新工科貫通式實踐教學方法探究

曹磊 張亞楠 荊娟娟 顏少波

摘 ?要：在新工科背景下，針對如何培養(yǎng)適應新形勢的工程技術人才，本研究提出了貫通式實驗教學方法的新理念。學生通過貫穿不同學習階段的設計產(chǎn)品為載體，接觸其他學科的專業(yè)知識并實現(xiàn)融合。以設計產(chǎn)品為動力，學生轉換角色成為學習的主角，由被動參與實驗向主動思考、主導實驗的新方式轉變。本研究以此為主線，闡述了貫通式實驗體系的設計、實施方法、教學效果、教材建設與考核方法以及與其他教學環(huán)節(jié)的關系等。

關鍵詞：新工科;貫通式;創(chuàng)新實踐;實踐教學

作者簡介：曹磊，河南科技大學電工電子實驗中心主任，研究方向為電子技術、實驗教學與管理;張亞楠，荊娟娟，顏少波，河南科技大學電氣工程學院。（河南 洛陽 471000）

基金項目：本文系河南省高等學校重點科研項目計劃（項目號：19A510001）和河南科技大學實驗技術開發(fā)基金項目（項目號：SY1718021）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-0568（2019）15-0042-03

當前，國家為推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實施“一帶一路”“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。該趨勢對科技人才提出了更高要求，迫切需要高等學校加快工程教育的改革創(chuàng)新。面對這種趨勢，諸多高校從不同角度對如何培養(yǎng)學科交叉融合、新工科環(huán)境下的工程技術人才進行了探索。本研究通過分析新工科的內(nèi)涵、特征、規(guī)律和發(fā)展趨勢，結合國內(nèi)外工程教育改革的經(jīng)驗和教訓，提出改革創(chuàng)新的理念和思路。

一、國內(nèi)知名高校電子技術實驗教學改革情況?

電子技術實驗是電類專業(yè)重要的基礎平臺課之一，國內(nèi)幾所知名高校的教學改革具有典型的示范作用。清華大學開設針對模擬電子技術基礎課程，采用綜合論文的方式培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，通過4個層次的課程教學促使學生開展創(chuàng)新。[1]哈爾濱工業(yè)大學構建了以技術基礎、科技創(chuàng)新、專業(yè)實驗3個并列子平臺組成的教學體系，采取“分時”共享實驗室優(yōu)質(zhì)資源[2]。華中科技大學構建了責、權、利統(tǒng)一的課外科技創(chuàng)新教育管理機制，制定循序漸進的課外科技創(chuàng)新教育培養(yǎng)方案，實施全方位的課外科技創(chuàng)新教育實踐。[3]吉林大學提出了基于“主題實驗”的電工電子實驗教學的創(chuàng)新模式并取得了一些實踐經(jīng)驗。[4]

河南科技大學從2014年開始對電子技術實驗教學進行了改革和探索，經(jīng)過多年的努力與積累，在不斷總結與完善的基礎上，形成了“貫通式”實驗教學方法的新理念。

二、貫通式實踐教學改革

秉承“以學生為中心，以能力培養(yǎng)為目標”的指導思想，明確未來工程人才的能力體系。構建面向“新工科”的實踐教學新理念、新模式、新方法，實現(xiàn)從學科導向轉向產(chǎn)業(yè)需求導向，從專業(yè)分割轉向跨界交叉融合，從適應服務轉向支撐引領。工程教育的目標是培養(yǎng)設計產(chǎn)品的工程技術人才，而產(chǎn)品本身就是多個學科交叉融合的成果，產(chǎn)品的設計和制作過程，則能滿足上述多種能力的訓練和培養(yǎng)需要。

基于此，河南科技大學建立了圍繞產(chǎn)品的設計、開發(fā)、制作為主線的貫通式實踐教學模式，在教學中進行了探索與嘗試。

1.設計項目選題。在第三學期開始，學業(yè)導師給學生提出問題：一是你為什么選擇這個專業(yè)，與這個專業(yè)相關的哪些成果吸引了你;二是你在大學期間，完成一個什么樣的產(chǎn)品，就能認為專業(yè)學習是成功的。

