“新工科”背景下紡織特色高校電工電子技術(shù)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

白恩健，李曉麗，王直杰

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

“新工科”是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1-2]。以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能化為核心，把智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才?！靶鹿た啤笔峭苿蝇F(xiàn)有工科交叉復(fù)合、工科與其他學(xué)科交叉融合、應(yīng)用理科向工科延伸而孕育形成的新興交叉學(xué)科專業(yè)，包含“繼承+創(chuàng)新”“交叉+融合”“協(xié)調(diào)+共享”三種形式。紡織產(chǎn)業(yè)是我國的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，是科技與時(shí)尚融合、生活消費(fèi)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用并舉的產(chǎn)業(yè)。紡織行業(yè)是我國信息化與工業(yè)化(“兩化”)融合的試點(diǎn)行業(yè)，智能制造是“兩化”深度融合的主攻方向。紡織類專業(yè)是推動紡織產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級的主干專業(yè)，電工電子技術(shù)課程作為該類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)面向紡織工業(yè)智能制造專業(yè)人才方面具有重要的基礎(chǔ)支撐作用[3]。本文從“新工科”的觀念出發(fā)，針對我校(東華大學(xué))非電類工科專業(yè)電工電子技術(shù)課程教學(xué)存在的問題，提出建立滿足“新工科”特色的教學(xué)改革方案，以適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展與要求。

一、 非電類電工電子技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在當(dāng)前信息化浪潮席卷全球、我國科技實(shí)力不斷提升的新形勢下，電工和電子信息技術(shù)及其所催生的智能電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)正日益滲透到各學(xué)科領(lǐng)域，推動了各行業(yè)的技術(shù)變革和進(jìn)步?！半姽る娮蛹夹g(shù)”作為非電專業(yè)人才了解并掌握電類基本原理和技能的一門基礎(chǔ)課程，是高等學(xué)校面向工科非電專業(yè)開設(shè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)必修課程，對于新形勢下各專業(yè)人才的培養(yǎng)和后續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的基礎(chǔ)性作用。

我校信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院面向全校非電類理工科專業(yè)開設(shè)電工電子技術(shù)系列課程，開課專業(yè)包括紡織、服裝、材料、化工、機(jī)械、環(huán)境及計(jì)算機(jī)等。課程具有覆蓋面廣、知識點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，對學(xué)生今后專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和技能的培養(yǎng)發(fā)揮著基礎(chǔ)性支撐作用。學(xué)生可以通過本課程的學(xué)習(xí)，獲得電工和電子技術(shù)必要的基本理論、基本知識和基本技能，了解電工和電子技術(shù)的應(yīng)用和我國電工和電子技術(shù)發(fā)展概況，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及今后從事有關(guān)工程技術(shù)工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。作為以紡織服裝為特色的高校，我校電工電子技術(shù)系列課程面臨三個(gè)突出問題。

1. 教學(xué)內(nèi)容未充分體現(xiàn)專業(yè)特點(diǎn)

本課程教學(xué)對象涉及的專業(yè)較多，不同專業(yè)對電類基礎(chǔ)知識的需求不同。如物理類專業(yè)要求具有扎實(shí)的電工及電路基礎(chǔ)知識，計(jì)算機(jī)專業(yè)側(cè)重于電子技術(shù)，軟件工程等專業(yè)對數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)的要求很高，大量普通非電專業(yè)要求基本而全面的電工和電子知識和能力，服裝設(shè)計(jì)與工程等少量專業(yè)僅要求學(xué)生對相關(guān)知識初步了解?，F(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容涉及知識全面但理論較為抽象，未能有效地體現(xiàn)專業(yè)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法導(dǎo)致學(xué)生在枯燥的理論學(xué)習(xí)中失去對課程的學(xué)習(xí)興趣。

2. 教學(xué)要求未充分適應(yīng)學(xué)生素質(zhì)的差異

本系列課程受眾面極廣，在大眾化教育階段，學(xué)生基礎(chǔ)素質(zhì)和個(gè)體發(fā)展目標(biāo)的差異較大。有志于未來從事相關(guān)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的學(xué)生，他們基礎(chǔ)扎實(shí)，對電類課程教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度都有較高的要求，并期望具備較為扎實(shí)的電學(xué)基礎(chǔ)和接近于專業(yè)化的能力素養(yǎng)；而部分學(xué)生自身在電學(xué)及相關(guān)的物理學(xué)方面基礎(chǔ)薄弱，加之專業(yè)本身對電學(xué)知識的依賴度較低，使其對電工電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣不大。目前這種統(tǒng)一教材、統(tǒng)一教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的做法顯然不適合學(xué)生的要求。所以應(yīng)針對學(xué)生的不同情況采用不同的教學(xué)方案，開展分層教學(xué)、分流培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生“多元成才”的教育培養(yǎng)目標(biāo)。

