電工電子類實驗教學模式與實踐

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摘要：為適應新工科建設要求、培養創新型應用人才，西安交通大學電工電子國家級實驗教學示范中心打破原有的實驗教學模式，進行了實驗教學模式的改革與實踐。通過重新整合實驗教學資源、應用模塊化實驗平臺、現代信息技術與實驗教學相融合等途徑，將探究式、互動式、啟發式教學貫穿實驗教學全過程。積極開發和建設慕課、微課、遠程實驗教學資源，建立多元化實驗教學體系，努力提高學生的自主學習能力和實踐能力，實現個性化發展培養目標，以期培養適應新工科發展的創新型人才。

關鍵詞：新工科；實驗教學模式；實踐創新；人才培養

高等工程教育必須培養面向未來的創新型卓越工程人才，以應對全球環境污染、資源短缺、人口老齡化等帶來的嚴峻挑戰[1]。新工科作為高等工程教育改革與創新的發展方向，提倡重實踐、跨學科、理論與實踐結合，持續改進創新人才的培養目標、培養方案、課程體系和教學方法[2]。西安交通大學電工電子國家級實驗教學示范中心(簡稱中心)多年來堅持以培養人才為核心，以提高學生的實踐能力為宗旨，不斷對電工電子實驗教學進行深化改革[3]，積極開發并建設慕課、微課、遠程實驗教學等多元化教學體系，旨在提高學生自主學習、動手能力，培養創新型應用人才[4]。

1電工電子類基礎課程的實驗教學現狀

1.1教學內容

實驗教學內容陳舊，僅停留在對課堂教學中所涉理論的驗證階段；緊扣理論教材設計的實驗內容單一，缺少多學科的交叉融合[5]；在大類招生背景下，師生比例失調、實驗學時少、實驗室物理空間緊張，綜合設計性實驗偏少。因此，目前電工電子類基礎課程的實驗教學偏離新工科背景下創新型應用人才的培養要求，不利于學生實踐操作能力及創新思維的培養。

1.2教學方法

電工電子類基礎課程的實驗教學方法單一，學生普遍“重理論、輕實驗”?，F階段的實驗教學主要集中于對實驗的講解，對于實驗的設計思路表述較為簡單，學生只是按部就班地完成實驗，難以達到學以致用的目的，不能滿足新型人才培養的需求。

1.3管理體制

在大類招生背景下，實驗室管理體系、預約制度不完善，導致實驗室運轉效率低，共享困難；實驗室經費僅能保證基本的實驗教學，無法顧及實驗室長期規劃建設和先進教學設備的購置。這導致新的教學手段難以應用于教學；實驗儀器陳舊，新型設備較少，實驗室環境條件較差；信息技術在教學和實驗中應用較少，主要采用常規教學和實驗指導方法[6]。

2新工科視野下電工電子類基礎課程實驗教學改革的實現路徑

2.1通過對原有實驗課的再造和全新組合式課

程設計實現“綜合化”中心在實驗教學中打破了以往多個教學組各自為政、條塊分割的現象，通過實驗教學人員流動、實驗資源流動、教學方法交流、實驗內容交叉和銜接，使得原有實驗課程得以提升與改善[7]。要實現對原有實驗課程的再造，關鍵在人。第一，中心鼓勵一線任課教師參與實驗指導，有助于一線教師了解學生實驗中出現的問題，從而在課堂教學中進行重點講解，還能幫助實驗教師進行實驗內容改革；第二，加強多個實驗教學組之間的互動交流，有利于彌補原有實驗教學的不足；第三，鼓勵實驗教師將現代電子電氣技術融入實驗教學中，通過不斷的探索，完成了許多常規實驗的再創造。在電路實驗教學中，中心開展了故障診斷綜合實驗和電阻網絡的故障診斷開放實驗等，進而引申出電力系統接地網故障診斷、如何測量接地電阻等深層次實驗內容。原有的模電課程實驗基本是驗證性實驗，雖然要求學生自行在面包板上搭建電路，并進行調試和測試，但是電路是設計好的，所以它仍屬于驗證性實驗。通過提出設計要求，由學生自己設計電路，并制作印制電路板，實現從驗證走向設計[8]。

2.2通過豐富的實踐選修項目菜單和模塊化設

計實現“工程化”綜合性實驗的模塊化有助于學生的綜合學習和實踐操作能力的培養。模擬電子技術基礎是一門專業基礎課，工程實踐性強，信號產生電路、電壓放大電路、直流穩壓電源等都有廣闊的工程應用背景。結合實際應用背景，將這些電路與實際電路結合起來，極大地提高了學生實際應用知識的能力。由于模電實驗的內容環環相扣，后續所有實驗也都要測量這些參數。通過這樣的訓練，極大地加強了學生對于模電實驗方法的掌握，也使其了解到工程實際中應分析電路的哪些參數。電子系統設計與實踐課程是以微處理器為核心，通過模塊化設計思想可以將電子系統設計從初級開發轉變為高級設計。中心通過建立基于微處理器的硬件模塊庫和軟件模塊庫，培養學生快速開發以微處理器為核心的電子系統設計能力。電子系統設計與實踐課程以設計目標為導向，要求學生遵循自由選擇模塊構建系統→初步調試→自主設計→系統綜合調試的設計流程，最終進行作品驗收。通過模塊化設計可以培養學生工程設計的素養，適應新工科建設要求。

