消防專業(yè)“電工與電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革研究

薛彩姣，朱紅偉，唐寶華，劉曉彬，劉曉軍，趙 虹

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

高層建筑、地下工程、石油化工企業(yè)、公眾聚集場(chǎng)所與日俱增。油品、燃?xì)狻⒍練庑孤┍?，隧道、地鐵坍塌等災(zāi)害隱患不斷增加。突發(fā)性強(qiáng)、處置過(guò)程復(fù)雜、危害巨大、防治困難的大型災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1]。社會(huì)發(fā)展所需要的消防專業(yè)人才素質(zhì)在變化，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的要求在不斷提高，消防專業(yè)“電工與電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系也必須不斷進(jìn)行改革和完善。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的具體內(nèi)容

針對(duì)目前學(xué)院消防專業(yè)“電工與電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題[2]，重點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的“實(shí)”——即教學(xué)內(nèi)容要充實(shí)、綜合和實(shí)際;實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的“活”——即教學(xué)模式要靈活、多樣、高效;實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)的“準(zhǔn)”——即教學(xué)評(píng)價(jià)要客觀、合理、準(zhǔn)確，三個(gè)方面構(gòu)建起以能力培養(yǎng)為主線，多層次、模塊化[3]的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革與設(shè)計(jì)

提高學(xué)生的第一任職能力是消防專業(yè)“電工與電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本需求。分析和總結(jié)學(xué)生的第一任職能力，并由此映射出相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，是構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的關(guān)鍵和邏輯起點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注意 “緊貼專業(yè)實(shí)際”，反映部隊(duì)建設(shè)的新成果、新裝備，反映該學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)和前沿科學(xué)理論與技術(shù)。利用溫度、氧氣、煙霧、二氧化碳、有毒氣體、紅外探測(cè)、六軸加速度、大氣壓力、生理等傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能有效地解決消防員在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)面臨的人身安全、數(shù)據(jù)信息采集不足等問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)中增加火災(zāi)探測(cè)電路、復(fù)合式火災(zāi)報(bào)警電路、消防聯(lián)動(dòng)控制電路、建筑照明電路、應(yīng)急照明電路、對(duì)講機(jī)電路、充電器電路、信號(hào)源電路等。增加了傳感器展板、傳感器實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、虛擬儀器、智能家居實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、RFID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、電路板制作系統(tǒng)、3D打印機(jī)等儀器設(shè)備。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力自主選題。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解其應(yīng)用，并根據(jù)專業(yè)需求進(jìn)行改進(jìn)，以增加學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限的情況，采用實(shí)驗(yàn)室和宿舍結(jié)合的方式，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式方面進(jìn)行改革。充分發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并使它們的優(yōu)勢(shì)得到互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生多維度自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的層次。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式如圖1所示，可分為仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)、軟硬結(jié)合實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程軟硬件共享實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式示意圖

1.2.1 仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生用Multisim、QuartusII仿真軟件熟悉信號(hào)源、萬(wàn)用表、示波器、毫伏表等儀器儀表的使用，進(jìn)行電路創(chuàng)建及信號(hào)仿真。電路仿真能輔助理解理論知識(shí)，出現(xiàn)問(wèn)題并分析解決問(wèn)題的過(guò)程有助于融會(huì)貫通各章節(jié)內(nèi)容，提高課堂效率，減少儀器損壞率，降低成本。

1.2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托而建立的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種全新的教學(xué)模式。

依托校園網(wǎng)服務(wù)器，在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上安裝了 “維修電工實(shí)訓(xùn)室”、“電子技能虛擬實(shí)訓(xùn)室”軟件客戶端。讓學(xué)生利用開放時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，接觸焊接、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線處理、收音機(jī)實(shí)訓(xùn)等常用電工與電子實(shí)用技術(shù)，給學(xué)生直觀的印象。

1.2.3 硬件實(shí)驗(yàn)

在“模擬電路實(shí)驗(yàn)箱”、“電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)”上實(shí)際連接電路前，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路，利用仿真軟件調(diào)整元器件參數(shù)到理想狀態(tài)，并通過(guò)微課視頻熟悉硬件操作。由于仿真電路與實(shí)際電路元器件標(biāo)稱值存在一定的誤差，所以實(shí)際電路還需要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

1.2.4 軟硬結(jié)合實(shí)驗(yàn)

軟硬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的硬件和軟件是相通的，有些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路必須通過(guò)軟件寫入硬件里，有些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象必須通過(guò)軟件顯示出來(lái)。學(xué)生在操作電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件QuartusII、單片機(jī)軟件Keil、電路板制作軟件Altium Designer、3D打印機(jī)軟件3D Max、虛擬儀器軟件Labview、物聯(lián)網(wǎng)各種軟件的基礎(chǔ)上，將程序通過(guò)電腦的USB口下載到硬件里，進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，觀察硬件電路的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)軟硬結(jié)合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以接觸到電子行業(yè)發(fā)展的新技術(shù)，為科技創(chuàng)新提供技術(shù)支持。