3. 新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用未充分反映在現(xiàn)有教學(xué)體系中

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用水平快速提升，“互聯(lián)網(wǎng)+”關(guān)聯(lián)各學(xué)科領(lǐng)域，并引領(lǐng)行業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)升級，這就為學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)找到了實(shí)際的應(yīng)用背景。因此，將電子信息技術(shù)融入紡織服裝等不同專業(yè)的工業(yè)流程，成為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的有效途徑。因而有必要改革教學(xué)內(nèi)容，減少復(fù)雜計(jì)算和理論推導(dǎo)等內(nèi)容，補(bǔ)充信息技術(shù)在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用與系統(tǒng)集成等內(nèi)容，開闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力，為其后續(xù)的專業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、 非電類電工電子技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐

通過課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和考核方式等改革，對電工電子技術(shù)課程教學(xué)體系進(jìn)行全方位整體性的探索和研究，形成將理論基礎(chǔ)與技術(shù)能力緊密結(jié)合、互為依托，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)置的層次化和差異化，教學(xué)內(nèi)容與面向?qū)I(yè)緊密結(jié)合，更加注重過程考核的教學(xué)體系。

1. 課程體系

在對接各學(xué)院深入了解專業(yè)需求和廣泛調(diào)研國內(nèi)外其他高校的基礎(chǔ)上，梳理現(xiàn)有的課程體系，從“專業(yè)差異+學(xué)生素質(zhì)+個(gè)性發(fā)展”的角度，全面優(yōu)化課程設(shè)置，將電工電子技術(shù)系列課程在整體上設(shè)置三個(gè)層次的基本課程體系。

(1) 第一層次。面向?qū)﹄妼W(xué)依賴度高的專業(yè)，要求自身基礎(chǔ)扎實(shí)，并有志于從事相關(guān)工程及科研工作的學(xué)生，分兩學(xué)期學(xué)習(xí)如下課程：第一學(xué)期學(xué)習(xí)“電工技術(shù)A”(3學(xué)分/48學(xué)時(shí))+“電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)A”(0.5學(xué)分/16學(xué)時(shí))；第二學(xué)期學(xué)習(xí)“電子技術(shù)A”(3學(xué)分/48學(xué)時(shí))+“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)A”(0.5學(xué)分/16學(xué)時(shí))。

(2) 第二層次。面向普通學(xué)生，并通過課堂案例分析和綜合實(shí)驗(yàn)對接不同專業(yè)的應(yīng)用需求。開設(shè)課程：“電工電子技術(shù)B”(4學(xué)分/64學(xué)時(shí))+“電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)B”(0.5學(xué)分/16學(xué)時(shí))。

(3) 第三層次。面向?qū)I(yè)和個(gè)人發(fā)展對電學(xué)知識依賴度低的情況，考慮電工學(xué)在日常生活中的需求更多和電工技術(shù)相對于電子技術(shù)的基礎(chǔ)性地位，因此以電工技術(shù)為重點(diǎn)內(nèi)容。開設(shè)課程：“電工電子技術(shù)C”(2學(xué)分/32學(xué)時(shí))+“電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)C”(0.5學(xué)分/16學(xué)時(shí))。

2. 教學(xué)內(nèi)容

通過調(diào)研包括美國麻省理工學(xué)院等知名院校，國外電學(xué)教學(xué)內(nèi)容涉及面很廣，但教材比較簡單，需要學(xué)生課后花大量時(shí)間查閱資料。因此在教學(xué)內(nèi)容上以各專業(yè)發(fā)展的電學(xué)應(yīng)用為導(dǎo)向，針對部分繁瑣的知識點(diǎn)，不再過多地講授理論推導(dǎo)過程，而通過電子設(shè)計(jì)自動化軟件(EDA)的使用，讓學(xué)生快速了解并對其形成基本認(rèn)知。相關(guān)的內(nèi)容包括：含受控電源電路的分析，回路電流法，網(wǎng)孔電流法，諾頓定理，最大功率傳輸定理，交流電路中的最大功率傳輸問題，耦合電感電路的分析，含空心變壓器和理想變壓器電路的分析，二階電路的分析方法，提高功率因數(shù)方法中的電容參數(shù)計(jì)算，三極管特性，多級放大電路的動態(tài)參數(shù)計(jì)算，穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓工作原理，積分運(yùn)算電路、微分運(yùn)算電路和滯回電壓比較器等電路的分析，邏輯門內(nèi)部原理分析，A/D和D/A轉(zhuǎn)換，可編程邏輯器件和半導(dǎo)體存儲區(qū)等。