學生經(jīng)過慎重思考，提出想做的產(chǎn)品，如無人飛行器、潛艇模型、無人駕駛汽車、功能機器人，還有人想做智能設備的大腦，設計控制芯片等。部分沒有想法的學生，由老師提供選題。然后把全校選題相近的學生組織到一起進行深入的討論，再由目標最接近的3-5名學生自由組成項目學習小組，項目小組可以由不同專業(yè)的學生組成。如2014級電氣工程專業(yè)和機械制造專業(yè)都有選擇無人機項目的學生，其中，電氣專業(yè)23人，機械制造專業(yè)14人，經(jīng)學生充分交流和專業(yè)分屬的兩個學院協(xié)調(diào)，將學生混編分成8個組，每組4-5人不等，每個組都有兩個專業(yè)的學生。兩個學院各安排2個指導老師。每個老師指導2組學生，兩個專業(yè)的指導老師分別負責全體項目小組本專業(yè)學生的學業(yè)規(guī)劃和督促指導。

2.設計項目實施。學生在設計項目選題完成后，圍繞設計題目開展學習。除了正常的課程外，課余時間通過分工合作，借助圖書館、網(wǎng)絡等渠道，查找學習與產(chǎn)品相關的技術資料。課堂上，學生帶著在產(chǎn)品設計中的疑問聽課，學習變得積極主動。學習有了方向，在選擇選修課時也有了目標。

老師首先引導學生制定設計規(guī)劃，明確每個學期要做到哪一步，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)哪些功能等。以無人機項目為例，第三學期做整體規(guī)劃和方案設計，查閱相關案例，選擇最優(yōu)的方案;第四學期做框架，完成電機、控制模塊等的定制或選型;第五學期完成裝配、編程和試飛。完成后，產(chǎn)品可以再增加一些功能，如空中懸停、負重等，未完成的同學可以通過項目組商議是否對目標或方向做出調(diào)整;第六學期完善和細化基本功能，調(diào)試機械手的抓取和釋放功能;第七學期增加攝像頭，調(diào)試控制攝像功能。有可能的話還可以增加識別系統(tǒng)，聯(lián)機控制機械手。不同小組根據(jù)自己的情況來調(diào)整進度，設計和調(diào)試過程由老師做跟蹤與督導。

進入產(chǎn)品的設計制作階段，學院為每個項目小組安排固定的實驗臺位，配備直流穩(wěn)壓電源、信號源、示波器等基本的實驗設備。通用的元器件如電阻、電容、晶體管、集成運放等器材由實驗室統(tǒng)一供應，特殊器件和模塊，學生自己選型購買。開放實驗室和器件庫由學生自己管理，做好記錄，及時補充。這樣，學生學習的目標很明確，在課余時間就會主動待在實驗室。

3.教材建設與實驗考核。學校基于這種教學模式學校編寫了一套實驗教材，包括《電路實驗》《電子技術實驗》。實驗內(nèi)容是在學生完成儀器的使用和實驗方法訓練后，針對各個知識點安排的設計性、綜合性實驗。設計性實驗的內(nèi)容遵循循序漸進的原則，前面的實驗要求適當具體，后面的實驗中采用項目設計型教學。在做“晶體管放大電路”實驗時，要求學生設計一個阻容耦合的單級共射極放大電路，具有靜態(tài)工作點穩(wěn)定特性，并提出具體設計參數(shù)。學生設計好電路后，利用Protues軟件完成仿真調(diào)試，然后自取元件在面包板連接電路，調(diào)整好靜態(tài)工作點，按要求完成各參數(shù)的測試。在單級放大電路的基礎上，設計引入電壓串聯(lián)負反饋的兩級放大器，要求閉環(huán)電壓放大30倍，1+AF=10。連接電路測試負反饋對放大電路不同參數(shù)的影響，實驗結論要通過數(shù)據(jù)給出充分論據(jù)。以此來加強學生對項目設計和實驗方案設計能力的訓練。學生也可以結合自己的項目制定自己需要的實驗方案。教材中包含啟發(fā)與創(chuàng)新性的實驗項目，旨在啟發(fā)學生運用所學知識解決實際問題。還有一些操作方法和技巧，讓學生掌握科學研究過程中實際操作的基本方法。

實驗考核方法充分考慮不同學生的情況，針對實驗方案、操作過程、數(shù)據(jù)處理等按照比例給出優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五檔綜合成績。

