构建研究性实验教学体系的思考与实践

王明彦

摘要：目前，国内大学开展研究性教学主要集中在课堂教学层面，对在实践教学环节中如何开展研究性教学还未给予足够的关注。本文论述了研究性教学的本质特征，并将研究性教学的原理应用于“电力电子技术”课程的实验教学，构建了由“验证性实验”、“课程设计”和“创新研修项目”组成的“电力电子技术”研究性实验教学体系，介绍了建立该实验教学体系的指导思想、基本内容和实践效果。该体系的实施，对于提高学生创新思维和创新能力具有促进作用。

关键词：研究性教学；研究性实验教学体系；创新能力；电力电子技术

近年来，为了培养学生的创新意识和创新能力，我们结合教育理念和教学模式改革，建立了电力电子技术课程的研究性实验教学体系。实践结果表明，这一体系的实施，对于学生创新精神和创新能力的培养具有重要的作用。

一、研究性教学是培养学生创新能力的重要途径

从“创造教育”的角度来看，“创造”始于“研究”。“研究”是指探求事物的真相、性质、规律等的活动。学校培养学生的创新意识和创新能力的根本途径是开展研究性教学。研究性教学是教师以培养学生的研究意识、研究能力和创新能力为目标，通过教学过程的研究性，使学生不仅掌握系统的学科知识，还能综合运用知识去发现、分析和解决问题，学会研究与探索，培养研究能力、实践能力和创新能力的一种教学模式。

研究性教学的本质特征体现在以下几个主要方面。在教学理念上，以发展学生能力为本，通过将知识传授者的角色从“教师”转变为“导师”，实现学生在知识获取过程中的地位由“被动”到“主动”的转变，学生在教师指导下积极、主动地参与获取知识、应用知识和解决问题，提升研究与创新能力；在教学方法上，教师将研究引入教学中，采用引导式、启发式、探究式等教学形式，引导和指导学生对研究主题开展研究，主动发现、分析和解决问题，在研究与探究的过程中自我获取知识、训练技能、培养自我学习与研究能力；在教学模式上，从国外发展起来的几种典型的研究性教学模式，如案例教学(Case Methods of Teaching)模式，基于问题解决(Problem-solving)模式和基于问题(Problem-based)的模式，其实质都是以“问题研究”为中心，有利于培养学生发现问题与综合分析问题的能力，有效提高教学效果；在教学形式上，研究性教学过程中教师引导学生效仿专家学者的研究方法，如专题研讨、课题研究、方案设计、仿真模拟和实验操作等，研究、探索并解决学科或课程内容中理论前沿问题以及与学科或课程内容相关的工程应用中的现实问题；在教学内容的选择上，研究性教学从学科领域或课程内容中选择研究主题，可以是学生在一门课程学习中未知的问题，也可以是多门课程交叉的问题，可以是理论问题，也可以是应用型课题。

研究性教学的这种本质特征，是对现有的继承性教学模式的突破，有利于开发学生的创造潜能，提高学生适应社会需要的创造性和创新能力，充分发挥现代大学培养人才、发展科学、服务社会的基本职能。因此，如何建构行之有效的研究性教学模式已成现代大学教学改革的当务之急。

二、研究性实验教学体系的构建

1研究性实验教学理念

近几年，许多高校加强了实践性教学环节的建设，但实验教学方面仍然存在诸多不足。在我校电气工程及其自动化专业教学计划中，“电力电子技术”课程中实验课时为16学时，占课程总学时数的1／3。实验内容是对教材和课堂教学内容的几个知识点及其原理的一般性验证。验证性实验在建立学生对电能变换电路初步的感性和理性认识、进一步掌握电能变换及其控制的基本工作原理，以及在功率电路的测试和分析方面得到基本工程训练所发挥的作用是毋庸置疑的。但是，从本质上讲，验证性实验依附于理论教学，基本上停留在验证课堂教学内容的层面上，验证内容和知识点是已知的，实验方法与实验内容是预先规定的，实验结论是确定的。显然，这样的实验教学模式不利于培养学生思考、分析和研究问题的习惯。目前，国内绝大多数的工科院校电气工程及其自动化专业课程实验的学时数一般占课程总学时的15％～30％，所有的实验都采用验证性实验模式，必然造成教育资源的严重浪费。

