高等學(xué)校工程專業(yè)實驗教學(xué)的設(shè)計與實施

殷瑞祥, 呂念玲, 賴麗娟, 李 磊, 李 斌

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣州 510640)

0 引 言

工程教育是我國高等教育的主要組成部分，2003年我國開始試行工程教育專業(yè)認(rèn)證并于2016年6月正式加入國際工程教育認(rèn)證組織——華盛頓協(xié)議[1]，確定了以學(xué)生能力成長為宗旨的工程教育目標(biāo)，明晰了12項工程專業(yè)教育畢業(yè)達(dá)成指標(biāo)[2-4]。實驗與實踐教學(xué)是工程教育中不可或缺的重要教育教學(xué)環(huán)節(jié)，新工科建設(shè)則對人才工程能力的培養(yǎng)提出了更高的要求[5]，因此，科學(xué)有效地實施實驗教學(xué)是保障工程專業(yè)人才培養(yǎng)畢業(yè)達(dá)成的一項關(guān)鍵任務(wù)。

然而，高校工程專業(yè)實驗教學(xué)的設(shè)計和實施與學(xué)生能力成長的關(guān)聯(lián)性和匹配性問題一直沒有得到很好的解決，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1) 實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的科學(xué)性。一直以來，高校實驗教學(xué)基本是由經(jīng)驗豐富的教師和工程師根據(jù)自身或他人的經(jīng)驗來規(guī)劃設(shè)計，由于經(jīng)驗的局限性，實際的教學(xué)效果存在諸多不確定性，對于學(xué)生能力成長的達(dá)成貢獻(xiàn)往往具有一定的模糊性，不能從根本上確保實驗教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性。

(2) 實驗教學(xué)實施過程的有效性。實驗教學(xué)的目標(biāo)是通過成熟內(nèi)容訓(xùn)練學(xué)生的能力，因此，實驗的過程比實驗的結(jié)果更加重要。但實驗教學(xué)中結(jié)果檢測往往比過程檢測容易，造成了現(xiàn)實教學(xué)中重結(jié)果輕過程的現(xiàn)狀，使得實驗教學(xué)常常走過場、效率低。

要解決高校工程專業(yè)實驗教學(xué)的科學(xué)性和有效性問題，首先必須明確實驗教學(xué)的內(nèi)涵，以及實驗教學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成之間的關(guān)系，找出實驗教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)內(nèi)涵之間的關(guān)聯(lián)，科學(xué)地設(shè)計實驗內(nèi)容，并在教學(xué)過程中切實地實施監(jiān)控。

1 實驗教學(xué)的內(nèi)涵

實驗教學(xué)是工程專業(yè)服務(wù)于人才培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)，形式上是一個整體、流水線和多階段的綜合教學(xué)過程，每個階段緊密相聯(lián)，因此，科學(xué)整體規(guī)劃是決定實驗教學(xué)效果的重要因素[6-9]。實驗教學(xué)規(guī)劃設(shè)計的前提是明確教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生能力成長需求的匹配，因此，以工程背景深厚的電子信息學(xué)科為研究對象，開展國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)用人單位對人才能力需求和畢業(yè)生自身工作體會的調(diào)查，調(diào)查樣本結(jié)構(gòu)見表1。

表1 調(diào)查樣本結(jié)構(gòu)表

在2006年的調(diào)查中，我們通過對電子信息產(chǎn)業(yè)相關(guān)企事業(yè)單位發(fā)放“用人單位對畢業(yè)生能力內(nèi)涵指標(biāo)調(diào)查表”和對畢業(yè)5年以上仍工作在技術(shù)一線的畢業(yè)生發(fā)放“學(xué)校實驗教學(xué)中能力內(nèi)涵調(diào)查表”的方式展開信息收集，對收集到的反饋信息，會同產(chǎn)業(yè)界的企業(yè)家和工程師進(jìn)行深入研討，分解出實驗教學(xué)的10項目標(biāo)內(nèi)涵。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步就10項目標(biāo)內(nèi)涵對處理復(fù)雜工程問題能力的貢獻(xiàn)率問題，發(fā)放實驗教學(xué)目標(biāo)內(nèi)涵指標(biāo)對處理復(fù)雜工程問題的貢獻(xiàn)率調(diào)查表，經(jīng)過數(shù)據(jù)歸納和統(tǒng)計得出各項內(nèi)涵對學(xué)生畢業(yè)后5年處理復(fù)雜工程問題能力的貢獻(xiàn)率，如圖1所示。

