種人才培養(yǎng)模式[2].浙水院電氣學(xué)院提出“一主、兩合、四能、五化”電氣專業(yè)群人才培養(yǎng)模式，即：以強(qiáng)電為主，強(qiáng)弱電結(jié)合，搭建職業(yè)核心能力平臺(tái)、工程基礎(chǔ)能力平臺(tái)、專業(yè)基本能力平臺(tái)、專業(yè)綜合能力平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)能力素質(zhì)一體化、軟硬能力并重化、創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)放化、學(xué)科競(jìng)賽普及化、項(xiàng)目制教學(xué)落地化.對(duì)2017屆畢業(yè)生開(kāi)展全程能力認(rèn)證測(cè)評(píng)和CVCC認(rèn)證工作，獲證率分別為50.7%、92.9%，獲多家新聞媒體關(guān)注和報(bào)道，形成了一定的專業(yè)特色，積累了豐富的改革經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)成果(見(jiàn)表1).

表1 浙水院電氣學(xué)院近年來(lái)開(kāi)展CDIO教學(xué)取得的成果

2.2 基于SWH-CDIO-E人才培養(yǎng)模式，建立開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室

學(xué)科競(jìng)賽是第二課堂的范疇，是第一課堂的有益補(bǔ)充.區(qū)別與第一課堂固定時(shí)間、固定地點(diǎn)的、一對(duì)多等學(xué)習(xí)方式，指導(dǎo)教師和學(xué)生團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行資料查詢、方案論證、模擬運(yùn)行、安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，在時(shí)間和空間上提出了特殊的要求.因此基于CDIO建設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，具有以學(xué)生為中心，方便教師教、學(xué)生學(xué)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放使用、實(shí)時(shí)管理和教學(xué)互動(dòng)等功能，顯得尤為重要.浙水院電氣學(xué)院CDIO創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室有CD室、CDI室、DI和IO室等4個(gè)實(shí)驗(yàn)室，基于開(kāi)放化管理平臺(tái)，讓學(xué)生社團(tuán)、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和學(xué)生個(gè)人申請(qǐng)入駐，并承辦各級(jí)各類學(xué)科競(jìng)賽.2017年入駐學(xué)生社團(tuán)4個(gè)，入駐項(xiàng)目7個(gè)、承辦各類比賽3項(xiàng)，入駐團(tuán)隊(duì)96組，進(jìn)行社團(tuán)活動(dòng)、舉辦培訓(xùn)涉及學(xué)生1 000余人次(見(jiàn)表2,表3).

表2 電氣工程CDIO創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室入駐學(xué)生社團(tuán)情況

表3 電氣工程CDIO創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室入駐項(xiàng)目情況

2.3 構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

在實(shí)施SWH-CDIO-E教學(xué)過(guò)程中，隨著教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)“項(xiàng)目化”、學(xué)科競(jìng)賽普及化、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放化的不斷推進(jìn)，學(xué)生已不再滿足課堂內(nèi)、規(guī)定學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始追求結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽的綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[5]，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容向項(xiàng)目制課程、學(xué)科競(jìng)賽延伸拓展，融合重構(gòu)，構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是關(guān)鍵，采用更靈活、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法是重要手段.

(1)浙水院電氣學(xué)院開(kāi)設(shè)的《電氣控制與PLC》課程為校項(xiàng)目制課程，課程實(shí)踐內(nèi)容涵蓋課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)(以項(xiàng)目制開(kāi)展)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)兩大模塊，主要分3個(gè)層次遞進(jìn)，13個(gè)子項(xiàng)目開(kāi)展，分別為PLC基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)——夯實(shí)基本知識(shí)，PLC綜合性實(shí)驗(yàn)——培養(yǎng)舉一反三的能力，PLC設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——點(diǎn)面結(jié)合，應(yīng)用型人才綜合能力的培養(yǎng)(見(jiàn)圖1).浙水院2016年、2017年報(bào)名參加校PLC競(jìng)賽人數(shù)分別為42人、90人，劇增114%.