2.3通過增加學生在學習過程中的自主權實現“個性化”

在電工電子基礎課程的理論和實踐教學過程中，以學生為中心，滿堂灌的教學方式早已被淘汰，教給學生知識不如教給學生如何獲得知識。每個學生的情況都是不同的，如何根據學生的情況，給出不同的實驗教學內容和教學方法，需要每個實驗教師不斷努力。模擬電子技術基礎課程從2017年開始在中國大學在線教育平臺上開展慕課教學，同時積極嘗試混合式教學和翻轉課堂教學，以期改善課堂教學效果、提升學生的自學能力。中心鼓勵學生自主選擇實驗內容，經與課程負責人商量并同意后，學生就可以選擇自己更感興趣的實驗內容，已有數十名學生通過自選內容高質量地完成了模電實驗。由于課程調整，微處理器實驗沒有配套的指導書，在介紹了處理器共性概念的基礎上，采用翻轉課堂形式，學生自愿報名，查資料，準備PPT，教師進行課前指導和修改PPT，賦予學生更多的自主選擇權。另外，對學有余力的學生，中心開設多個開放實驗題目供其進行拓展學習。這種實驗模式在因材施教基礎上進行創新，克服了實驗指導書對學生的約束，實現了學生的個性化發展，不僅可以激發學生創新，同時也利于教學相長。

3實驗教學改革及效果

3.1實驗教學改革

為培養適應新工科建設的創新型應用人才，中心實驗教師借助先進教學設備，提高教學效果，電路及模擬電子技術實驗室購置多功能交互式電子白板。通過制作PPT和視頻，使得實驗原理和儀器的介紹不再枯燥乏味。借助交互式電子白板廣泛開展小組討論，讓學生積極參與實驗，各抒己見，活躍課堂氣氛。充分利用仿真軟件，引導學生變被動參與為主動學習。在電路實驗教學中，教師通過編寫仿真與操作任務相結合的實驗任務書，先進行仿真操作，再進行實際測量，使得驗證型實驗具有設計性，加深學生對實驗的理解，提高實驗教學效果。在新工科背景下，學生在學習過程中擁有更多的自主權。為使教學手段更為靈活，中心已引入多種信息化教學手段，見表1。為增強產教深度融合，培養創新型應用人才，在數字電子技術與微處理器基礎課程教學中，每學期都會請TI，ARM，Xilinx等公司的相關工程師，為學生講授行業的最新發展及技術實現方法。

3.2　實驗教學改革效果

“鼎陽杯”全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽是全國唯一的高校電工電子類基礎課程實驗教學比賽，中心教師踴躍報名，獲得了多項獎勵，其中“鼎陽杯”1項、一等獎7項、其他獎項3項。圖1為實驗現場及實物展示。圖1實驗現場及實物展示為適應新工科建設要求，2019年，中心組織9組共27名本科生參加了全國大學生電子設計競賽，共獲得全國二等獎3項，省一等獎4項，省三等獎1項；發表論文26篇；并取得兩項專利：串聯諧振型無線功率傳輸系統的電磁干擾預測方法，一種變壓器故障后電網有功潮流快速估算的方法。其中，MariyamArif的論文《基于深度學習的短期負荷預測與線性規劃的經濟負荷調度》獲2019年西安交通大學優秀碩士學位論文。

4結語

就高校而言，新工科建設主要是以實際應用為目的，通過多學科的交叉融合達到對原有工科專業的升級再造。在新工科背景下，中心通過實驗教學人員流動、實驗資源共享、教學方法改革、實驗內容交叉和銜接，完成了對原有實驗課程的再造；基于模塊化實驗平臺與“互聯網+智能控制平臺”實驗模式，將電工電子類基礎課程進行全新組合，推動移動互聯網、慕課等現代信息技術與實驗教學的深度融合，從基礎實驗到綜合設計，逐步培養學生的實踐能力和創新能力，為培養創新型應用人才做出貢獻。

參考文獻

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

[2]白逸仙,柳長安,艾欣,等.工程教育改革背景下傳統工科專業的挑戰與應對—基于十校“電氣工程及其自動化”培養方案的實證調查[J].高等工程教育研究,2018(3):53-62.

[3]劉曄,沈瑤,原曉楠,等.以電工電子基礎課程實驗案例設計競賽為抓手促進實驗教師隊伍建設[J].實驗科學與技術,2020,18(3):145-149.

[4]王利爽,陽榮威.“雙一流”建設背景下“C9聯盟”高校師資隊伍及結構調查研究[J].大學教育科學,2017(6):6.

[5]劉宇雷,佘明.“新工科”背景下高校實驗教學體系建設探索[J].實驗技術與管理,2019,36(11):19-21.

[6]張海峰,毛建瑞,劉一.創新人才培養視閾下的高校教學實驗室綜合改革[J].實驗室研究與探索,2017,36(11):246-251.

[7]劉洪久,范炳良,孫偉國.應用型本科院校經管實驗教學中心建設研究[J].常熟理工學院學報,2009,23(12):67-70.

[8]孫敏,金印彬,寧改娣,等.OBE理念下數字電子技術實驗教學改革與實踐[J].中國教育信息化,2020(2):41-43.

作者：單位：陳琪 劉曄金 印彬 沈瑤 原曉楠 西安交通大學電工電子國家級實驗教學示范中心