圖1 實驗內(nèi)涵對5年后處理復(fù)雜工程問題能力的

2 實驗教學(xué)與畢業(yè)達(dá)成的映射

實際教學(xué)過程中，實驗教學(xué)是由各個實驗課程承擔(dān)，而每門課程又有多個實驗項目，為了將能力需求與實際實驗教學(xué)相對應(yīng)，并最終以此作為指導(dǎo)進(jìn)行實驗教學(xué)設(shè)計，基于實驗教學(xué)內(nèi)涵分解，建立各項內(nèi)涵與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了實驗課程與畢業(yè)達(dá)成之間的網(wǎng)絡(luò)映射模型，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反向傳播和調(diào)整原理，在多次閉環(huán)調(diào)整后，可趨近于模型參數(shù)的最佳調(diào)整結(jié)果[10]。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)圖2，該網(wǎng)絡(luò)映射模型建立了各門實驗課程在工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)之間的量化聯(lián)系，為工程專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量認(rèn)證提供支撐。

3 工程專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容的量化設(shè)計模型[11-12]

在完成實驗教學(xué)內(nèi)涵指標(biāo)與學(xué)生能力成長的12項畢業(yè)達(dá)成指標(biāo)之間的映射基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對實驗課程中各實驗項目內(nèi)容進(jìn)行了量化建模，并構(gòu)造量化設(shè)計模型，主要過程如下：① 根據(jù)實驗課程學(xué)時安排，定義了3類(層次)實驗項目。② 從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，對每個實驗項目的教學(xué)內(nèi)涵給出預(yù)期要求。③ 利用能力貢獻(xiàn)率Rn%和教學(xué)內(nèi)涵預(yù)期要求，建立實驗項目類別的量化模型。④ 結(jié)合實驗項目層次權(quán)重，建立實驗課程性質(zhì)(類別)的量化模型。

以“模擬電子技術(shù)實驗”為例，各個實驗項目設(shè)計的具體過程如下：

(1) 根據(jù)培養(yǎng)方案，確定課程定位和實驗項目預(yù)分類。模擬電子技術(shù)實驗課在信息工程和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案中均屬于核心實驗課程，課程定位系數(shù)W為2；培養(yǎng)方案要求20學(xué)時，擬設(shè)置5個實驗項目，根據(jù)實驗課程學(xué)時安排的不同，將這5個實驗項目進(jìn)行預(yù)分類(類別以P代表)，包括基礎(chǔ)實驗、設(shè)計實驗和綜合實驗，分別對應(yīng)1,2及3的權(quán)重值。

圖2 實驗課程、內(nèi)涵與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)映射模型

(2) 建立實驗內(nèi)涵與實驗層次分析表，設(shè)置實驗項目與各內(nèi)涵的關(guān)聯(lián)度。將5個實驗項目的預(yù)分類類別標(biāo)注在表2最后1列。再根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，對各實驗項目制定預(yù)期的10項內(nèi)涵分解系數(shù)knj，如表中陰影部分各行所示，每個實驗項目的內(nèi)涵分解系數(shù)和為100%。

表2 《模擬電子技術(shù)實驗》實驗內(nèi)涵分解與實驗類別分析表(kij%)

(3) 確定實驗項目性質(zhì)。針對各實驗項目制定預(yù)期的10項內(nèi)涵分解系數(shù)knj，結(jié)合實驗內(nèi)涵對學(xué)生能力成長貢獻(xiàn)率Rn，確定各實驗項目類別權(quán)重系數(shù)(基本實驗權(quán)重為1，設(shè)計性實驗權(quán)重為2，綜合性實驗權(quán)重為3)：

(1)

j=1，2，…，N

式中，N為實驗項目數(shù)。

以基本放大電路實驗項目為例，其權(quán)重系數(shù)計算如下：

所以P1=1，依次算出權(quán)重系數(shù)：

實際計算出的5個實驗項目類別權(quán)重值Pj與預(yù)分類定位一致，表明該實驗項目制定的預(yù)期內(nèi)涵分解系數(shù)knj設(shè)置滿足教學(xué)目標(biāo)的要求。

(4) 確定實驗課程性質(zhì)。在確定了各實驗項目類別后，利用實驗項目類別權(quán)重系數(shù)，統(tǒng)計整門實驗課程在10個實驗內(nèi)涵的分解系數(shù)：

(2)

n=1,2,…，10

以K1的計算過程為例

依次算出的K2～K10見表2課程綜合統(tǒng)計的最末1行。

最后，根據(jù)表2最末1行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定實驗課程的定位系數(shù)(基礎(chǔ)實驗課程W=1，核心實驗課程W=2，關(guān)鍵實驗課程W=3)：