圖1 電氣控制與PLC課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

(2)傳感器類課程是高校自動(dòng)控制、電子信息、檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)的必修課，與大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽、PLC競(jìng)賽等息息相關(guān).長(zhǎng)期以來(lái)傳感器技術(shù)相關(guān)課程以課堂教學(xué)為主，講解傳感器工作原理和典型應(yīng)用，并開(kāi)設(shè)了少量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表4)，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性、積極性不高，實(shí)驗(yàn)效果不佳.

表4 傳感器類課程美驗(yàn)開(kāi)設(shè)情況

在此基礎(chǔ)上，提出把傳感器課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容向?qū)W科競(jìng)賽進(jìn)行延伸、融合重構(gòu)(見(jiàn)圖2).實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從提出產(chǎn)品方案到制作完成的實(shí)踐過(guò)程更貼近工程實(shí)際，更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、分析解決實(shí)際問(wèn)題能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的提高(見(jiàn)圖3).

圖2 改進(jìn)后傳感器類課程實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)情況

圖3 傳感器類課程實(shí)驗(yàn)改革前后分析對(duì)比圖

2.4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

指導(dǎo)教師參與學(xué)科競(jìng)賽的指導(dǎo)，本身就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的延伸.同時(shí)，與學(xué)生進(jìn)行任務(wù)布置、方案討論、進(jìn)度規(guī)劃、設(shè)備選型、編程指導(dǎo)、論文纂寫等內(nèi)容豐富的教學(xué)互動(dòng)；有啟發(fā)式、有開(kāi)放式、有一對(duì)一、有一對(duì)多、有老手與新手等表現(xiàn)形式多樣的教學(xué)方式；我們認(rèn)為這是“翻轉(zhuǎn)課堂”式實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，以學(xué)生為中心，基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)和學(xué)科競(jìng)賽的獨(dú)有特點(diǎn)進(jìn)行融合重構(gòu)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，吸引學(xué)生、拉動(dòng)學(xué)生，進(jìn)行互動(dòng)，完成教學(xué)目的.

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果

浙水院電氣學(xué)院把實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽融合重構(gòu)，進(jìn)行SWH-CDIO-E教學(xué)實(shí)踐、建設(shè)項(xiàng)目制課程、構(gòu)建遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以PLC類、傳感器類實(shí)驗(yàn)課程為試點(diǎn)，基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)和學(xué)科競(jìng)賽獨(dú)有特點(diǎn)進(jìn)行銜接，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法.經(jīng)過(guò)學(xué)校、學(xué)院、教師及學(xué)生的共同努力，在學(xué)科競(jìng)賽、教學(xué)改革(表1)等方面取得了可喜的成果.2016年在浙江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)5項(xiàng)；在全國(guó)“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽中獲三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；第二屆浙江省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲1項(xiàng)銀獎(jiǎng).2017年在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)4項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)2項(xiàng)，省級(jí)2項(xiàng)；浙江省大學(xué)生新苗人才計(jì)劃立項(xiàng)2項(xiàng)；學(xué)生以第一作者發(fā)表論文1篇；學(xué)生以第一完成人獲實(shí)用新型專利4項(xiàng).

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以浙水院電氣學(xué)院為例，分析了我國(guó)高校在學(xué)科競(jìng)賽、實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中存在的問(wèn)題.把實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽融合重構(gòu)、進(jìn)行SWH-CDIO-E教學(xué)實(shí)踐、建設(shè)項(xiàng)目制課程、構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以PLC類、傳感器類實(shí)驗(yàn)課程為試點(diǎn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法.經(jīng)過(guò)幾年的具體實(shí)施，浙水院電氣學(xué)院在學(xué)科競(jìng)賽和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革上可圈可點(diǎn).今后我們將推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作，爭(zhēng)取在學(xué)科競(jìng)賽中取得更好的成績(jī)，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀電氣工程師.