电工技术与电子技术实验教学改革

2013-12-23王香婷张晓春徐瑞东

实验技术与管理 2013年4期

王香婷，刘涛，张晓春，徐瑞东

（中国矿业大学信息与电子工程学院，江苏徐州 221116）

实验教学是现代教学体系中不可缺少的重要组成部分，是培养学生实践能力和创新能力的重要手段和必要途径［1］。“电工技术与电子技术实验”是面向高等工科院校非电类专业学生开设的一门技术基础实验课程。多年来，中国矿大电工电子课程组以学生为主体、教师为主导，在传授知识、培养能力、提高素质、协调发展的教育过程中，强化了以能力培养为核心的实验教学理念，创建有利于培养学生实践能力和创新能力的研究型实验教学体系，在深入开展实验教学改革与建设中，取得丰硕成果。

1 构建课内外一体的创新实验教学体系

课程组在总结多年教学改革经验及成果的基础上根据该课程的基本要求和“宽基础、强能力、高素质”的人才培养原则，以学生能力培养为核心，构建了基础实验层、提高设计层、综合应用层、研究创新层的“四层面”、课内外一体的开放创新实验教学体系。

（1）基础层实验。主要为常用电子仪器仪表的使用、基本理论和基本原理的验证、基本单元电路的搭建和参数测试等［2］。该层面注重培养学生的基本实验技能和实验方法。

（2）提高设计层实验。主要针对课程相关知识点提出设计要求，由学生自行设计实验方案，拟定实验步骤并完成实验。如交通灯可编程控制系统、组合逻辑电路的设计等。该层面注重培养学生的基本工程素质。

（3）综合应用层实验。实验内容偏重于应用型实验，侧重于对课程理论知识的综合应用，是多知识点内容的融会贯通，如步进电动机驱动控制系统、波形发生器等电路的设计。该层面注重培养学生综合运用所学知识的能力以及工程设计能力。

（4）研究创新层实验。主要针对学有余力的优秀学生，开展各类大学生创新研究性实验、科学研究课题以及各类科技创新与科技竞赛活动等。该层面以训练学生科学研究的思维方法、培养科学研究能力和创新意识为目标，注重培养学生创新研学的综合能力。

创新实验教学体系充分发挥学生的个性，在基础实验训练的基础上，突出培养学生对所学知识的融汇贯通，让学生提出问题、分析问题、独立地设计与解决问题，逐步培养学生的创新精神和实践能力，全面提高学生的综合素质。

2 深化实验教学改革与实践

2.1 改革实验教学内容

①优化基础层实验：每个实验项目中增设提高性实验内容，学生在规定时间完成指定实验的基础上，可选作提高性实验，使实验内容更加充实，满足不同层次学生的求知欲望［3］；②增强提高设计层实验：为强化学科知识融会贯通，设置了数字钟电路、篮球竞赛24s计时器、数字电压表设计、步进电动机驱动控制系统设计、彩灯控制电路设计等提高设计性实验［4］；③自选综合应用层实验：学生可自行选择相关项目或自拟题目，根据设计的目标和要求，制定实验及设计方案，教师审核方案，并进行相关指导，学生在实验室完成实验后，以论文形式提交实验报告［5］；④开发创新层实验：对于这一层面的实验，课程组作了很多的研究和探索来培养学生综合实践能力、创新意识和创新能力［6］，仅2011年，课程组教师获得学校开放基金项目15项，选题包括线性稳压电源电路、电池电量检测报警电路、小功率开关电源、精密整流电路、交通灯控制器、忆阻器组成的超混沌电路、简易红外线防盗报警器电路、多功能信号发生器、温度控制电路等，学生通过这种研究创新层实验的锻炼，激发创新意识，提高实践动手能力和创新能力，取得实效。

课程组还开设了“电子创新与实践”等选修课程，开展各类学科竞赛培训和各类学术讲座等。在组织和指导学生参加“全国大学生电子设计竞赛”等学科竞赛中，我校的学生取得了可喜的成绩。

在教学模式和教学方法的改革中，我们坚持以学生为本的理念，注重从验证式教学模式向探究式教学模式转变，通过各种形式启发学生自主学习相关知识并指导他们进行创新性思维［7－8］。

2.2 实施“虚实结合”、“软硬兼施”的实验教学手段

课题组将EDA（electronic design automation）技术引入实验教学，该技术可以使学生在计算机上利用EWB、Multisim、Protues、Matlab 等仿真软件完成电路的功能设计、性能分析、时序测试、程序编制和调试等。实验教学中，我们要求学生在完成实物实验之前，需首先对实验电路和设计电路进行仿真，对设计电路进行系统的分析与调试，得到正确结果后再进行硬件电路的实验。仿真软件为电路设计提供了多种分析方法，拓展了实验的深度和广度，为硬件电路的实现提供了正确的理论依据和设计方案，使课程实验朝着“方案设计—软件仿真—电路设计与制作—系统调试”这一工程实践的流程发展［9］。通过这种“虚实结合”、“软硬兼施”的实验教学手段，着力培养学生电子综合设计能力和工程实践技能。