目前，国内大学开展研究性教学主要集中在课堂教学层面，对在实践教学环节中如何开展研究性教学还未给予应有的关注。创新始于问题、源于实践。对于工科院校，不仅要在课堂教学层面采用研究性教学，也要在实践性教学环节开展研究性教学，在某种程度上，后者比前者更为重要。研究性教学在实验教学中的体现是研究性实验。所谓研究性实验，是指学生针对指导教师提出的问题独立设计实验方案、确定实验方法、选择实验器材，独自操作的一种实验教学模式。研究性实验有广义、狭义之分。狭义的研究性实验是具有原创性的较高综合研究性质的科学研究实验；广义的研究性实验与验证性实验相对应，具有探索事物性质的设计性实验、应用性实验和综合性开发性实验，又称为探究性实验，是一种适合于高校的实验教学模式。研究性实验与验证性实验不同，教师在实验之前既不给出实验原理，学生也没有现成的实验方法和实验步骤可以参考，教师提供给学生的是一系列的问题、参考材料、实验要求和必要的实验器材。学生要在查找和阅读参考材料的基础上，经过认真研究和思考，才能找到初步的答案或结论，明白有关原理并独自拟出实验步骤、选择有关器材以实现该实验的要求。通过这样的实验，学生能深入理解实验原理，评价实验所取得的成效，找出不足和改进措施，检验自己分析和研究结果的正确性，提高自学能力、动手能力以及分析问题和解决问题的能力，进而培养学生的创新思维和良好的心理素质和科学品质。在实施研究性实验教学过程中，一方面要以学生为主体，引导学生对改进实验方法、手段进行思考；另一方面要尽可能地给学生更多的时间和空间，让学生独立完成实验的设计，完成实验全过程，对实验结果进行分析和处理。

2“电力电子技术”研究性实验教学体系

根据研究性实验教学的原理，我们建立了“一个中心，两个途径，三个层次，四个转变”的实验教学理念。“一个中心”是指在实验教学中以培养学生研究和创新能力为中心，改变了以培养学生动手能力为中心的实验教学指导思想；“两个途径”是指学生获得知识的途径除了从课堂教学由教师传授以外，还从实验教学由自己学习，学生在实验课中自己独立学一些知识点，培养自学能力，还可弥补课堂教学时数的不足；“三个层次”是指实验教学体系包括验证性实验、设计性实验和研究性实验三个递进的层次；“四个转变”是指教学实验内容从限定到限选的转变，实验教学目的从以验证为主到分析、研究与自我验证相结合的转变，从以原理分析波形观测为主到原理分析、理论设计与工程应用相结合的转变，实验平台的组成从以实验装置为主到硬件实验与仿真实验相结

合的转变。

电力电子技术是研究电力电子器件的设计与制造和用电力电子器件组成电力电子电路对电能形式进行转换的技术。“电力电子技术”课程则是以研究电能变换的基本原理和电路拓扑以及电能变换过程的控制原理为核心内容的课程，在国内高校自动化和电气工程及其自动化专业教学计划中一般被定为必修的专业基础课，在本科生、硕士和博士研究生的知识结构中占有重要的基础地位。电力电子技术课程具有以下主要特点：(1)电力电子技术发展迅速，特别是最近几年，新技术和新的知识点不断出现，但受学时数限制，在教学内容的组织上，新旧知识的传授难以面面俱到；(2)电力电子技术有很强的实践性，知识的获取不仅要通过课堂教学途径而且更要通过实验教学的途径；(3)电能变换电路及其控制技术类型多，如果追求实验教学内容的全面性，则需要大量的实验设备。我们结合多年教学实践，对这些特点进行了深入分析和研究，运用研究性教学原理对原有的实验教学模式进行了深入改革，建立了一套适合于电力电子技术课程教学的研究性实验教学体系，该体系由三个层次的实验组成。

第一层次是与课堂教学相配合的验证性实验。验证性实验的教学目的是进一步强化对有关的基础理论的认知和巩固知识，培养基本的实验技能技巧、动手能力等。学生从“三相桥式整流与有源逆变的原理分析”，“双极性直流斩波电路的性能研究”，“交流调压的相位控制与斩波控制技术”和“SPWM技术与电压型逆变器”这4个基本实验中任选2个，通过实验，深入理解和巩固所选基本电能变换电路拓扑结构和工作原理。学时数占整个研究性实验教学体系的30％。从教学进程来说，属于创新性思维能力培养的基础阶段。

