面向卓越工程師培養(yǎng)的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

李 目 吳笑峰 吳新開 吳亮紅

湖南科技大學(xué)電子與電氣技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 湖南湘潭 411201

中國特色的新型工業(yè)化道路迫切需要培養(yǎng)一大批能夠適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程技術(shù)人才。同時(shí)，為了解決當(dāng)前高校工程教育中存在的工程性和創(chuàng)新性不足的問題，迫切需要加快工程教育改革。在這種大背景下，教育部啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）?！白吭接?jì)劃”是為貫徹落實(shí)《國家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項(xiàng)目，是以實(shí)施卓越計(jì)劃為突破口，促進(jìn)工程教育改革和創(chuàng)新，全面提高我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的重大舉措[1,2]。該計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，增強(qiáng)我國的核心競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

2012年，我校成功入選教育部“卓越計(jì)劃”高校。以此為契機(jī)，學(xué)校以長(zhǎng)株潭“四化兩型社會(huì)”建設(shè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，以實(shí)施卓越計(jì)劃為著力點(diǎn)，促進(jìn)工程教育改革和創(chuàng)新，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量?！白吭接?jì)劃”的核心是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)工程技術(shù)人才，也是我校人才培養(yǎng)過程中不斷探索、改革與實(shí)踐的課題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)中的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。電工電子實(shí)驗(yàn)作為工科非電類專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中一門重要的實(shí)踐課程[4]，對(duì)學(xué)生掌握電類基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)際技能和創(chuàng)新意識(shí)具有重要作用。為了貫徹落實(shí)我?！白吭接?jì)劃”的總體目標(biāo)，從培養(yǎng)卓越工程師人才角度出發(fā)，結(jié)合我校的實(shí)際情況和電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的特點(diǎn)，對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、考核和管理等方面進(jìn)行了改革與實(shí)踐。

1 以專業(yè)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 構(gòu)建因材施教的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“卓越計(jì)劃”實(shí)施之前，我校實(shí)驗(yàn)中心為非電類專業(yè)開設(shè)的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是相同的，沒有體現(xiàn)不同學(xué)科和不同專業(yè)之間的差異性和各自的特點(diǎn)。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)感覺到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與自己的專業(yè)方向沒有關(guān)聯(lián)性，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。針對(duì)這個(gè)問題，在制訂卓越班電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與不同專業(yè)方向和特點(diǎn)緊密結(jié)合，做到不同專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既有共同性又體現(xiàn)其專業(yè)性。例如，我校第一批入選“卓越計(jì)劃”的非電類專業(yè)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化和化學(xué)工程與工藝2個(gè)專業(yè)，對(duì)于電工電子技術(shù)的基礎(chǔ)性和綜合性實(shí)驗(yàn)這2個(gè)專業(yè)都緊扣理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)置相同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)中心與該專業(yè)建立聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制的企業(yè)共同擬定工程實(shí)踐項(xiàng)目，并由實(shí)驗(yàn)教師和企業(yè)技術(shù)人員共同組成聯(lián)合指導(dǎo)教師組，指導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。由于該類型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來自本專業(yè)的相關(guān)實(shí)踐工程，學(xué)生表現(xiàn)出了濃厚的興趣，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

2 采用分層次教學(xué)模式 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法 構(gòu)建“三個(gè)能力”培養(yǎng)體系

“卓越計(jì)劃”強(qiáng)調(diào)具有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才培養(yǎng)，而先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容和科學(xué)的教學(xué)方法是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵。電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改變?cè)小袄蠋熤v，學(xué)生聽”的模式，將教師講授為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主，將單向灌輸為主轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)引導(dǎo)、討論研究為主。突出以學(xué)生為主體，以基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)層、綜合設(shè)計(jì)層、應(yīng)用創(chuàng)新層和工程實(shí)踐層為層次結(jié)構(gòu)的分層教學(xué)模式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)建以學(xué)生實(shí)際操作技能、工程綜合設(shè)計(jì)能力和研究創(chuàng)新能力這“三個(gè)能力”為核心的培養(yǎng)體系。這種層次化的教學(xué)模式，既體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的層次梯度，也遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖1 多層實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式結(jié)構(gòu)圖