1.2.5 遠(yuǎn)程軟硬件共享實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在宿舍通過(guò)客戶端遠(yuǎn)程訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器軟件進(jìn)行“遠(yuǎn)程軟硬件共享實(shí)驗(yàn)”[1]。通過(guò)服務(wù)器上的軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，或者輸入自己的電路進(jìn)行仿真，再下載到與服務(wù)器相連的硬件里，進(jìn)行可編程器件的操作。通過(guò)與服務(wù)器相連的攝像頭觀看硬件的發(fā)光效果，通過(guò)話筒采集硬件的發(fā)聲效果?！斑h(yuǎn)程軟硬件共享實(shí)驗(yàn)”能滿足學(xué)生除“硬件實(shí)驗(yàn)”之外的所有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。學(xué)生可在課前、課后根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行交互式和擴(kuò)展性學(xué)習(xí)，這種方式使學(xué)生可以有個(gè)性地“先行”。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)的改革與設(shè)計(jì)

以考核形式多樣化，評(píng)價(jià)要素多元化，考核內(nèi)容能力化，考核過(guò)程全程化為目標(biāo)，探索新的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法[4]，建立注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，有利于提高學(xué)生操作技能和搜集資料撰寫報(bào)告或論文的評(píng)價(jià)體系。一是針對(duì)原來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系基本一樣，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)太籠統(tǒng)的問(wèn)題，新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，制定出不同標(biāo)準(zhǔn)，修改了評(píng)價(jià)內(nèi)容及比例。二是針對(duì)消防指揮員到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)第一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是斷電，工作結(jié)束需要整理器材，及時(shí)保養(yǎng)器材，把關(guān)閉儀器、切斷電源，整理好實(shí)驗(yàn)設(shè)備列入了考查范圍。三是針對(duì)操作比例過(guò)低，學(xué)生應(yīng)付報(bào)告的情況，提高操作比例，增加實(shí)操考核。提高操作比例能激勵(lì)學(xué)生重視操作，認(rèn)真對(duì)待每一次實(shí)驗(yàn)，有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平。實(shí)操考核以實(shí)驗(yàn)基本操作技能為主，由學(xué)生選取做過(guò)的或新實(shí)驗(yàn)考查實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，讓學(xué)生邊操作邊講解，教師針對(duì)操作或數(shù)據(jù)記錄中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行提問(wèn)。四是針對(duì)鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新的需求，提高了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的比例。另外，仿真出與消防專業(yè)相結(jié)合或者實(shí)用性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)電路，或者自行焊接了電路板，都作為實(shí)驗(yàn)操作的加分項(xiàng)。

綜上所述，除了檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)的速度和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告或論文的質(zhì)量，更加重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)態(tài)度，設(shè)計(jì)電路新方案、發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象新的角度、方法，以及良好實(shí)驗(yàn)室工作習(xí)慣和作風(fēng)等。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)施過(guò)程如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的授課方式不同可以分為實(shí)踐技能選修、課程實(shí)驗(yàn)和開放實(shí)驗(yàn)。實(shí)施的基本思路是學(xué)生課前通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范、預(yù)習(xí)要求、軟件操作微課(含案例)、儀器操作微課等資料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)仿真；學(xué)生與教師之間利用微信進(jìn)行學(xué)習(xí)交流，教師有充足的時(shí)間和精力及時(shí)發(fā)現(xiàn)并啟迪和幫助學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題；課上采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況進(jìn)行提問(wèn)，講解共性問(wèn)題。每個(gè)學(xué)生都可以根據(jù)自己的情況確定學(xué)習(xí)進(jìn)度，從而實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)進(jìn)度的個(gè)性化，有利于分層化教學(xué)和應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才的層次化培養(yǎng)[5]，保證了每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系實(shí)施過(guò)程圖

2.1 實(shí)踐技能選修

實(shí)踐技能選修訓(xùn)練內(nèi)容包括Multisim的基本界面與操作方法、Multisim的電路創(chuàng)建基礎(chǔ)、Multisim的儀器儀表使用、Multisim的電路分析方法。該課程以學(xué)生自己訓(xùn)練為主，教師輔導(dǎo)為輔，訓(xùn)練方法主要采取案例引導(dǎo)、教師示范、分解練習(xí)、總體調(diào)試等方法。

2.2 課程實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范修改時(shí)，刪除驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性實(shí)驗(yàn)。按照練為戰(zhàn)的理念，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)都屬于練，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)屬于戰(zhàn)的范疇。增加了練的內(nèi)容，提高了練的水平。

