電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學模式改革探究

白春艷,王飛

（江蘇師范大學電氣工程及自動化學院，江蘇徐州 221116)

0 引言

國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃提出“推動信息化時代教育創(chuàng)新，實施教育新基建工程，大力開發(fā)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源，促進新技術(shù)與教育教學深入融合，培育教育高質(zhì)量發(fā)展新動能”。由此可見，利用迅猛發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)，促進教學信息化建設(shè)，強化教學資源建設(shè)，推進高校教學理念、內(nèi)容以及模式改革，是實現(xiàn)高等教育信息化時代創(chuàng)新發(fā)展的重要舉措。2017 年教育部推出的“新工科建設(shè)”理念[1]注重與信息技術(shù)、軟件算法等新技術(shù)的緊密結(jié)合，強調(diào)學科之間的交叉與融合，更加關(guān)注對學習者專業(yè)技能和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。因此，以新工科建設(shè)以及工程教育認證為背景，研究利用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學模式，無論著眼當下還是放眼未來都具有一定的緊迫性、必要性和實用性。

1 電氣工程專業(yè)實踐教學模式改革的必要性

對于實踐性較強的電氣工程專業(yè)，實踐教學承載著培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力以及提升人才綜合素質(zhì)的重要使命，因此實踐教學質(zhì)量是培養(yǎng)高水平、綜合應(yīng)用型人才的基石和決定性因素。并且，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與高等教育結(jié)合的日益廣泛且深入，電氣工程專業(yè)實踐教學模式改革的必要性就越發(fā)突顯出來。

1.1 電氣工程專業(yè)實踐課程體系有待完善

現(xiàn)有的電氣工程專業(yè)實踐課程體系的構(gòu)建主要依托于實體實踐教學資源，故而實體實踐教學資源存在的諸多問題限制著實踐課程體系的改進和完善。而且，現(xiàn)有的實踐課程體系已經(jīng)明顯落后于電氣行業(yè)的發(fā)展，落后于教育信息化進程，實踐課程之間也未做到有效銜接。因此，為了完善電氣工程專業(yè)實踐課程體系，需要在本科人才培養(yǎng)方案的指導下，依托電氣工程專業(yè)實踐教學資源平臺，開發(fā)虛擬仿真實踐教學資源[2]，優(yōu)化整合實踐課程，按照遞進層次培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)、實踐能力以及創(chuàng)新能力，形成具有電氣工程學科特點且適合多個專業(yè)方向的虛實結(jié)合實踐課程體系。

1.2 電氣工程專業(yè)實踐教學資源有待充實

由于電氣工程專業(yè)實踐教學所需設(shè)備種類多、費用昂貴[3]，實驗具有一定的危險性，且很難在實體實驗室建立與工程現(xiàn)場相匹配的實驗環(huán)境[4]。因此，幾乎所有的電氣工程專業(yè)目前都面臨著實踐教學資源匱乏[5]，實驗設(shè)備急需更新?lián)Q代，維護費用和安全隱患逐年增加，實驗室時間和空間有限，實踐項目擴展性差，危險性實驗無法開展等問題，導致對學生能力的培養(yǎng)難以達到預期目標。隨著我國教育信息化戰(zhàn)略的推進，很多高等院校已經(jīng)開展虛擬實踐教學資源的建設(shè)。相比實體實踐教學資源，虛擬實踐教學資源具有建設(shè)成本低、易于維護和升級改造、實驗環(huán)境更為安全、實驗場地和時間不受限制[6]等特點，能夠與實體實踐教學資源取長補短、優(yōu)勢互補[7]。因此，有必要利用現(xiàn)代信息技術(shù)在統(tǒng)籌規(guī)劃現(xiàn)有實體實驗室和虛擬實踐教學資源的基礎(chǔ)上，通過自建、校企合作等方式建設(shè)緊跟行業(yè)發(fā)展動態(tài)的電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學資源。

1.3 電氣工程專業(yè)實踐教學方法有待改革

電氣工程專業(yè)現(xiàn)有實踐課程體系和實踐教學資源的局限性，導致了實踐教學方法單一，學生實踐能力培養(yǎng)受限。因此，在優(yōu)化電氣工程專業(yè)實踐課程體系和實踐教學資源的同時，實踐教學方法也需要進行相應(yīng)的調(diào)整和改革。而多媒體、虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)能夠?qū)嵺`教學變得更加直觀、生動和靈活，有助于提升教學效果且很受學生歡迎。因此將現(xiàn)代信息技術(shù)與實踐教學深度融合[8]，豐富教學手段，開展現(xiàn)場實踐教學和虛擬實踐教學，形成能夠?qū)崿F(xiàn)泛在學習、自主研學的虛實結(jié)合實踐教學方法。