（1）基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)教學(xué)層：主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能。通過基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生掌握常用儀器儀表和電子器件的使用、基本電工電子設(shè)備的安裝、調(diào)試及測(cè)試和基本實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法等。該層次教學(xué)注重學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和掌握，為下一層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）綜合設(shè)計(jì)教學(xué)層：主要培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合設(shè)計(jì)能力。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)以綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主。學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)條件制訂實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用自己構(gòu)思的方法和手段完成實(shí)驗(yàn)。本層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師只對(duì)學(xué)生所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)路線進(jìn)行指導(dǎo)，由學(xué)生自主完成，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)主體性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

（3）應(yīng)用創(chuàng)新教學(xué)層：主要培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和研究創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要來源于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科技競(jìng)賽選題。實(shí)驗(yàn)中心定期公布一些引導(dǎo)性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或科技競(jìng)賽選題，教師對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行分析與指導(dǎo)，學(xué)生自主選擇，并通過團(tuán)隊(duì)合作和查閱相關(guān)資料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于這類型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合知識(shí)點(diǎn)多，涉及面廣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。

（4）工程實(shí)踐教學(xué)層：主要培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來源于教師的科研課題和聯(lián)合培養(yǎng)企業(yè)的工程項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有鮮明的工程實(shí)踐背景，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自主完成實(shí)驗(yàn)，能夠有效開闊學(xué)生的知識(shí)視野和拓展知識(shí)結(jié)構(gòu)。由于學(xué)生直接面對(duì)科學(xué)問題和生產(chǎn)實(shí)際，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、處理問題和解決問題的能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新潛能，全面提升學(xué)生的研究創(chuàng)新能力。

3 虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合 革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場(chǎng)地的影響，學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合設(shè)計(jì)能力和研究創(chuàng)新能力都難以提升。為了改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段相融合已成為必然。我校實(shí)驗(yàn)中心在卓越班電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。

其中，虛實(shí)結(jié)合包含2個(gè)層面的含義。一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)中要求學(xué)生采用虛擬軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握仿真軟件的使用，熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論分析結(jié)果。然后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，并將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。二是虛擬教學(xué)與實(shí)際教學(xué)相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心組織制作了電工電子實(shí)驗(yàn)的多媒體實(shí)驗(yàn)課件和實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資源，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，網(wǎng)站還設(shè)立有交流互動(dòng)平臺(tái)，學(xué)生能夠在線與實(shí)驗(yàn)教師交流，及時(shí)解決相關(guān)疑問。另外，實(shí)驗(yàn)中心設(shè)立了學(xué)生作品展覽室，該室陳列了大量?jī)?yōu)秀實(shí)驗(yàn)作品和科技創(chuàng)新作品，每個(gè)作品都配有詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案、制作步驟、參數(shù)與功能等說明，學(xué)生可從中獲得很多啟發(fā)和幫助，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

軟硬結(jié)合強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中軟件開發(fā)和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合。硬件設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)器件選型、電路板制作、焊接工藝、測(cè)試與組裝等環(huán)節(jié)；軟件設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)流程設(shè)計(jì)、程序編寫、程序調(diào)試等環(huán)節(jié)。通過軟硬結(jié)合從系統(tǒng)綜合的角度培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合設(shè)計(jì)能力。

4 注重綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力的考核 建立科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)考評(píng)方式