2.2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改成利用仿真軟件進(jìn)行自學(xué)。為了提高自學(xué)效果，根據(jù)電工與電子技術(shù)課程教材具體章節(jié)內(nèi)容，建立教學(xué)案例庫(kù)[6]，讓學(xué)生自學(xué)。實(shí)驗(yàn)室的器材和實(shí)驗(yàn)室開放的時(shí)間是有限的，利用學(xué)生自己的電腦安裝軟件進(jìn)行仿真是無(wú)限的。

2.2.2 綜合性實(shí)驗(yàn)

在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)對(duì)講機(jī)接收設(shè)備天線諧振電路的基礎(chǔ)上，增加與專業(yè)結(jié)合緊密的綜合性實(shí)驗(yàn)“火災(zāi)探測(cè)電路”，學(xué)生選用消防專業(yè)常用的傳感器采集災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行放大、和閾值比較、進(jìn)行報(bào)警。

該實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容包括傳感器數(shù)據(jù)采集電路、模擬運(yùn)算電路、電壓比較器、報(bào)警指示或動(dòng)作電路。提高性內(nèi)容主要是實(shí)驗(yàn)方案：傳感器數(shù)據(jù)采集電路的接法不指定；傳感器的類型和參數(shù)不指定；模擬運(yùn)算采用同相放大電路或者反相放大電路均可放大傳感器接收到的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)；采用減法運(yùn)算電路采集金屬板上和塑料殼里的兩路溫度傳感器的差值，進(jìn)行放大，可以減少季節(jié)性的溫度變化對(duì)靈敏度的影響；電壓比較器同相端或者反相端接預(yù)置電壓均可；報(bào)警指示器件例如二極管正接或者反接均可。拓展性內(nèi)容主要是傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到特定值后或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等其他裝置動(dòng)作。多種方案能幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，梳理各知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。

2.2.3 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括復(fù)合式火災(zāi)報(bào)警器控制電路的設(shè)計(jì)、消防聯(lián)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)等。由學(xué)生根據(jù)自己的興趣和愛(ài)好自由選題，課前提交設(shè)計(jì)方案，教師批改，修改無(wú)誤后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室操作，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.3 開放實(shí)驗(yàn)

充分利用已有的軟硬件條件，全面實(shí)現(xiàn)開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。不僅在時(shí)間上、空間上對(duì)學(xué)生開放，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭矊?duì)學(xué)生開放；不僅對(duì)本專業(yè)的學(xué)生開放，而且對(duì)其他專業(yè)的學(xué)生開放。

2.3.1 學(xué)生自選實(shí)驗(yàn)

教師提交實(shí)驗(yàn)室空閑的時(shí)間、支持實(shí)驗(yàn)的人數(shù)，學(xué)生申請(qǐng)，教師審核通過(guò)之后就可以進(jìn)實(shí)驗(yàn)室了。鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)和專業(yè)結(jié)合緊密的電路，充實(shí)仿真軟件案例庫(kù)，開拓學(xué)生的思維，形成良性循環(huán)。

2.3.2 科技創(chuàng)新

科技創(chuàng)新完全由學(xué)生獨(dú)立或合作完成選題及整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。鼓勵(lì)學(xué)生積極申報(bào)各種科技創(chuàng)新,他們獲得了經(jīng)費(fèi)支持,有了更好的科研條件。面臨各種各樣的問(wèn)題需要解決，按時(shí)結(jié)題的壓力,促使他們把更多的時(shí)間和精力投入到了科技創(chuàng)新中去?？萍紕?chuàng)新充分發(fā)掘?qū)W生的潛能，全面地激發(fā)創(chuàng)新能力，不僅有助于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的啟蒙、養(yǎng)成和提高，同時(shí)還有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、增加學(xué)生的溝通和交流能力[7]。

2.3.3 科研項(xiàng)目

鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，提高學(xué)生的科學(xué)研究能力。將學(xué)科領(lǐng)域最前沿的學(xué)術(shù)成果不斷的充實(shí)到課程體系中，能彌補(bǔ)現(xiàn)有的課程體系與最新研究成果之間的知識(shí)斷層，形成“科研-教學(xué)-科研”這樣的體系。不僅使課堂教學(xué)充滿生機(jī)，而且實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建的科學(xué)合理的“教學(xué)體系”，在學(xué)院所有消防專業(yè)的“電子線路輔助設(shè)計(jì)軟件的使用”實(shí)踐技能選修課實(shí)驗(yàn)、“電工與電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)，和開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中實(shí)施，課堂實(shí)驗(yàn)效率顯著提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯增加。培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)思維、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方法、探究性的實(shí)驗(yàn)意識(shí)，為學(xué)生提供了發(fā)展個(gè)性和施展才能的機(jī)會(huì)。學(xué)生具備了將電工、電子技術(shù)應(yīng)用于本專業(yè)和發(fā)展本專業(yè)的能力，為學(xué)員今后從事相關(guān)消防工作奠定了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。