(3)

本例中

對照式(3)確定課程定位系數(shù)W=2，與培養(yǎng)計劃要求的課程定位相一致。

當(dāng)課程定位系數(shù)不符合培養(yǎng)方案的要求時，說明實驗項目預(yù)期設(shè)置不合理，應(yīng)根據(jù)要求的系數(shù)范圍，利用反向調(diào)整并修改實驗項目設(shè)計，最終匹配培養(yǎng)方案對實驗課程的定位要求。

(5) 內(nèi)容載體的選擇和實驗方案設(shè)計。在確定預(yù)期的實驗內(nèi)涵分解系數(shù)knj滿足教學(xué)目標(biāo)，確定實驗課程性質(zhì)滿足教學(xué)計劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論課教學(xué)，選擇與實驗內(nèi)涵C1～C1010項指標(biāo)相匹配的實驗內(nèi)容載體并制定實驗方案，落實實驗教學(xué)過程中的各項觀測點。圖3以模擬電子技術(shù)單元實驗—兩級放大電路設(shè)計實驗項目為例，列舉該實驗內(nèi)容和實驗方案與實驗內(nèi)涵指標(biāo)的具體對應(yīng)關(guān)系。

綜上所述，實驗課程的設(shè)計過程包括了：設(shè)定實驗課程的預(yù)設(shè)目標(biāo)；分解各實驗項目的設(shè)定；將目標(biāo)量化落實到具體的內(nèi)涵；利用量化模型，檢驗實驗內(nèi)容設(shè)計的合理性，形成閉環(huán)修改的設(shè)計流程，如圖4所示。

圖3 實驗內(nèi)容和實驗方案與實驗內(nèi)涵的對應(yīng)關(guān)系舉例

圖4 實驗設(shè)計的閉環(huán)設(shè)計流程

4 實驗教學(xué)的過程控制[13-15]

(1) 將一次考試方式轉(zhuǎn)化為實驗項目考評。將實驗課程一次考試分解為多項目全過程全面評價，細(xì)化了教學(xué)過程，使每個實驗項目具備明確的評價標(biāo)準(zhǔn)，提高整體的教學(xué)效果。

(2) 按各實驗項目設(shè)計的預(yù)期內(nèi)涵目標(biāo)制定考核評價標(biāo)準(zhǔn)，注重過程考評。根據(jù)實驗項目的設(shè)計，制定基于內(nèi)涵指標(biāo)的考核評價體系，對每項實驗實行全過程評價考核。表3給出“模擬電子技術(shù)實驗”兩級放大電路項目的評價內(nèi)容與觀測點。

(3) 利用實驗在線共享平臺，嚴(yán)控實驗預(yù)習(xí)與過程認(rèn)證兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效解決實驗過程管理中身份認(rèn)證和能力認(rèn)證的難題。開發(fā)了電類實驗室電源智能管理系統(tǒng)，通過實驗臺工作啟動與預(yù)習(xí)達(dá)標(biāo)的方式推動學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，從源頭上保證實驗的教學(xué)質(zhì)量；同時結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制了“實驗在線共享平臺”，該平臺具備學(xué)生刷臉登陸、實驗現(xiàn)場關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)上傳、錯誤提醒、實驗成績自動評價、學(xué)情信息統(tǒng)計分析以及學(xué)生個性實驗方案定制等功能；并且還具備對實驗教學(xué)實施狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集功能，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)反饋調(diào)整機(jī)制，從而保證實驗教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。

表3 兩級放大電路設(shè)計實驗項目評價表

5 結(jié) 語

以教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生能力成長需求的匹配為導(dǎo)向，在實驗教學(xué)的內(nèi)涵分解基礎(chǔ)上提出了一套實驗教學(xué)內(nèi)容的閉環(huán)量化設(shè)計方法，從2010年在“電路實驗”課等實驗課程中開展了教學(xué)改革的試行，共347名學(xué)生參與改革的實驗課；至2014年，對全部32門專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)實驗課完成實驗設(shè)計，先后8屆4500多名本科學(xué)生參與了改革的實驗教學(xué)。教學(xué)改革成果表明，該教學(xué)改革方法使得學(xué)生參與實驗學(xué)習(xí)的興趣得到提高，激發(fā)了學(xué)生參與實驗的積極性，實踐能力得到顯著提升，實驗教學(xué)效果明顯改善；且對其他工程專業(yè)實驗教學(xué)有著較好的可移植性，具有較好的參考價值。