電氣類實驗課程教學改革實踐與探索

張新星

摘 ? 要：對于電氣類專業(yè)的本科學生而言，實驗課程是整個本科學習活動過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，而對實驗教學的改革與探索是培養(yǎng)高水平、高素質的復合應用型電氣畢業(yè)生的重要途徑之一。本文分析了高校電氣類實驗教學過程中存在的一些問題，結合實際工作經(jīng)驗，從提高實驗課程的重要性、優(yōu)化實驗項目的種類、合理采用虛擬仿真與實物實驗相結合的手段以及實驗考核等4個方面提出一些改革措施。通過對學生學習成果的跟蹤調查可以看出，這些措施對于加深學生對理論知識的理解、提高學生解決實際問題的能力以及開發(fā)學生的創(chuàng)造性思維都有良好效果。

關鍵詞：電氣工程 ?實驗教學 ?課程改革

中圖分類號：G652 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0203-03

Abstract： For the undergraduate students majoring in electrical engineering， the experimental course is an essential part of the whole undergraduate learning process. The reform and exploration of experimental teaching is one of the important ways to cultivate high-level and high-quality electrical graduates. This paper analyzes some problems existing in the process of electrical experiment teaching in Colleges and universities. Combined with practical work experience， some reform measures are put forward from four aspects： improving the importance of experimental courses， optimizing the types of experimental projects， reasonably using the means of combining virtual simulation with physical experiment， and experimental examination. Through the follow-up survey of students' learning achievements， we can see that these measures have good effects on deepening students' understanding of theoretical knowledge， improving students' ability to solve practical problems and developing students' creative thinking.

Key Words： Electrical engineering; Experimental teaching; Curriculum reform

電氣工程專業(yè)作為工科類的熱門專業(yè)之一，其畢業(yè)生都有著不錯的就業(yè)去向[1]。這些畢業(yè)生在工作中面對的都是實際工程，需要很強的動手能力以及解決實際問題的能力，這就對電氣類實驗課程以及實驗教學提出了更高的要求[2-4]。電氣工程專業(yè)是一個注重理論與實踐相結合的學科，而合理的實驗教學不僅可以幫助學生加深對理論知識的理解，也可以提高學生的獨立思考能力和實踐能力[5-6]。因此，實驗課程的開設與完善，以及實驗教學手段的合理優(yōu)化對于培養(yǎng)符合社會需求的高水平、高素質復合應用型人才具有重要意義。

1 ?傳統(tǒng)電氣類實驗教學的不足

在傳統(tǒng)的教學活動中，實驗教學面臨的一個非常嚴重的問題就是不被重視。在教學層面，實驗教學的內容以及考核結果不被重視;在學生層面，學生也對實驗課程不重視，經(jīng)常出現(xiàn)上課遲到以及抄襲數(shù)據(jù)，蒙混過關的情況;在教學設備方面，實驗設備經(jīng)常得不到定期的維護與更新，當出現(xiàn)設備損壞時，學生就不得不以小組為單位進行實驗，進而使學生產(chǎn)生蒙混過關的心理;在職業(yè)發(fā)展前景層面，實驗課程教師與理論課程教師相比仍有一定的差距。

其次，傳統(tǒng)的實驗項目大多是驗證性實驗，即對理論課中的定理、公式等進行實驗驗證。比如電路實驗中的疊加定理的驗證實驗[7-8]。這種驗證性實驗可以幫助學生鞏固課堂的理論知識，但是不能啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生舉一反三、獨立思考的能力，不符合現(xiàn)代教學的要求，也不能滿足社會發(fā)展對人才的要求[9]。因此，對實驗教學進行改革與探索具有非常重要的意義。

