基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的電氣實驗教學探索與實踐

黃亞玲，唐 瑤，肖 瑾，孫 丹，范昌波，吳星明

基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的電氣實驗教學探索與實踐

黃亞玲，唐 瑤，肖 瑾，孫 丹，范昌波，吳星明

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

探索建立拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效機制，是當前教育改革的迫切要求。為了適應高素質創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要，奉行以“學生為中心”的教學理念，以工科拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標，對電氣實驗教學進行改革，通過設置與當今科技發(fā)展和工程實際緊密結合的科技創(chuàng)新項目，鼓勵本科生嘗試設計和實踐個人感興趣的研究項目，培養(yǎng)科研實踐能力。經實踐運行，取得良好的教學效果，學生的創(chuàng)新意識與工程實踐能力大幅提高，同時也給今后教學改革指明了方向。

拔尖創(chuàng)新人才；電氣實驗教學；實踐能力

培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是高等教育的戰(zhàn)略目標之一，關系到國家經濟社會發(fā)展和核心競爭力的提高，關系到建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略目標的實現[1]。自教育部實施拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃以來，北京大學、清華大學、南京大學等一批高水平大學不斷探索培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，進行了很多有益嘗試。我校作為高素質人才培養(yǎng)基地和教學改革試驗基地，肩負高素質人才的塑造者、教育改革創(chuàng)新的先行者、先進人才培養(yǎng)理念的倡導者和空天信融合的踐行者的神圣使命。在電氣技術實驗教學中，依托教改項目“基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的‘電氣技術實踐’課程的改革與實踐”，初步嘗試了以培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才為目標的教學改革及實踐，對課程進行了重新設計和調整，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，建立了一套以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標的實驗教學體系。

1 完善教學內容

教學改革項目組成員一直工作在理論教學和實驗教學一線，有著豐富的理論課教學、實驗教學及工程項目經驗，將教學和實踐緊密結合，并前瞻當今科技發(fā)展前沿，引領教學方向。根據目前的教學內容，結合當今科技發(fā)展狀況，設計制定出以培養(yǎng)研究型創(chuàng)新人才為目標的實驗教學體系。

首先，以現有電氣技術實驗課程的內容為基礎，結合已經實施的“電路分析”“模擬電子技術”和“數字電子技術”理論課與實踐一體化研究型教學模式，整合基本教學內容，設置了理論驗證性實驗、設計性實驗及綜合應用性3大實驗模塊，做到從易到難、從簡到繁，循序漸進，并具有知識性、趣味性，達到對理工科電類學生基本實踐技能培養(yǎng)的目的。例如，第一次課，由于學生第一次進實驗室，對儀器設備的使用還沒有掌握，對實驗電路的搭接還存在陌生感，不免會產生些許的緊張。為此，將內容設置為“直流電路的構建和測量”這種線路簡單、現象直觀的理論驗證性實驗，以建立學生的自信心，培養(yǎng)實驗興趣，為今后較為復雜的實驗內容鋪墊好路。而“分立元件放大電路”“運放應用”“組合電路及時序電路設計”“順序鎖”“數字化信號發(fā)生器”等設計性及綜合性實驗，目的是使學生將所學理論知識綜合運用到實踐，并逐漸提高實驗技能，對電氣實驗產生濃厚興趣，在設計電路、搭接線路、排查故障、解決問題的過程中，培養(yǎng)強烈的求知欲及創(chuàng)新意識。

其次，也是更重要的，隨著高新技術的不斷出現，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新、全面發(fā)展、高素質復合型人才已成為當務之急。電氣技術實驗教學，充分利用實踐能力培養(yǎng)的機會，根據不同對象的專業(yè)背景，設計融合電路分析、模擬電子技術、數字電子技術及行業(yè)流行技術的學科交叉創(chuàng)新訓練項目。例如，為生物醫(yī)學系的學生設計了“智能防霧霾口罩”實訓項目，為自動化及高等理工等學院的學生設計了“AGC放大器的設計與制作”“可設定的恒溫溫度控制器的設計”“可編程電源的設計與制作”“摩斯電碼通訊系統的設計”等實訓項目，培養(yǎng)學生工程意識及探究精神，啟發(fā)創(chuàng)新思維，進一步提升創(chuàng)新能力，初步具備開展科學研究的素質，為今后從事科學研究打下堅實基礎。

同時，為充分發(fā)揮潛力，鼓勵學生嘗試設計、實踐個人感興趣的研究項目，提升科研實踐能力。隨著實驗技能的不斷提高，學生對科學研究的興趣愈加濃厚，對新知識、新技術的獲取更加強烈。學生利用所學理論知識和專業(yè)技能，大膽嘗試自己平時好奇、向往而沒來得及實踐的一些想法，進行設計、實驗，通過不斷探究、創(chuàng)新去實現自己的夢想。以學生為主體，教師輔助，給予適當幫助和指導，突出個性化培養(yǎng)，達到自主創(chuàng)新自我實現的目的。自由項目的設立，使學生有強烈的獲得感，自信心倍增，充分發(fā)揮想象力，自主學習，挖掘創(chuàng)新思維，使他們的志向遠大，初步成為具有創(chuàng)新能力的科研工作者，為今后成為一流的學者和科學家奠定堅實基礎。