4.競賽和產(chǎn)品展示。在項目實施的不同階段，由社團和學生管理部門組織各種設計大賽和產(chǎn)品展示活動，對優(yōu)勝者給予表彰和獎勵。將學科競賽引入實踐教學，作為實踐教學的補充。[5]通過競賽交流，進一步激發(fā)學生展現(xiàn)自我的欲望，使學生不斷產(chǎn)生新的想法，對設計產(chǎn)品的功能提出更高的要求，持續(xù)推陳出新。

產(chǎn)品設計展示，往往對低年級學生有強烈的吸引力。在他們的選題和產(chǎn)品設計過程中，除了老師的指導，還會主動向項目相近且水平較高的高年級學生求教，有了示范作用和經(jīng)驗積累，設計成果會越來越好，逐步進入了良性循環(huán)。

在產(chǎn)品設計競賽中遴選出的優(yōu)秀項目組，經(jīng)過集訓，參加全國的各種創(chuàng)新實踐設計競賽。參與競賽可以訓練學生查閱資料、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的合作意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。[6]實踐證明，這些學生在競賽中，無論是在產(chǎn)品的調(diào)試，還是應對不同設計題目的變化上，經(jīng)驗更加豐富。

5.課程設計和畢業(yè)設計。在課程設計教學環(huán)節(jié)中，學生的選題可以根據(jù)自己產(chǎn)品的設計需要來擬定，課程設計的內(nèi)容可以是產(chǎn)品設計中的一部分。設計題目由學生提出來，提出設計目標和具體參數(shù)，由指導老師總體把關。這樣，課程設計題目就會更加豐富，每屆學生的設計題目更新率可以達到30%以上。由于設計成果和自己的項目直接相關，功能可以直接在產(chǎn)品上實現(xiàn)，學生的參與積極性和認真程度都有了明顯的提高。

有了前期的產(chǎn)品積累，到畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，畢業(yè)設計題目與項目小組設計的產(chǎn)品一脈相承，學生的任務就是完善和優(yōu)化產(chǎn)品的功能，整理測試數(shù)據(jù)和設計圖紙等技術資料，總結設計經(jīng)驗和撰寫心得體會，以此為基礎撰寫論文并完成畢業(yè)答辯。

“貫通式”實踐教學方法是實踐教學的一次革新。工科學生的學習成果表現(xiàn)就是產(chǎn)品，而產(chǎn)品本身就是多個學科知識融合的結果。通過這個載體，形成了“跨領域整合，自主設計，實踐創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)理念和“產(chǎn)、學、研”合一的課程體系[7]。完善產(chǎn)品功能的過程為學生學習專業(yè)知識提供了持續(xù)的動力，也為學生了解其他學科打開了一扇門。

在大學學習期間，設計制作產(chǎn)品的工作始終貫穿其中，學生在此過程中有了學習的目標和方向。圍繞產(chǎn)品設計，促使教師、學生精力投入到位[8]。知識能變成產(chǎn)品，理論知識點不再抽象，這種模式使工程教育真正回歸到了工程[9]。

通過貫通式實踐教學方法培養(yǎng)的學生，在各類創(chuàng)新設計大賽中，學生表現(xiàn)出了良好的心理素質(zhì)和應變能力。這批學生掌握的專業(yè)知識綜合性強，團隊合作意識好，自學能力和知識轉化的能力都很強，深受用人單位的青睞。

參考文獻：

[1] 葉朝輝.模擬電子技術實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].實驗技術與管理，2017，（1）：29-32.

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[3] 尹仕.電工電子科技創(chuàng)新中心建設與運行機制研究[J]. 實驗技術與管理，2005，（7）：103-106.

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[6] 熊杰，付艷鋒，段智迪.創(chuàng)新教育理念下工科大學生學科競賽實踐體系的構建[J].長江大學學報（社會科學版），2018，2）：115-118.

[7] 張婷，邵垚然，謝怡云等. 構建創(chuàng)新型實驗室培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)型卓越工程師[J].實驗室研究與探索.2018，（5）：226-228.

[8] 陳寶生.堅持“以本為本” 推進“四個回歸” 建設中國特色、世界水平的一流本科教育[J].時事報告（黨委中心組學習），2018，（5）：18-30.

[9] 鐘登華.新工科建設的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

責任編輯 ?程 ?哲