2 ?實驗教學內容的改革

2.1 提高實驗課程的地位

實驗課程之所以得不到應有的重視，這與實驗考核成績和理論考核成績的分配比例有直接關系。在傳統(tǒng)的培養(yǎng)計劃中，實驗課程總是作為理論課程的一部分，實驗課程的成績僅僅占該課程總成績的20%甚至10%，比平時成績的比例都要低，這就出現(xiàn)學生不重視實驗課程，上實驗課應付了事的現(xiàn)象。針對這一問題，從學校層面，學校在制訂培養(yǎng)計劃時可以采取把課時較多的實驗進行單獨設課。單獨設課之后，該實驗課程就具有相應的學分以及相應的考核成績，學生就必須對此實驗課程重視起來，只有認真完成實驗課程才能修得相應的學分。比如江蘇大學京江學院，就把大于等于16個課時的實驗進行了單獨設課，比如模擬電子電路實驗、數(shù)字電子電路實驗以及電工電子學實驗等。從學生的課堂反應以及實驗效果來看，單獨設課后學生明顯更加主動地參與實驗操作以及積極地對實驗結果進行思考，部分重要課程單獨設課，而不是作為某門課程的附屬。除了上述的專業(yè)基礎課，一些專業(yè)課程，比如可編程邏輯控制（PLC）實驗、電機學實驗以及電力拖動與基礎實驗都需要單獨設立實驗課程，這些課程都是比較抽象的，但是應用性很強的課程，比如電機學。對學生而言電機定轉子磁場的變化，電機內部磁力線的分布都是比較抽象的。而在電機學實驗教學中，我們可以鼓勵學生對已有電機進行拆解、重組，同時結合仿真實驗讓學生直觀地觀察到內部磁場的變化。在學生對電機進行拆解、重組的過程中就可以激發(fā)學生對電機的結構進行創(chuàng)新，比如改變定轉子的位置，改變電機的勵磁方式等。而這些教學手段得以順利實施的前提都是學生能夠對實驗課程高度重視，積極主動地參與實驗教學。因此，對多課時實驗課程進行單獨設課是非常有必要的。當然，對于一些專業(yè)選修課的實驗部分，如果單獨設課就會造成比較嚴重的資源浪費，但是我們也可以對這些實驗進行整合，開設一門具有通用性的實驗課程，這樣不僅可以節(jié)約設備成本，也可以讓學生對所學知識有一個綜合性的掌握。而從教師層面，實驗教師在備課時也要花費更多的時間，精益求精，對實驗原理的介紹不能簡單帶過，而對實驗操作過程的介紹也不能太詳盡，要更多地讓學生去思考;同時，對實驗課程的考核也要嚴格要求，不能讓學生存在僥幸心理。

2.2 優(yōu)化實驗項目比例

目前實驗項目的組成主要有驗證性實驗和設計綜合性實驗兩大類。合理優(yōu)化這兩類實驗項目的比例，對達到更好的實驗教學效果具有重要意義。為了滿足現(xiàn)代教學的要求，普通高校應減少開設驗證性實驗項目，增加設計綜合性實驗項目。驗證性實驗由教師設計實驗框架，學生只需要在固有的框架內進行實驗操作，這類實驗可以幫助學生掌握實驗儀器的操作，加深學生對理論知識的理解，但是不能開發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生對科學技術的興趣。而設計綜合性實驗則需要學生在已有的理論知識的基礎上，將這些知識進行整合，自己制訂實驗方法，實驗框架，選擇實驗器材，還要對自己得到的數(shù)據(jù)進行分析和論證[10]。它注重的是實驗的整個過程，而不是單純的實驗結果，這類實驗可以激發(fā)學生對科學的熱情，使學生在實驗過程中能從一個點拓展到面，比如模擬電子電路實驗中的信號發(fā)生電路實驗就是一個開發(fā)性的綜合實驗，學生需要整合自己已經(jīng)學過的知識，自己設計具體的電路結構、器件參數(shù)、器件型號等，在這個過程中，學生自然而然地就會把運算放大電路以及比較器電路的知識摸透，就不需要單獨地再去做運算放大電路的實驗，既節(jié)約了時間成本，又培養(yǎng)了學生獨立思考的能力，讓學生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。驗證性實驗是基礎，通過驗證性實驗讓學生掌握實驗儀器的使用方法和基本的定理、公式;在這個基礎上再讓學生進行開發(fā)設計類的實驗，兩者相輔相成。

要合理優(yōu)化這兩類實驗項目的比例，可以從以下幾個方面入手。從教師層面，教師應因材施教，在確定實驗項目之前，要先充分了解學生的學習情況，對于學習基礎較好的班級，減少驗證性實驗項目的比例，增加開發(fā)設計類實驗項目;而對于學習基礎相對薄弱的班級，則可以適當增加一到兩個驗證性實驗，幫助學生加深對理論知識的了解，當然開發(fā)設計類實驗應占主體地位。從學校層面，學校在購買相關實驗設備儀器時，不要都選擇集成度高的設備，雖然高集成度的設備可以降低實驗難度，但也減少了學生的動手機會。在調研過程中發(fā)現(xiàn)，有些高校將交流毫伏表、萬用表以及函數(shù)發(fā)生器等都封裝到實驗臺架里面，學生在使用過程中只需要簡單接線就可以測量出實驗數(shù)據(jù)，但實驗做完后，有些學生甚至連萬用表都不會使用，這對于電氣類學生而言簡直不可想象。所以學校在購買實驗設備時應盡量選擇功能強大、擴展性高的實驗設備，讓學生的思維和想象不再受實驗設備的制約。從學生層面，學生可以根據(jù)自己感興趣的內容給實驗教師提出合理的想法，實驗教師在條件允許的情況下幫助學生進行相關的實驗，而不再局限于老師選定實驗項目。

