以實驗案例設計為抓手提升教師工程實踐能力

袁洪芳，曹 晰，韓 萍，張 帆*

（1.北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029；2.中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300；3.教育部信號類課程群虛擬教研室，天津 300300）

高等教育的主要目的是為國、為黨培養(yǎng)人才，同時承擔科學研究與服務社會的主要職責。教師是高等學校的主體，是大學能夠發(fā)揮其重要功能職責的載體，高等學校教師的教學能力和科研水平在很大程度上影響和決定人才培養(yǎng)質(zhì)量，是影響高等學校發(fā)展的重要指標之一。近年來，高等學校越來越重視師資隊伍的建設，包括人才引進和在職教師的培養(yǎng)。與此同時，隨著我國經(jīng)濟社會的轉型，對人才的需求也發(fā)生了變化，促使我國高等教育也逐漸轉型，當前工程教育是工科高等教育的核心，其中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新工程實踐能力也成為工程教育的關鍵任務。自從2010 年國家啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”開始，到2016 年，我國正式加入國際互認的工程教育專業(yè)認證體系《華盛頓協(xié)議》，標志著我國工程教育正式與國際接軌，培養(yǎng)高質(zhì)量的工程科技人才正式確立為我國工科高等教育的核心任務。2017 年2 月、4 月、6 月，教育部先后召開三次新工科建設工作會議，確立了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等一系列新工科建設綱領，推動工科高等教育改革[1]。

新工科建設要求各高等學校在工科人才培養(yǎng)過程中，除了夯實工科專業(yè)的基礎理論和專業(yè)基礎知識外，越來越重視學生創(chuàng)新工程實踐能力的培養(yǎng)，在培養(yǎng)計劃的制定時，要求實驗和實踐環(huán)節(jié)所占比重必須滿足一定的比例，在實驗和實踐內(nèi)容的安排上更強調(diào)培養(yǎng)學生的工程實踐能力，使學生畢業(yè)即可達到行業(yè)認可水平。這對高等院校實踐教學教師提出了非常高的要求。與國內(nèi)一流大學或同類大學相比，北京化工大學（以下簡稱“我?！保嵺`教學教師隊伍在自身創(chuàng)新能力與培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的方面還存在一定的差距。我們查閱了相關高校電工電子中心網(wǎng)站及2020 年國家級實驗教學示范中心建設報告[2-4]，總體來看，在電子類相關學科競賽上我校學生還處于比較好的水平，主要原因是近幾年學校非常重視，教師投入也比較大，學生的參與度比較高。但是，在師資隊伍數(shù)量、參與科研項目等方面還存在比較大的差距。

一 實驗教學示范中心實驗教師隊伍建設面臨的主要問題

構建一支高水平、高素質(zhì)具有創(chuàng)新能力的實驗教師隊伍，是高等學校培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎和重要保障。實踐教學作為高等工程教育承擔培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的重要環(huán)節(jié)，實踐環(huán)節(jié)的實施和質(zhì)量主要依靠實驗教師，因此，要想提升實踐教學質(zhì)量，最關鍵的還是實驗教師的能力和水平。培養(yǎng)和提升實驗教師的工程實踐能力，既是理工科高校提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑，也是實驗教師個人職業(yè)發(fā)展及提高自身職業(yè)素養(yǎng)和能力的立足點。因為實驗教師是實驗教學實施的主體，只有不斷提高其創(chuàng)新工程實踐能力，才能保障教師在實驗教學中不斷開發(fā)新的實驗項目、引入前沿新技術、應用先進教學方法和多媒體等信息手段，不斷提高實驗教學質(zhì)量和管理水平，進而提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[5]。另一方面，實驗教學是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學生實驗能力、創(chuàng)新工程實踐能力的重要途徑。實驗教師是實驗教學設計和實施的主體，實驗內(nèi)容設計即要能夠鞏固和應用理論知識，又要培養(yǎng)學生實際操作能力，還能引導學生綜合應用理論知識解決實際問題，并最終培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計能力。電學能力又是所有工科專業(yè)本科生必備的基礎能力，因此學院特別重視電工電子中心實驗教學隊伍的建設，作為學?；A性實驗教學隊伍之一，是支撐我校工科專業(yè)教學改革，特別是電類相關4 個國家級一流專業(yè)建設不可或缺的重要力量。因此，構建電學創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)體系，培養(yǎng)一支參與科學研究、教學能力強、具備創(chuàng)新實踐項目開發(fā)能力的實驗教學團隊勢在必行。