利用節(jié)省的時(shí)間，任課教師結(jié)合大量案例講授概念與原理的應(yīng)用。對一些重要的知識點(diǎn)和相對抽象的內(nèi)容，在授課中穿插EDA仿真演示，幫助學(xué)生深入理解教學(xué)內(nèi)容。對于與生活關(guān)聯(lián)度高的知識點(diǎn)，借助視頻方式開展教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將電學(xué)知識與日常生活有機(jī)結(jié)合。同時(shí)針對各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)一些應(yīng)用案例，如通過集成運(yùn)放的信號計(jì)算與處理，使學(xué)生了解紡織、化工生產(chǎn)過程中的信號檢測等問題。在講解放大電路時(shí)適當(dāng)介紹紡織檢測技術(shù)的基本常識，讓學(xué)生知道電子電路與專業(yè)課的聯(lián)系；在介紹整流電路時(shí)說明何為變頻技術(shù)，變頻調(diào)速在紡織機(jī)械中的應(yīng)用等[3-5]。通過設(shè)計(jì)或演示智能可穿戴設(shè)備，使學(xué)生了解電子紡織材料、導(dǎo)電紗線、技術(shù)時(shí)尚等實(shí)現(xiàn)方式，真正把專業(yè)發(fā)展和課程學(xué)習(xí)相結(jié)合，凸顯紡織、材料和服裝的專業(yè)特色。

3. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

通過對國內(nèi)外高校進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)課程體系的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外知名院校非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐課程的設(shè)置和通過實(shí)踐環(huán)節(jié)對學(xué)生能力的培養(yǎng)。為了彌補(bǔ)本課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的不足，在實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面進(jìn)行了改革。

(1) 在實(shí)驗(yàn)手段方面，將Multisim、EWB等EDA工具引入到理論和實(shí)踐課程教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)的虛擬化和軟件化，并錄制大量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)視頻，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間自發(fā)通過軟件仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。我校信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院引入了電子電路虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和批改。

(2) 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，將部分單純驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容列入學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，利用節(jié)省的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，針對不同專業(yè)和不同基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行分層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置，增加具有一定綜合性、設(shè)計(jì)性和直接應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。推出基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、開放型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用小系統(tǒng)相結(jié)合的層次化、梯度化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提出必做與自選結(jié)合、驗(yàn)證與創(chuàng)新結(jié)合、課內(nèi)與課外結(jié)合的新型實(shí)踐教學(xué)模式。引導(dǎo)學(xué)生基于案例理解理論，基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，基于理論創(chuàng)新應(yīng)用；鼓勵(lì)學(xué)生嘗試綜合型實(shí)驗(yàn)和小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)性的工程訓(xùn)練；支持學(xué)生關(guān)注技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)獨(dú)立思考的科學(xué)素養(yǎng)。

4. 考核方式

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的設(shè)計(jì)體系，課程須對專業(yè)畢業(yè)要求形成有效支撐。在考核方式上更加注重過程考核，以引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生對于電工電子技術(shù)系列課程的持久深入學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和思考為目標(biāo)，將考核方式作如下調(diào)整：(1)采用EWB完成仿真實(shí)驗(yàn)題目，并提供仿真報(bào)告；(2)自學(xué)EWB并提交有仿真案例的小論文或與其他課程知識相關(guān)的小論文；(3)選擇適當(dāng)題目進(jìn)行平時(shí)隨堂測驗(yàn)；(4)增加前半部分內(nèi)容的期中考試；(5)增加難度適宜的綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以課程項(xiàng)目的形式要求學(xué)生期末提交項(xiàng)目報(bào)告；(6)期末考試。任課教師可根據(jù)需要選擇若干環(huán)節(jié)對學(xué)生進(jìn)行綜合考核。