電氣實驗教學體系，力爭使各個實驗內容指標與國際工程認證接軌，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新國際化人才?；緦嶒瀮热莺蛣?chuàng)新實驗內容的比例為1∶1。

教學內容的調整和優(yōu)化，大大提高了學生的積極性和創(chuàng)造性，使他們在實驗過程中勤于思考、勇于實踐，增強了工程實踐能力和創(chuàng)新精神[2-4]。

2 改進教學方法和手段

通過對北京大學、清華大學、浙江大學、南京大學、哈爾濱工業(yè)大學，以及美國加州大學伯克利分校、澳大利亞悉尼大學等國內外知名大學的調查研究，秉承知識傳授、素質培養(yǎng)、工程實踐、科技創(chuàng)新的教學理念，在教學方法和教學手段上進行了改革。

2.1 課程進度

以前，模擬電路實驗在一個學期上課，而數字電路的實驗在另一個學期上課，實驗教學和理論教學往往不同步，造成學生不能及時掌握和鞏固相應理論知識。調整后，對于基本實驗內容，根據不同專業(yè)需求，適時調整上課進度，將模擬電路實驗和數字電路實驗教學并軌，并在理論課的相關章節(jié)授課結束后，立即開展相應實驗。理論講解與實驗交叉并行，達到理論指導實踐、實踐促進理論學習的目的，使得學生在短時間內對所學知識融會貫通。對于綜合創(chuàng)新性實驗，根據實驗內容及理論課學習安排，一方面可以適時穿插于基本實驗內容之間；另一方面對于綜合性強、需要時間多的創(chuàng)新性實驗，還可以放在所有基本實驗結束后進行，這樣學生可以有更充分的時間研究和實踐。

2.2 上課形式

課堂設置，基本實驗內容仍然采取一人一組課上進行實驗，教師當堂檢驗結果，培養(yǎng)學生獨立完成任務、解決問題的能力。對于創(chuàng)新性實驗項目，采取分小組形式，每組3~4人，自愿組合，一方面完成教師制定的典型項目的設計、搭接、檢測；另一方面，可以根據興趣，設計個人感興趣的項目，制訂方案并實施完成?？梢岳谜n堂時間，還可以利用實驗室開放時間進行。以小組為單位進行項目的開題、實物制作、答辯、撰寫學習心得和小論文完成項目，可以培養(yǎng)學生自我學習、團隊協作、溝通交流、動手實踐、創(chuàng)新思維等多方面能力。

教學方式，采取以學生為中心，有利于循序漸進提高能力、深入探究、激發(fā)創(chuàng)新的教學方法。

2.3 探究式教學

實驗手冊，對于基本實驗內容只有基本理論和簡單提示，去除一步又一步的實驗步驟，給學生更多融入創(chuàng)意的空間，靈活運用知識。學生通過實驗室有限的器材，用沒有給定的方法達到最終目標，可以用多種不固定的方法，并自主對比各種方法的優(yōu)缺點，從而鍛煉綜合能力，而不是跟著菜譜做菜的能力。

對于創(chuàng)新項目，更是以“問題為中心”，以學生為主導，在教師的輔助下，自主探究并獨立完成，將所學的理論知識運用到實踐中。這是一個以學生為中心的課堂，學生在實踐中遇到問題與教師進行探討交流，激發(fā)學習興趣，提升實踐能力，提高創(chuàng)新能力[5-6]。

2.4 啟發(fā)式教學

通過問題的引發(fā)和誘導，能夠進一步提升能動性，積極探討解決問題的方法，提高學習興趣，達到較好的教學效果[2]。根據學生情況設計引導問題，給學生一個思考的過程，采用多種形式實施啟發(fā)，努力營造一個知識探索的過程[7-8]。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是啟發(fā)式教學的目標[9]。例如，交通燈設計實驗，教師先在學生實驗之前演示效果，學生觀摩后感到非常貼近實際生活而好奇、感興趣，于是就開動腦筋進行軟件或硬件設計。這時教師擇機提出新的要求，或給出一些故障現象，進一步引導學生去分析問題，提高他們解決問題、排除故障的能力，激發(fā)自主創(chuàng)新意識。

教學過程中還采用蘇格拉底式發(fā)問。教授新內容或解答學生疑惑時，不直接給出問題的答案，而將問題分解為學生可以自發(fā)理解的一系列小問題，一一提問，從而引導學生自己找到答案。蘇格拉底認為，所有知識都已存在于學生中，教師需要做的是指引學生發(fā)掘自身的已有知識。

多樣化的實驗內容和不間斷的問題啟發(fā)，使學生開動腦筋，積極思考，內心的潛力被不斷挖掘出來，提高了分析問題、解決問題的能力，同時也更加充滿自信。

2.5 開放實驗室

課堂時間是有限的，經常有部分學生沒有當堂完成實驗內容，或者有些實驗現象還沒有搞清楚，想進一步研究和分析原因、觀察結果等。為此，安排了半開放和全開放實驗室。半開放就是充分利用實驗室資源，延續(xù)課堂教學時間，學生可以利用教師給其他班級上課時進入實驗室，進行自己未完成的實驗內容，深入研究和分析現象，透徹理解原理。學生也可以進行自己感興趣的其他實驗內容，實時與教師交流討論。