目前實驗教學示范中心（以下簡稱“中心”）實驗教師隊伍建設面臨的問題主要以下幾個方面。

1）實驗教師教學工作量大，投入工程實踐和科研的精力比較少，參加校外培訓和企業(yè)交流的機會也有限，造成教學內(nèi)容設計、實驗項目開發(fā)中表現(xiàn)出來工程實踐和創(chuàng)新能力不足。實驗教師通常主要負責實驗室管理和實驗教學，高?，F(xiàn)在更加重視學科建設和科研工作，因此在實驗教師隊伍人才引進和教師培養(yǎng)上投入不足，而現(xiàn)有教師隊伍建設不足又直接導致在職教師工作量大，總結和提升的精力不足。實驗教師參加各種師資培訓、學術交流活動、科研項目合作的機會比較少，直接導致教師在實驗項目開發(fā)和內(nèi)容的設計上也多為理論教材對應的驗證性實驗，顯少有向高水平研究的創(chuàng)新綜合實踐類項目，總體來看實驗教師的創(chuàng)新經(jīng)驗稍顯不足，不能更好地支撐與培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力。

2）實驗教師在教育教學方法上創(chuàng)新不足，主要表現(xiàn)是授課形式、方法單一，授課形式和方法與理論課授課區(qū)別不大，依托實驗教材，沒有充分利用各類多媒體平臺，授課方式以平鋪直敘的“保姆式教學”為主，直接導致學生實驗積極性不足，未能較好地體現(xiàn)出引導、發(fā)散、設計然后驗證回歸工程的實踐教學特點。

3）實驗室共享程度低，實驗內(nèi)容較為封閉。從管理上電子類基礎實驗室屬于電工電子教學實驗中心，專業(yè)實驗室屬于學院實踐平臺，由于管理形式造成電子類基礎實驗室欠缺與后續(xù)專業(yè)實驗室教師之間的交流，一方面導致實驗內(nèi)容的銜接、各實驗室信息資源共享困難，局限性較大；另一方面缺少相關專業(yè)工程背景的交互，實驗內(nèi)容和實驗目標未能充分體現(xiàn)工程化思想，或對相關思想解釋引導不足。

如何建設一支理論基礎扎實、有工程實踐經(jīng)驗和實驗項目開發(fā)能力、具有創(chuàng)新性思維的實驗教師隊伍是實驗室建設的重要工作之一，本文主要以實驗案例設計為抓手，探討提升實驗教師工程實踐能力的方法和主要舉措。

二 以實驗案例設計為抓手提升教師工程實踐能力的舉措

實驗教師是實驗教學的一線力量，要想培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，要求實驗教師具備創(chuàng)新項目的設計和工程實踐能力，本文從以下四方面開展工作持續(xù)改進提高實驗教師的工程實踐能力和教學水平。

（一）建立實驗教師階梯式培養(yǎng)機制促進青年實驗教師成長

由學院和中心共同努力建設階梯式教師能力培養(yǎng)機制，開設青年教師訓練營加深電工電子教學中心實驗教師與各個專業(yè)教師的交流合作，按照課程組建教學團隊，老教師、工程經(jīng)驗豐富的教師與年輕教師、工程經(jīng)驗不足的教師共同負責實驗項目的開發(fā)和教學，共同完成教學研究和教學改革工作，各項工作遵循“以學生為中心、以能力培養(yǎng)為導向”的工程教育理念。信息科學與技術學院每學期開展實驗教學競賽、教學示范和交流，利用全校每周五下午沒課的時間討論，定期組織教學項目的立項，并邀請校內(nèi)外專家對實驗教師的教學改革工作進行指導。終身學習、自主學習的理念不應僅用于學生，也應該融入教師培養(yǎng)的過程中。通過這種階梯式的培養(yǎng)機制將實驗教師培養(yǎng)工作與教學改革工作有機結合，真正發(fā)揮“學、幫、帶”的作用，增強實驗教師自主學習的積極性，有效提升實驗教師綜合能力。僅2022—2023 學年中心就組織電工電子實驗教學中心的教師與信息工程、測控技術及自動化專業(yè)的教師交流活動3 次，專業(yè)教師從后續(xù)科研和發(fā)展的角度，對電子類實驗教學提出了要求，對實驗教師設計的實驗內(nèi)容進行指導并提出建議，組織教學名師為青年教師傳授教學經(jīng)驗，討論如何設置實驗內(nèi)容和改革實驗教學模式，讓學生更有興趣做實驗，同時設置問題和小“故障”，讓學生在實驗過程中接受挑戰(zhàn)，提升完成實驗的獲得感。

