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(yǎng)創(chuàng)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(xiàn)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(fā)式教學貫穿實驗教學全過程。積極開發(fā)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(xiàn)個性化發(fā)展培養(yǎng)目標，以期培養(yǎng)適應新工科發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：新工科；實驗教學模式；實踐創(chuàng)新；人才培養(yǎng)

高等工程教育必須培養(yǎng)面向未來的創(chuàng)新型卓越工程人才，以應對全球環(huán)境污染、資源短缺、人口老齡化等帶來的嚴峻挑戰(zhàn)[1]。新工科作為高等工程教育改革與創(chuàng)新的發(fā)展方向，提倡重實踐、跨學科、理論與實踐結合，持續(xù)改進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)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(yǎng)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(fā)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(yǎng)創(chuàng)新型應用人才[4]。

1電工電子類基礎課程的實驗教學現(xiàn)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(chuàng)新型應用人才的培養(yǎng)要求，不利于學生實踐操作能力及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

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”。現(xiàn)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(yǎng)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(guī)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(huán)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)“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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guī)實驗的再創(chuàng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)“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(yǎng)。模擬電子技術基礎是一門專業(yè)基礎課，工程實踐性強，信號產生電路、電壓放大電路、直流穩(wěn)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(huán)環(huán)相扣，后續(xù)所有實驗也都要測量這些參數(shù)。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(shù)。電子系統(tǒng)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(tǒng)設計從初級開發(fā)轉變?yōu)楦呒壴O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(yǎng)學生快速開發(fā)以微處理器為核心的電子系統(tǒng)設計能力。電子系統(tǒng)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(tǒng)→初步調試→自主設計→系統(tǒng)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(yǎng)學生工程設計的素養(yǎng)，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(xiàn)“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(jù)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(shù)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(chuàng)新，克服了實驗指導書對學生的約束，實現(xiàn)了學生的個性化發(fā)展，不僅可以激發(fā)學生創(chuàng)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(yǎng)適應新工科建設的創(chuàng)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(yǎng)創(chuàng)新型應用人才，在數(shù)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(yè)的最新發(fā)展及技術實現(xiàn)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(xiàn)場及實物展示。圖1實驗現(xiàn)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(fā)表論文26篇；并取得兩項專利：串聯(lián)諧振型無線功率傳輸系統(tǒng)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(guī)劃的經濟負荷調度》獲2019年西安交通大學優(yōu)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(yè)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(lián)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(lián)網、慕課等現(xiàn)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(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型應用人才做出貢獻。

參考文獻

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[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.

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[8]孫敏,金印彬,寧改娣,等.OBE理念下數(shù)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