基于能力培养的实验设计模式研究

王 旃

(浙江大学电气工程学院,浙江杭州 310027)

工科院校的基础型实验普遍存在着知识点分散、关联性弱,缺乏创新空间和缺乏师生互动等缺点,而且还存在实验效果不理想、选课人数较多和课内学时较少的矛盾。

为了既要做到保留电类基础实验内容,又能满足以能力培养为核心的工程实践教学的要求,我们在这方面进行了一些探索与实践。

1 解决方案

我们在原有的电类基础型实验项目中挑选出能体现电路基本原理和基本规律的核心内容,拆解分割成若干知识单元保留下来。我们还根据知识分解和能力分析两个要素,构建了以能力培养为目标的实验模式。参照已确立的能力需求,进行知识单元的重新组合,使得每一个知识单元都有与之相对应的明确的能力培养目标。

实验模式的构建遵循了如下原则。

(1)基础性原则—学生通过实验对工程基础的核心原理有透彻理解。

(2)实践性原则—进行知识单元与能力需求要素的对应时,应突出它们与工程实践之间的有机联系。学生在学习这些内容时能充分感受到“置身于一个真实的实践环境中,从而更好地理解基础知识、发展工程技能”[1]。

(3)主动探究性原则—组合过程中,知识单元的布局应体现出循序渐进的探索特征,单元之间在衔接时,要重视问题情景和学生参与环节的设置,以实现在运用此模式进行启发式的教学时,达到“训练学生鉴别和定义一个问题,并通过寻找和过滤信息,逐步找出解决方案的能力和方法”的要求[2]。

(4)项目性原则—组合后的实验内容应扩展为一个实践应用背景的工程项目,并强调前期的构思,设计环节和后期的总结。以使学生学习并体会知识的系统性和关联性,以及与工程实际相结合的方法。培养学生构建系统的初步意识和技能,为今后进一步学习如何在企业和社会背景下构思、设计、实现和运作系统打下基础。

同时,由于项目内容的复杂程度和周期跨度增大,使得部分实验内容只能以学生小组的形式共同完成。这就要求学生既能独立实验,又能作好群体合作,在团队中只培养和发挥其领导能力、沟通能力和协作精神。

3 实施与效果

现以一个实验项目为例,简要介绍实施过程与效果。

“非线性元件特性曲线的测定及曲线绘制”是一个传统的基础型实验,是涉电类专业学生的必修项目。主要是通过对几种常用非线性元件伏安特性曲线的测定,达到掌握伏安特性的概念、测定方法以及曲线绘制方法的目的。但是,实验任务仅限于完成特性曲线的绘制,与实际工程问题缺少关联性,学生在实验后感到缺乏理论收获和实用价值。

我们为此参照基于能力培养的实验模式,对该实验进行了重新整合,并在电类和近电类专业中各选取了一个班级进行了试点。

(1)调整实验内容,引导自主探究

我们将原先非线性元件采用的稳压管改用热敏电阻。但是,学生在实验前对热敏电阻的伏安特性了解得较少。因此,学生必须在实验前期收集资料和构建实验方案,使这个实验具有了自主探究意义。

(2)设置问题情景

在实验过程中,我们会设置一系列由浅入深的问题。例如,直流稳压源都有最大输出功率的限制,这个限制将直接影响实验数据的测定。我们事先强调了这个限制的条件,学生为了实验数据能够达标,一定会努力寻找问题出现的症结所在。此后,学生便会尝试多种解决方案。例如能否用稳流源代替稳压源,或者通过调节串接电阻的阻值来解决等。由于解决方案的多样化和未知性,增加了学生对实验的兴超性。我们将学生分组进行实验,鼓励组员以及小组间的互相交流,学生的团队合作意识和创新意识得到了培养。

(3)关注实践效果

我们拓宽了热敏电阻伏安特性的研究范围,要求学生给出几种工程中电流过载保护的主要技术。再利用实验室条件实施过流保护的应用情景。

整个项目设计用时4课时,在试点班级实验课时结束时,许多学生仍在激烈争论和苦思冥想,课堂气氛十分活跃。学生的学习主动性和热情显著高于非试点班级。一周后,学生提交了实验报告。其中的背景资料、测量原理、测量数据、实验结论、实验拓展和问题思考等,描述得非常具体,远远超出任务书要求。例如“实验体会”一栏中,一名学生这样写道:“关于可调电阻的限流指标,如果老师直接写在黑板上,这个实验做做也就过去了,一点不难。但我却花了很长时间,经历了一次次的过载、跳闸、合闸、再尝试的过程,换来了这样一次恍然大悟,这也许才是我们真正需要的。”

4 结语

实验试点实施的效果表明,基于能力需求的实验安排,是培养学生实践能力的一种有效途径。而在此过程中,教师及时有效地向学生提供指导和实践体验机会非常重要,为学生后续创新能力的培养打下良好的基础。

[1] E.F.Crawley,查建中,J.Malmqvist,D.R.Brodeur.工程教育的环境[J].武汉:高等工程教育研究,2008,4

[2] E.Butun,H.Erkin and L.Altintas,A new teamwork-based PBL problem dasign fo r electrical and electronic engineering education:a systems approach,[J],Int.J.Elect.Enging Educ.,45(2)(2008)110-120

[3] 熊宏齐等.教学实验项目类型及其“开放内禀性”[J].北京:实验技术与管理,2008,1