（二）開發(fā)工程背景實驗，創(chuàng)建立體化實驗教材，培養(yǎng)教師綜合能力

引導青年教師參與開發(fā)具有工程背景的配套實驗項目，一方面可以鍛煉實驗教師的工程實踐能力和科研水平，另一方面又能將科研轉化成實驗案例項目運用在實驗教學中，提升教師能力和水平的同時，也培養(yǎng)了學生的工程實踐能力，教師與學生共同受益。

在教育信息化建設推動下，實踐教學方法與實踐教學內(nèi)容也在不斷地變革與擴充，實驗教材早已不再局限于紙質(zhì)書籍，在線教學資源非常豐富，包括MOOC、實驗視頻及其他線上教學資源，與傳統(tǒng)實驗指導書一起形成了立體化的實驗教材資源。立體化實驗教材和數(shù)字化的教學資源，為學生隨時隨地采用多種方式、多形態(tài)的自主學習創(chuàng)造了條件，激發(fā)了學生學習的興趣，還能幫助學生快速學習并掌握實踐技能，學生的工程應用能力也得到顯著提升[6-7]。實驗教師可以總結教學經(jīng)驗，開發(fā)有特色的立體化的實驗教材及其他數(shù)字化的實驗課程資源，既能夠滿足當前多樣化、個性化、實用化的實踐教學需求，又能夠鍛煉實驗教師的業(yè)務能力，促進教師職業(yè)發(fā)展。2021—2023 年中心實驗教師每年持續(xù)開發(fā)新實驗，保證實驗內(nèi)容每年的更新率達到20%，出版了3 本實驗教材。中心自2021 年至今從實驗內(nèi)容的數(shù)字化、實驗管理過程的數(shù)字化兩方面開展實驗課程數(shù)字化資源建設。

電工電子實驗教學示范中心以實驗案例設計為抓手開發(fā)新實驗項目，安排教師參加實驗案例研討會，學習實驗案例設計的成功經(jīng)驗和先進教學理念、內(nèi)容、技術和方法。鼓勵實驗教師積極開發(fā)新實驗，包括綜合性和設計性實驗，教師可以根據(jù)科研項目或者和企業(yè)一起選擇具有工程背景的實驗項目，既可以拓寬學生科研視野，同時設置開放性的實驗項目為學有余力的學生提供更多提升的機會，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才奠定基礎。經(jīng)過實際教學應用的實驗項目總結形成實驗案例參加全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計比賽[8-10]。2021—2023 年中心教師開發(fā)新實驗17 項，其中有9 項參加全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽，其中3 項獲全國一等獎，1 項全國三等獎，1 項華北賽區(qū)一等獎，2 項華北賽區(qū)二等獎，1 項華北賽區(qū)三等獎。這些獎項證明了實驗教師具備了良好的工程實踐能力，開發(fā)的實驗項目能夠培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新能力。

（三）加強教師培訓與對外交流合作，拓展實驗教師視野空間

電工電子基礎課程實驗教師隊伍結構的調(diào)整和完善是一個持久的過程。特別是中心新引進的青年教師，大多是高校應屆畢業(yè)生，沒有到企業(yè)工作過，工程經(jīng)驗明顯不足，同時也存在個人發(fā)展規(guī)劃不明確的問題，中心安排經(jīng)驗豐富的老教師一對一地指導和幫助青年教師，創(chuàng)造機會讓青年教師參與到科研團隊，提高自身科研水平。同時通過參加教學比賽、教師訓練營等活動提高教學能力。目前，北京化工大學和北京交通大學、北京理工大學、北京航空航天大學、北京郵電大學等京內(nèi)電類教學實力雄厚的國家級實驗室建立聯(lián)系，派青年教師參觀學習。同時請京內(nèi)外教學名師、企業(yè)專家入校指導或者專家講座等方式，幫助青年教師提升科研和教學能力[8-10]。此外，還鼓勵教師通過網(wǎng)絡查找學習引進國內(nèi)外先進的教學資源提高課程教學質(zhì)量；鼓勵教師積極對外交流、溝通，向兄弟院校學習先進經(jīng)驗，開闊建設思路，取長補短，通過與國內(nèi)相關高校同行學習交流解決課程建設、教學方法改革、工程實踐能力提高等問題。