2.3 仿真軟件與實物實驗相結合

仿真軟件和具體的實驗設備都是實驗教學的有效工具。一般情況下，能通過實物教學的，盡量不使用仿真軟件。但是對于一些需要觀察內部運行原理、改變參數(shù)觀察現(xiàn)象以及危險系數(shù)較高、容易損壞實驗設備的實驗，就可以采用仿真軟件進行實驗教學。比如電機學實驗，電機的內部結構可以通過拆解、組裝實物電機加深認識，但是內部磁場的變化、改變電流等參數(shù)觀察電機的性能等就需要通過仿真軟件來解決。一是因為通過實物，不能將內部磁場變化直觀化;二是在改變電流時，很容易將電機燒毀，危險系數(shù)和能耗系數(shù)都很高。此外，仿真軟件可以完成一些極限情況下的測試，而這些是實物平臺不能完成的?？偠灾粋€實驗項目也不要局限于只使用仿真軟件或者只使用實物設備，仿真軟件和實物設備應做到有機結合，達到更好的實驗教學效果。

除了仿真軟件，虛擬仿真實驗教學中心也是目前各高校實驗室建設的熱點。江蘇大學京江學院也正在積極地學習國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的相關內容，參照其他已經(jīng)申請了國家級虛擬仿真實驗教學中心的高校的經(jīng)驗來看，有效地采用虛擬仿真實驗對教學和科研都可以取得很好的效果，示范與輻射效應明顯。

2.4 實驗課程考核及評價方式的改進

實驗課程的考核與理論課不同，實驗課程的考核成績應做到操作技能與實驗報告相結合，各占一定比例。對于操作技能的打分，就要求實驗教師在實驗過程中仔細觀察每位同學的表現(xiàn)，綜合完成實驗所需時間、所得數(shù)據(jù)是否合理、對實驗設備使用是否正確熟練等幾個方面給出合理的分數(shù)。而對于實驗報告，目前存在的一個主要問題就是學生都傾向于機械地抄寫實驗指導書的內容，甚至有些學生將沒有做過的實驗步驟照抄到實驗報告上，這其實是一種浪費時間的無用之功。還有一種現(xiàn)象就是有些學生不會判斷自己所得數(shù)據(jù)是否正確，就直接抄襲別人的數(shù)據(jù)或者直接寫上理論計算值，其實由于實驗設備的誤差，實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)微小差別也是正?，F(xiàn)象。學生應根據(jù)實驗過程和老師所講內容，自己總結相關的實驗原理，同時記錄相關的實驗步驟和方法，對所得的實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，探索實驗方案的不足之處。同時實驗教師也可以根據(jù)具體情況，布置相應的思考題。根據(jù)學生對數(shù)據(jù)的處理情況以及思考題的完成情況給出合理的分數(shù)。最終的實驗課程成績應將操作技能成績和實驗報告成績按一定比例相加，給出有理有據(jù)的實驗評價。

3 ?結語

電氣專業(yè)是目前的熱門專業(yè)，其畢業(yè)生也滲透到社會的各行各業(yè)。培養(yǎng)出綜合素質高、動手能力強，符合社會需求的電氣類畢業(yè)生是普通高校的基本任務。而實驗教學對于開發(fā)學生的創(chuàng)新思維、提高學生的動手能力至關重要。因此認真研究當前實驗教學存在的問題，并進行有針對性的改革，對于學生的綜合能力、動手能力的培養(yǎng)，以及教師教學與科研的提高均有重要作用。從提高實驗課程的重要性、優(yōu)化實驗項目比例、仿真軟件與實物相結合以及改進實驗課程考核方式等方面采取措施，可以很好地改進實驗教學體系、提高實驗教學質量和效率，取得了很好的教學效果。

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