因此，通過調(diào)整電氣工程專業(yè)實踐課程體系、建設(shè)虛實結(jié)合實踐教學資源和創(chuàng)新靈活有效的實踐教學方法進行實踐教學模式改革，使學生在不受時空約束的環(huán)境中開展全面、安全、高效的實驗，以期完成培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)人才的教學目標。

2 電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學模式的構(gòu)建

本文以江蘇師范大學電氣工程及其自動化專業(yè)為例，依托國家級“軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心”平臺，以工程教育認證理念和新工科建設(shè)理念為指導，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進行探索并初步構(gòu)建電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學模式。

2.1 優(yōu)化電氣工程專業(yè)“三個方向、三個模塊、三個層次”實踐課程體系

根據(jù)電氣工程專業(yè)的學科特點，將人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)基礎(chǔ)課實驗、專業(yè)課實驗、實習實訓、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學環(huán)節(jié)整合為“基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、創(chuàng)新實踐訓練”三個虛實結(jié)合實踐教學模塊，為“電力系統(tǒng)及其自動化、軌道交通供電及其自動化、電力電子與電力傳動”三個專業(yè)方向人才培養(yǎng)服務(wù)。同時，按照認知規(guī)律，將實踐教學項目設(shè)置為“基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)綜合型、創(chuàng)新研究型”三個遞進層次。經(jīng)過整合優(yōu)化的電氣工程專業(yè)“三個方向、三個模塊、三個層次”虛實結(jié)合實踐課程體系如圖1所示。

圖1 電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐課程體系構(gòu)成圖

在圖1 所示的虛實結(jié)合實踐教學模塊中，基礎(chǔ)實驗模塊是為加深鞏固專業(yè)基礎(chǔ)課程的理論知識以及初步培養(yǎng)學生實踐能力而設(shè)置，包括專業(yè)基礎(chǔ)課的驗證性實驗和綜合性實驗。專業(yè)實驗模塊是為了專業(yè)課程理論知識的加深鞏固以及學生實踐能力和專業(yè)素養(yǎng)的進一步提升而設(shè)置，包括專業(yè)課的驗證性實驗和綜合性實驗以及各類實習實訓等。創(chuàng)新實踐訓練模塊是為了培養(yǎng)學生的科研能力和工程實踐技能而設(shè)置，包括各類專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、“挑戰(zhàn)杯”大賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等。而從認知規(guī)律來講，“基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、創(chuàng)新實踐訓練”三個模塊中的實踐項目又分屬于“基礎(chǔ)驗證型、專業(yè)綜合型、創(chuàng)新研究型”三個層次，循序漸進地幫助學生夯實專業(yè)基礎(chǔ)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和提升工程實踐能力。電氣工程專業(yè)“三個方向、三個模塊、三個層次”虛實結(jié)合實踐課程體系能滿足不同專業(yè)方向、不同年級、不同層次學生的實踐教學需求，為學生的能力與綜合素質(zhì)培養(yǎng)搭建良好的平臺。

2.2 建設(shè)電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學資源

根據(jù)電氣工程專業(yè)實踐教學的特點，在現(xiàn)有實踐教學資源的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)由“虛實互補型、虛實一體型、以虛代實型”構(gòu)成的模塊化虛實結(jié)合實踐教學資源，如圖2所示?！疤搶嵒パa型”實踐教學資源由安裝LabView、Matlab/Simulink、Multisim、PSCAD等軟件的虛擬實驗室和電工技術(shù)、電力系統(tǒng)分析、電力電子技術(shù)等實體實驗室構(gòu)成，兩者設(shè)置相同的實踐項目且并行運轉(zhuǎn)，達到優(yōu)勢互補、以虛促實、以實證虛的效果?！疤搶嵰惑w型”實踐教學資源通過將現(xiàn)有的單片機、自動控制原理、新能源發(fā)電與并網(wǎng)等實驗室的設(shè)備整合、優(yōu)化、改造后，配置裝有相應(yīng)軟件的實驗服務(wù)器構(gòu)成，使得原有的實體實驗項目在內(nèi)容、功能、時間和空間上都得以拓展和延伸，給予實體實驗必要的補充和有力的支撐?！耙蕴摯鷮嵭汀睂嵺`教學資源利用計算機網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)開發(fā)無法通過實體實驗室完成的實踐教學項目，建設(shè)并持續(xù)更新電力系統(tǒng)綜合仿真平臺、智能電網(wǎng)仿真平臺、微電網(wǎng)仿真平臺等虛擬仿真實驗室，實現(xiàn)將電氣行業(yè)的工程應(yīng)用和前沿技術(shù)引入課堂以及為學生的科研立項、科技創(chuàng)新、學科競賽等提供服務(wù)的雙重功效。