（四）加深與行業(yè)企業(yè)的聯(lián)系，參與或參觀產(chǎn)品生產(chǎn)流程，聘請企業(yè)導師參與課程建設

積極推動與企業(yè)的交流合作，企業(yè)在高校人才培養(yǎng)過程中起到了越來越重要的作用，加強實驗教師與企業(yè)的交流和合作，邀請企業(yè)參與到人才培養(yǎng)過程有助于培養(yǎng)學生工程實踐能力。目前，開展校企合作主要通過聯(lián)合申請并完成教育部產(chǎn)學研合作項目、支持實驗教師參加企業(yè)培訓、新建校企聯(lián)合實驗室等舉措，提升實驗教師的工程實踐能力。北京化工大學電工電子實驗教學示范中心和教學設備研發(fā)企業(yè)包括深圳市易星標技術有限公司、北京夢之墨科技有限公司合作建立的聯(lián)合實驗室，企業(yè)到學校對實驗教師進行培訓，為教師開發(fā)新實驗提供支持和幫助。特別是在北京化工大學-深圳市易星標技術有限公司智能在線共建實驗室，依托遠程實境實驗平臺，自主開發(fā)實驗，在新冠病毒感染疫情期間發(fā)揮了重要的作用，彌補了仿真實驗的不足，加深了學生對實際電路的認識和了解、培養(yǎng)了學生調(diào)試電路的能力。

另一方面，高校主要依托校企協(xié)同建設實驗室平臺，教科融合；隨著信息技術的快速發(fā)展，實驗實踐教學體系和實驗教學內(nèi)容只有不斷地更新才能更好地服務于學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，實驗室硬件建設特別是實驗設備和儀器的選擇要更合適的教學內(nèi)容和實驗項目，才能更好支撐實驗教學開展服務人才培養(yǎng)。所以，實驗室的儀器和設備不能完全依賴于成套購買，自制實驗設備既能夠根據(jù)各專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，開發(fā)更多綜合性設計性實驗，提供更多的開放性實驗內(nèi)容，也是對商用儀器設備的良好補充。根據(jù)學校各專業(yè)人才培養(yǎng)和實踐教學的具體需求，結合實驗教師自身的工程經(jīng)驗和科研資源，研制自制設備或者實驗板卡，既能夠提高教師的工程實踐能力，同時隨著自制實驗設備和板卡的開發(fā)、使用并不斷升級，也能夠有效地鍛煉青年實驗教師隊伍，提高實驗教師業(yè)務能力和工程能力，調(diào)動教師工作積極性。自制實驗設備和板卡在拓寬實驗實踐教學內(nèi)容、促進教材建設、加強實踐教學改革等方面也發(fā)揮著積極作用。

中心在全面推行上述四個舉措提升實驗教師工程實踐能力的水平基礎上，積極推薦實驗教學方法改革。在實驗教學上，改變往常布置實驗任務，學生按步驟完成的習慣，教師先拋出問題，引導學生思考，并通過自行查閱文獻，了解實驗項目相關背景知識及可能遇到的實際工程問題；在實驗教學過程中，教師不限制實驗方法和實驗步驟，目標導向，要求學生通過分組討論設計實驗方案，教師審核確定可行后安排學生實驗；最后，學生進行實驗總結。

結合北京化工大學的辦學方針和特色，不斷對實驗教師綜合培養(yǎng)體系進行改造和完善。中心通過提高實驗教師實驗水平，進一步提高了學生人才培養(yǎng)質(zhì)量，高質(zhì)量完成10 門實驗課程的教學工作外，培養(yǎng)的學生在2021—2023 年開展大學生創(chuàng)新訓練項目31 項，在電子類相關競賽包括全國大學生電子競賽、全國大學生嵌入式系統(tǒng)競賽、藍橋杯電子類競賽等賽事中累計獲國家級一等獎3 項，其他國家級獎項4 項，省部級獎129 項，參與競賽的學生讀研深造率達到95%以上。

三 結束語

本文以實驗案例設計為抓手，促進教師工程能力提高；推動自制實驗儀器研發(fā)，鍛煉教師綜合能力；規(guī)劃立體化實驗教材編寫，凝練教師工程教學經(jīng)驗。為教師提供培訓和交流的機會、增加企業(yè)實訓和合作豐富教師工程背景、舉辦交流研討會提升教師教學水平，構建一支兼具工程實踐能力和創(chuàng)新能力的電工電子實驗教師隊伍，2021—2023 年的不斷深入改革，通過多舉措提升實驗教師水平，服務于工科專業(yè)電學基礎設計能力和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，提升本科生人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好地支撐了學院一流本科專業(yè)建設。