實(shí)驗(yàn)考核是評(píng)定學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，不但檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，同時(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力作客觀評(píng)價(jià)，達(dá)到全面、客觀檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐水平的目的。因此，在新的教學(xué)模式下如何對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核是教學(xué)改革中一個(gè)重要問題。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核模式是針對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用預(yù)習(xí)成績(jī)、操作成績(jī)、報(bào)告成績(jī)通過加權(quán)計(jì)算出成績(jī)，然后將各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績(jī)按相同權(quán)重得出該課程的總成績(jī)。這種考核模式均衡對(duì)待不同層次的實(shí)驗(yàn)，不適應(yīng)教學(xué)改革和學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求，特別是對(duì)于重視工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新研究能力培養(yǎng)的卓越班學(xué)生。針對(duì)分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式，實(shí)驗(yàn)中心對(duì)卓越班的電工電子實(shí)驗(yàn)考核進(jìn)行了改革和實(shí)踐，更加注重學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的考核。對(duì)于隸屬于不同教學(xué)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在課程實(shí)驗(yàn)總成績(jī)中所占比重不同，如基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)教學(xué)層實(shí)驗(yàn)占20%，綜合設(shè)計(jì)教學(xué)層實(shí)驗(yàn)占25%，應(yīng)用創(chuàng)新教學(xué)層實(shí)驗(yàn)占30%，工程實(shí)踐教學(xué)層實(shí)驗(yàn)占35%。通過這種方式，從教學(xué)層次這個(gè)層面上側(cè)重對(duì)學(xué)習(xí)綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的考核。此外，為了鼓勵(lì)學(xué)生參加科技創(chuàng)新和各類電子競(jìng)賽以及科研項(xiàng)目，對(duì)于在創(chuàng)新項(xiàng)目和競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)以及在科研項(xiàng)目中發(fā)揮重要作用的學(xué)生，可給予該課程實(shí)驗(yàn)成績(jī)優(yōu)秀的獎(jiǎng)勵(lì)。對(duì)于學(xué)生自主開展的創(chuàng)新實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)中心組織教師對(duì)選題的先進(jìn)性、創(chuàng)新性進(jìn)行論證，最后根據(jù)作品驗(yàn)收、學(xué)生答辯和研究報(bào)告評(píng)閱結(jié)果綜合評(píng)定成績(jī)。通過這種層次化、多元化的考核模式，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、個(gè)性發(fā)展、應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)提供良好的環(huán)境和激勵(lì)機(jī)制，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)欲望。

5 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)管理模式

在開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為當(dāng)前國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)主流方法的背景下，如何建立開放式實(shí)驗(yàn)管理體系成為重要的實(shí)際問題，也是實(shí)驗(yàn)中心高效運(yùn)行的保證。我校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式上進(jìn)行了一系列的探索與實(shí)踐，將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)和現(xiàn)代管理模式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理機(jī)制中，構(gòu)建了較完善的開放式網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效益，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)搭建了良好的平臺(tái)。整個(gè)開放式網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)主要包括三大模塊：網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)資源模塊和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)管理模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和師生交流互動(dòng)平臺(tái)。學(xué)生可通過校園網(wǎng)進(jìn)入該系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，且該系統(tǒng)中提供了豐富的虛擬仿真教學(xué)資源，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。師生交流互動(dòng)平臺(tái)主要用來為學(xué)生實(shí)時(shí)解答問題、開展實(shí)驗(yàn)交流與討論。通過交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)答疑解惑、合作探討，營造共同學(xué)習(xí)、探索和研究問題的氛圍。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)資源模塊主要包括實(shí)驗(yàn)教材、教學(xué)課件、電子教案和教學(xué)視頻等網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)提高實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐水平。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)管理模塊主要包括實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)人員管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)主要為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供自主空間，學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間、興趣和愛好預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的真正主人，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)由“要我做”變?yōu)椤拔乙觥?。?shí)驗(yàn)人員管理系統(tǒng)主要采用校園卡對(duì)實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生進(jìn)行身份認(rèn)證，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)人員出勤管理。實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理系統(tǒng)是對(duì)學(xué)生在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)主要是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中心設(shè)備的監(jiān)管，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完好率、利用率。實(shí)驗(yàn)中心開放式網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)的建立，不但為學(xué)生提供了開放自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且也極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理效能。

圖2 開放式網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

面向“卓越計(jì)劃”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是高校實(shí)驗(yàn)中心需要不斷探索和實(shí)踐的長(zhǎng)期工作。我校實(shí)驗(yàn)中心基于“卓越計(jì)劃”，結(jié)合學(xué)校具體實(shí)際和人才培養(yǎng)目標(biāo)，積極開展了電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、考評(píng)方式和管理模式的改革。通過以上幾方面的改革與實(shí)踐，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有了很大提高，管理水平也有了明顯改善。今后將繼續(xù)深化改革，加強(qiáng)學(xué)生“三個(gè)能力”培養(yǎng)，并將改革的成果和經(jīng)驗(yàn)推廣到其他學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面提升實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)水平。