為了確保學生有足夠的時間完成創(chuàng)新項目，教學中心的電子創(chuàng)新基地對學生實行自我管理，全面開放。除了教師定時指導外，還安排具有科技項目經歷的優(yōu)秀學生承擔部分助教工作，幫助指導各小組完成項目的實物制作。

2.6 賽課合一

為激勵學生的學習積極性，激發(fā)創(chuàng)新思維，實驗教學與學科競賽等科技活動相結合，從上課學生中選拔優(yōu)秀學生參加全國和北京市大學生電子設計競賽以及我?！榜T如杯”科技競賽等實踐活動，進一步推動拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的力度。

2.7 全英文授課

為培養(yǎng)高素質國際化創(chuàng)新型人才，電氣實驗教學采用全英文授課，教師的講解、課件、指導書全部是英文，學生的實驗報告、項目報告、答辯等也全部用英文。通過一年左右的訓練，科技英文思維逐漸建立起來，為今后走向世界舞臺奠定基礎。

3 更新考核評價體系

注重學生的學習過程，取消一錘定音的期末考試模式，制定基于過程的課程考核方法。成績考核包括基礎實驗和綜合創(chuàng)新實驗項目。

基礎實驗的考核內容包括實驗操作、實驗方法、問題討論、任務完成、實驗報告書寫以及期末考查等。而創(chuàng)新項目包括開題、中期、結題答辯、實物作品、小論文及總結報告，并注重學生日常的學習過程和積累，將學生與教師面對面、郵件或其他方式的交流討論、開放實驗室的考勤、公益服務參與度等都計入考核內容。

4 實踐運行情況

基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的電氣技術實驗教學進行了4輪實踐，學生理論聯系實際的能力、靈活應用各種專業(yè)知識的能力、人際交往能力、團隊協作能力，特別是自我學習及創(chuàng)新能力都得了全面提高，取得了非常好的效果。同時，學生的反饋和建議也讓教師深受啟發(fā)，促使教師在今后的工作中不斷思考改進教學方式、調整教學內容，以跟上時代的步伐和學生的要求[10]。

上述各項教學內容和方法的實施，為學生搭建了全方位立體化教學平臺，為拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)起到積極推動作用。上課學生凸顯科技實踐創(chuàng)新能力，獲得了?！榜T如杯”、全國/北京市大學生電子設計競賽一、二等獎等多項科技實踐活動獎勵。

5 結語

探索建立拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效機制，促進拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出，是建設創(chuàng)新型國家、實現中華民族偉大復興的歷史要求，也是當前教育改革的迫切要求。隨著全球化進程的加快，國家之間的競爭也日益加劇，而國力的競爭體現在人才的競爭上，對整個人才隊伍建設具有重要導向作用。培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才已經成為一種國家的長期戰(zhàn)略[11]。教育改革任重道遠，我們還將在此基礎上，進一步探索電氣技術實驗教學模式，不斷完善教學體系，通過多種途徑、多種方式，改善教學方法和手段，力爭構建與世界一流大學接軌的學習環(huán)境和知識結構[12]，全面推進拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的綜合改革，為國家創(chuàng)新人才培養(yǎng)起到積極推動作用。

[1] 吳愛華，侯永峰，陳精鋒，等. 深入實施“拔尖計劃”探索拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制[J]. 中國大學教學，2014(6): 77–79.

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[10] 王常策，韓守梅. 做好電工電子技術實驗培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才[J]. 實驗技術與管理，2014, 31(9): 281–283.

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[12] 楊凡，周叢照. 科教結合協同育人[J]. 中國大學學報，2015(1): 20–22, 44.

Exploration and practice of electrical experiment teaching based on top-notch innovative talent training mode

HUANG Yaling, TANG Yao, XIAO Jin, SUN Dan, FAN Changbo, WU Xingming

(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Exploring and establishing an effective mechanism for cultivating top-notch innovative talents are an urgent requirement of current educational reform. In order to meet the needs of cultivating high-quality innovative talents, the “Student-centered” teaching idea and the training of top-notch innovative talents in engineering as the target are adopted to reform the electrical experimental teaching. Through setting up scientific and technological innovation projects closely related to the current scientific and technological development and engineering practice, undergraduates are encouraged to try to design and practice research projects with their personal interest and to cultivate their scientific research practice ability. Through practical operation, good teaching effect has been achieved, students’ innovative awareness and engineering practice ability have been greatly improved, and at the same time, the direction of future teaching reform has been pointed out.

top-notch innovative talents; electrical experimental teaching; practical skills

G642.423

A

1002-4956(2019)11-0219-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.053

2019-03-15

北京航空航天大學2017年教學改革立項

黃亞玲（1967—），女，黑龍江哈爾濱，碩士，高級工程師，主要從事電氣技術實踐和嵌入式系統設計應用方面的教學和研究。E-mail: ylhuang@buaa.edu.cn