三、 非電類電工電子技術(shù)課程教學(xué)改革的效果

1. “信息”與專業(yè)交叉融合，教學(xué)內(nèi)容凸顯專業(yè)特色

立足于“新工科”的理念，信息技術(shù)緊密結(jié)合行業(yè)，電工電子知識服務(wù)于專業(yè)，在新的課程教學(xué)中壓縮部分知識內(nèi)容的繁瑣推導(dǎo)過程，代之以更直觀和形象的EDA工具仿真、各專業(yè)領(lǐng)域和生產(chǎn)生活中的相關(guān)案例視頻。配合相關(guān)知識點(diǎn)的教學(xué)，設(shè)計(jì)了與專業(yè)關(guān)聯(lián)度強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。針對材料、紡織等專業(yè)，利用傳感器將相應(yīng)對象指標(biāo)轉(zhuǎn)換為電信號，讓學(xué)生了解如何利用電工電子的知識對這些信號進(jìn)行處理、傳輸、計(jì)算和分析；針對服裝專業(yè)，基于電工電子基本原理，設(shè)計(jì)智能可穿戴設(shè)備、科技服裝，引導(dǎo)學(xué)生了解技術(shù)時(shí)尚的實(shí)現(xiàn)路徑；針對機(jī)械專業(yè)，基于電工學(xué)原理幫助學(xué)生了解直流電機(jī)、交流電機(jī)，利用晶體管設(shè)計(jì)繼電器驅(qū)動電路；針對計(jì)算機(jī)專業(yè)，利用門電路設(shè)計(jì)存儲器和分頻器等，引導(dǎo)學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的部分工作原理。通過這些教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生深刻體會到電工電子技術(shù)課程與專業(yè)、學(xué)科密不可分，電工電子技術(shù)是產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展的重要技術(shù)。

2. 分層教學(xué)，分流培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)多元成才

立足于電工電子技術(shù)大平臺的知識架構(gòu)，按照專業(yè)和學(xué)生個(gè)人發(fā)展需求，電工電子技術(shù)平臺課程體系在教學(xué)內(nèi)容、知識點(diǎn)深度和拓展寬度等方面進(jìn)行了層次化的課程配置。在新的體系下，課程教學(xué)層次化差異明顯，為不同專業(yè)和不同層次學(xué)生的選課提供了一定的自由度。同時(shí)通過課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的不斷完善，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造力，課程教學(xué)效果良好。確立以專業(yè)和學(xué)生素質(zhì)作為分層教學(xué)、差異培養(yǎng)的主要依據(jù)，針對自身素質(zhì)高并有志于成為“高精尖”人才的學(xué)生，通過案例引入知識和大量增加實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，夯實(shí)電學(xué)基礎(chǔ)，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力；對于基礎(chǔ)薄弱且后續(xù)發(fā)展對電學(xué)依賴度低的學(xué)生，貫徹范圍寬、深度淺的培養(yǎng)理念，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力為主進(jìn)行教學(xué)改革。以興趣為導(dǎo)向，以行業(yè)應(yīng)用和新技術(shù)熱點(diǎn)為出發(fā)，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情、獨(dú)立思考能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。課程教學(xué)改革以來，“高精尖”式學(xué)生能從更為深入的教學(xué)活動和項(xiàng)目實(shí)踐中獲得較為扎實(shí)的基礎(chǔ)和能力，“扁平全”式學(xué)生對電工電子技術(shù)課程的畏難情緒和“學(xué)而無用”的印象得到改善。

這些嘗試，使電工電子技術(shù)課程不再枯燥繁瑣，讓興趣和專業(yè)發(fā)展目標(biāo)成為引導(dǎo)學(xué)生探索和學(xué)習(xí)電工電子學(xué)理論的直接動力。

四、 結(jié)語

我校的電工電子技術(shù)課程教學(xué)改革，調(diào)研了我校不同學(xué)院、不同專業(yè)對電工電子技術(shù)課程的需求，橫向比較了國際知名高校及國內(nèi)多所“985”“211”同類院校的教學(xué)設(shè)計(jì)，確立了知識內(nèi)容體系與專業(yè)緊密結(jié)合，分層教學(xué)、分流培養(yǎng)的教學(xué)改革目標(biāo)，對課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)和考核方式等進(jìn)行全方位改革。課程教學(xué)改革一方面提升了課程教學(xué)的質(zhì)量，支撐了各專業(yè)正在開展的工程教育專業(yè)認(rèn)證和“新工科”建設(shè)，另一方面也為國內(nèi)同類高校課程教學(xué)改革提供了可供參考的經(jīng)驗(yàn)。