第二层次是课程设计。从教学内容上，课程设计的题目范围是“AC-DC”、“AC-AC”、“DC-DC”和“DC-AC”这四种典型电能变换原理在工程中的应用技术。例如，应用逆变(DC-AC)原理的“不停电电源(UPS)的设计”和“SPWM逆变器的设计”；应用直流斩波(DC-DC)原理的“直流电动机调速驱动器的设计”；应用AC-AC变换原理的“交流调压器设计”和“交流调功器”的设计：应用整流(AC-DC)和有源逆变原理的“直流电机可逆调速控制系统”的设计。要求每组学生选择一个课题，根据自己的理解先进行方案设计和分析，然后完成实验电路的搭建、调试、分析、研究和技术验证。最后，写出设计报告，内容包括：工程背景；所采用的核心技术的原理：课题的技术路线和技术方案：调试过程和实验数据的整理和分析；结论(技术路线和技术方案是否正确?如果在规定的时间内没有完成设计，问题在哪里?如何调整技术路线和技术方案?自学或延伸的知识点有哪些?还可以用于什么工程背景?)。课程设计在研究性实验教学体系中所占的比例在50％，是非常重要的组成部分。弥补了课堂教学时数的不足(“电能变换的应用技术”在课堂教学中教师需要4学时讲授)，为学生提供了锻炼主动性和自学习的能力、综合运用所学到的基础理论知识进行创新设计的能力、独立分析、研究和解决问题的能力的平台，也为毕业设计(学位论文)环节奠定了基础。

第三层次是创新研修项目。创新研修项目所占的比例为20％。这部分的实验在某种程度上属于“研究性试验”，最终结果可能是未知的或不可预见的。为体现因材施教的原则，创新研修项目的承担者是学有余力或欲取得课程考核“优秀”成绩的学生。由教师提出一组具有学术前沿性的理论性或技术性课题，2～3名学生自由组合成一个研究小组，任选一个题目。学生选题后，查阅有关的文献，了解该课题的研究现状、研究方法等，制定研究方案，实验平台的搭建、测试、数据整理等过程都由学生自主完成。实验完成后，写出研究报告，内容与课程设计报告相同。

创新研究项目涉及的内容属于课程的选修内容或具有学术前沿性的理论性或技术性内容。主要研修课题有“绿色整流技术——多重化整流与PWM整流技术方案研讨”、“基于空间电压矢量调制技术的多电平逆变控制”、“全桥移相零电压DC-DC变换技术研究”、“功率因数校正(PFC)技术研究”、“驱动电源对异步电动机机械特性影响的研究”、“H桥式变换器的多功能性研究”、“电流跟踪型控制与SPWM面积等效控制的差异性研究”、“直流电子负载设计”、“交流电子负载设计”、“开关电源的设计”、“光伏发电系统的设计”，以及学生自选项目，例如，根据个人兴趣自我立题，与大学生电子竞赛相关的基础技术研究课题，课程设计没能完成的课题。

为学生提供的创新研究项目的硬件平台属于功能性平台，来源于近年来电力电子技术教学组的教师或教师指导学生完成的学校“教学实验技术研究项目”和国家、省和部委基金项目中的硬件研究平台。特别要指出的是，创新研修项目也可以采用计算机仿真实验形式，我们给学生提供了PSPICE和MATLAB／Simulink仿真实验环境，可解决实验设备功能和数量不足的困难，具有高效、高精度、高经济性、高可靠性和方便灵活等诸多优点。运用仿真实验的工具，学生可以按学习的侧重面或实际需要，抓住其本质或主要矛盾，对实际对象进行简化提炼，加强了对所学理论的理解，也为学生今后从事工程设计和科学研究打下良好的基础。

三、研究性实验的教学效果

实验过程主要由学生自己掌控，学习主动性增强了，独立分析问题、解决问题能力进一步提高；多种途径查寻相关资料，学习能力和研究能力提高了；学生需要根据所学的知识自己摸索实验方法，实验操作技能普遍提高：研究性实验的设计要求小组成员之间的密切协作和互相配合，锻炼了学生的责任感和协作、互助的团队精神；研究性实验对教师的素质和能力也有了新的要求，教师要对实验方案进行评价指导，有针对性地解决学生实验中存在的具体问题，促进了教师教学水平的提高。

研究性实验教学体系的建立和实行，使得学生的设计能力和创新能力大为提高。与电力电子技术相关的“高功率因数单相桥式PWM整流器设计与分析”，“全桥零电压PWM变换器的研究与设计”，“直接电流控制的三相桥式PWM整流电路的设计与分析”获得哈尔滨工业大学百名本科优秀毕业论文奖；在2006年到2008年举办的全国和省大学生电子设计竞赛中，18人获省二等奖，24人获省一等奖，3人获全国二等奖，3人获全国一等奖。

与验证性实验教学体系相比，研究性实验教学体系对实验室条件、教师的业务素质和敬业精神提出了更高的要求，对学生的要求也更为严格。因此，必须坚持实事求是，以学生为本，因材施教的原则。要准确把握设计和研究课题的难度，在学生看来要“可望可及”，能够在现有的知识水平上，通过合作和努力可以完成。

[责任编辑：杨裕南]