2.3 实施开放式实验教学

2001年，课程组自行研发了“电工电子技术网络实验教学管理系统”，该系统的建立，实现了时间、内容、场地的全方位开放式实验教学。学生通过我校该课程在系统选择实验、查询成绩、浏览相关课程信息及网络资源；教师通过该系统对实验教学的全过程实现网络信息化管理。实践表明，开放式实验教学，调动了学生学习的积极性和主动性，促使学生克服了依赖教师的心理，培养了学生发现问题、解决问题的能力，对创新性人才的培养起到了很好的促进作用。

2.4 采取多元化实验考核方式

完善学生成绩评价制度是电工技术与电子技术实验教学体系改革的有效手段。对于实验课程课内实验成绩的评定，我们以平时实验成绩占30%、综合实验占20%、实验操作考试占50%相结合，综合评价学生成绩。

平时实验成绩评定主要采取实验全过程的评价方法，即实验预习占20%（教师课前检查），实验操作过程占50%（教师现场记载），实验报告占30%（教师课后评阅）。综合实验评分包括实验课题方案设计和原理电路设计、实验完成情况及实验过程中分析问题和解决问题的能力、总结报告的撰写等3方面。在实验操作考试中，主要考核学生在电路设计、接线调试、仪器设备使用、数据测试、实验结果分析等方面的能力。

3 开发优质立体化实验教学资源

3.1 编写实验教材

2009年，在实验讲义基础上，结合多年实验教学改革实践，从培养学生实践能力和创新能力出发，课程组教师主编出版了《电工技术与电子技术实验》教材（高等教育出版社）。该教材在内容安排上循序渐进，紧跟新技术的发展，将EDA 技术、可编程控制器技术等与传统实验内容有机结合，按基础实验、仿真实验、综合设计性实验分层次设置，以满足现代宽口径人才培养的需要和不同非电类专业的需求，并大幅度更新了实验内容，使综合性、设计性和自主性实验时数占实验教学总时数的50%以上。

3.2 研发实验教学多媒体课件

课程组还研发了与实验教材配套的教学课件。课件形象地反映了实验教学中强调的重点内容，同时将实验设备的介绍、实验仪器和元器件的使用以及仿真软件的操作等直观地展示给学生，改变了原来的实验教学模式，也提升了《电工技术与电子技术实验》教材的品质。

3.3 研发优质网络实验教学资源

为拓展实验教学空间，课程组还自主研发了“电工技术与电子技术实验教学系统”。该系统包括实验课程简介、实验大纲、实验教学课件、实验动画演示课件、EWB仿真演示课件、仪器使用、元器件介绍等模块。学生通过该网站可以预习实验，通过仿真实验演示可以了解实验的原理和实验的操作，大大提高了预习效果。教师们还制作了具有交互性的实验演示及常用仪器设备动画教学课件，学生通过网络动画演示课件进行实验模拟训练，熟悉相关仪器仪表的使用，减少在实验中的误操作，提高实验效率和效果。

实验教材、实验课件以及实验教学网站的立体化建设，极大地的提高了学生实验的积极性，为学生实验提供了全方位的立体化实验教学资源。

4 建立开放式实验教学大平台

在学校“合理布局、优化配置、资源共享、提高效率”的原则下，校主管部门采用“捆绑式”和“打通共建”的建设思路［10］，对现有实验室进行归并和调整，促进优质教学资源的整合和共享。我们学院的电工模电实验室和数电实验室归并整合为3个电子技术实验室，更新了仪器设备，购置了计算机等，使实验室能“一室多用”、“分时复用”；同时还新建了面积为270m2的电工电机综合实验室，课程组教师为该综合实验室自行设计了38套电工电机综合实验装置，可开出直流电路、单相交流电路、三相交流电路、电动机及继电接触控制等多项实验。新建proteus仿真实验室、表面贴实验室等，与ALTERA 公司、TI公司、西门子公司等国内外著名企业联合建立了SOPC 联合实验室、Xilinx联合实验室、先进自动化技术联合实验室等，这些实验室涵盖了当前电子信息技术的新领域，做到实验内容及其实验技术与当前新技术同步更新，拓展了大学生实践创新基地，为“个性化”人才培养提供了创新实践环境，同时也为广大教师构建了从事科学研究的大平台［11］。开放式实验教学大平台的整体结构见图1。

5 教学效果及应用

中国矿业大学的“电工技术与电子技术”课程于2009年被评为国家精品课程，独立设课的“电工技术与电子技术实验”2009年被评为校级精品课程。《电工技术与电子技术实验》教材2011年被评为江苏省精品教材。这些实验教材和相关的实验教学课件每年在我校近30个专业、100多个班级、3 000多名学生中使用。学生普遍反映教材分层次设置基础型、设计型、综合型以及仿真实验等，体现了因材施教、突出了实践能力培养，激发了学习兴趣及参与实验的积极性，收到了良好的效果。

图1 开放式实验教学大平台

课程组通过立项研发了集模电和数电实验一体的模电数电实验装置105 套、“电工综合实训装置”12套，全部应用于实验教学，2007年、2011年分别获校自制仪器设备一等奖和三等奖。值得一提的是，课程组教师们利用假期时间对实验室原有要报废的36台电工实验装置，自己动手进行了改装，使原准备报废的实验装置得到了重新利用，既节约了资金，又将相关实验组数扩充到74组，满足了实验教学的需求。

本课程实验教学网站于2001年开通，为学生实验教学和课后学习提供了丰富的实验教学资源，并已链接到国家级精品课程网站，免费开放，被广泛浏览。