圖2 電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學資源構(gòu)成圖

在所建設(shè)的虛實結(jié)合實踐教學資源中，實體實驗室和虛擬實驗室以多種方式有機結(jié)合解決現(xiàn)有實踐資源無法滿足教學需求的矛盾，同時避免了虛擬仿真實驗系統(tǒng)的重復開發(fā)。采用虛實結(jié)合實踐教學資源，能夠為學生打造具有擴展性和互動性、跨越時間和空間的泛在實踐學習環(huán)境，將有效促進學生進行自主探究實踐。

2.3 形成電氣工程專業(yè)層進式虛實結(jié)合實踐教學方法

依托電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學資源，改進傳統(tǒng)教學方法和手段，形成實體實踐與虛擬實踐、課堂教學與在線指導相結(jié)合的層進式實踐教學方法，如圖3所示?；凇疤搶嵒パa型”和“虛實一體型”實踐教學資源，形成“課前虛擬預習—課中實體實踐—課后虛擬拓展”的實踐教學新方法，引導學生將理論與實踐相聯(lián)系，夯實專業(yè)基礎(chǔ)，規(guī)范實驗習慣，培養(yǎng)工程理念?；凇耙蕴摯鷮嵭汀钡膶嵺`教學資源，形成“提前設(shè)計—反復調(diào)試—總結(jié)反思”的教學方法，引導學生進行創(chuàng)新研究型實踐學習，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，拓展專業(yè)技能，提升專業(yè)素養(yǎng)。在實踐教學過程中，教師采用課堂教學與在線指導相結(jié)合的方式解決學生遇到的問題，形成學生主動參與、教師提供支持、師生攜手共同探索的教學方法。層進式虛實結(jié)合實踐教學方法充分利用實體實驗室和虛擬實驗室，通過引導學生開展自主學習和創(chuàng)新研究活動，提升學生的實踐能力、創(chuàng)新思維以及工程應(yīng)用能力，實現(xiàn)人才專業(yè)技能培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提升的過程貫通。

圖3 電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學方法示意圖

2.4 完善電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐考核評價體系

為了提升虛實結(jié)合實踐教學模式的應(yīng)用效果，需要將以單一的實體實踐結(jié)果或?qū)嵺`報告為依據(jù)的考核評價體系進行升級完善。在綜合考慮實踐教學環(huán)節(jié)和評價主體特點的基礎(chǔ)上，虛實結(jié)合實踐考核評價體系既要考核學生實體實踐的總體表現(xiàn)，也要考核虛擬實踐的參與情況；不僅要評價學生實踐操作的正確性和規(guī)范性，也要評價學生在實踐中所展現(xiàn)的專業(yè)技能、創(chuàng)新能力以及工程應(yīng)用能力等。構(gòu)建客觀、公平、有效的電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐考核評價體系能夠真實地反映實踐教學質(zhì)量，促進實踐教學模式的不斷優(yōu)化和人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提高。

3 結(jié)束語

電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學模式充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化“三個方向、三個模塊、三個層次”實踐課程體系，建設(shè)“虛實互補型、虛實一體型、以虛代實型”實踐教學資源，形成實體實踐與虛擬實踐、課堂教學與在線指導相結(jié)合的層進式實踐教學方法。電氣工程專業(yè)虛實結(jié)合實踐教學模式的改革突破了實踐教學資源不足的瓶頸，挖掘了實體實驗室的價值，提升了虛擬實驗室在實踐教學中的融入度，增強了專業(yè)人才在升學、就業(yè)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中的競爭力，為培養(yǎng)具有較強實踐能力、創(chuàng)新能力和專業(yè)素養(yǎng)的電氣拔尖人才打造新型實踐教學環(huán)境，并為高校實踐教學信息化發(fā)揮示范和輻射作用。