全面开放自主式网络实验教学探究

王 革 思

(哈尔滨工程大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)



全面开放自主式网络实验教学探究

王 革 思

(哈尔滨工程大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)

从如何吸引学生热爱实验课、热爱科技创新以及更有效地发挥实验教学对学生创新精神与实践能力培养入手，科学系统推进课程群建设，促进各课程之间的内在联系及学科之间相互交叉融合。以学生为中心，按照实训基本技能、提升理论知识应用、培养综合与创新型能力进阶式需求，构建一个多层次、模块化电子电路实验课程体系。设计一个网络实验教学平台，可以进行多层次、多向性的实验教学。研发了EDA实验项目、虚拟仪器实验项目和测控操作平台。通过这些教学资源成果导向，让学生接受教师在教学方法、教学理念方面的创新思想，分享到教师在科研、工程实践方面的创新经验，同时在时间、空间、内容、仪器设备方面实现了全面开放，对培养学生创新精神和实践能力能够起到很大的帮助作用。

网络实验教学; 实验课程体系; 电子电路; 教学资源; 创新型人才

0 引 言

在工程和科学领域中，实验作为理论研究与实践应用的接口环节占据着举足轻重地位。近些年来中心围绕着国家“走中国特色新型工业化道路，建设创新型国家、建设人力资源强国等战略部署”，认真贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)》，从如何更有效地发挥实验教学对学生创新精神和实践能力培养入手，科学系统推进课程群建设，夯实理论知识、重视信息技术、突出实践应用、倡导科技创新教学[1]。将开放与创新作为开放式实验教学的精准目标，优化实验课程体系结构，精选实验课程内容，分层次设计[2]，构建了以学生为中心、成果导向和持续发展的实验教学体系，在培养本科生应用型和创新型人才中取得了显著成效。

1 实验课程体系创新

实验教学方式、实验教学内容改革以及实验课程体系创新都会指向同一个目标：吸引学生热爱实验课，热爱科技创新，更好地消化吸收理论知识，为学生成才打下坚实基础。中心坚持“强基础、重能力、抓创新”的实验教学改革思想，以学生创新精神和实践能力培养为核心，按系列设置课程，将实验课与理论课互为融合，教学内容不断融入科研、工程、创新和实验教学改革成果，引入信息技术，改进实验教学手段，增加新型实验项目，已经形成了比较完整的适合应用型和创新型人才培养的实验教学体系。电子电路课程所包括的模拟电路、数字电路等均为电子信息类专业核心技术课程，其实验教学环节对培养具有创新精神和实践能力的创新型人才起着至关重要作用。中心按课程群系统组织，打破课程之间壁垒，促进课程之间的内在联系及学科之间相互交叉融合，构建了一个以学生为中心的多层次、模块化电子电路实验课程体系。这种实验课程体系遵循“认识、理解、消化、实践、提升”的循序渐进认知过程，通过各种教学资源成果导向，以学习过程的差异去调节学生个体的兴趣、特长、能力和智力的差异，为不同发展特点的学生提供多样化、自主化的学习方式。从实验认知、应用、综合、创新的不同层次[3]，逐级、渐进地培养学生的创新精神和实践能力。

(1) 第一层次是实训基本技能。包括演示、验证、仪器仪表操作等。针对初学者的知识背景，着重培养学生规范化实验技能和科学的思维方式，使学生初步掌握科学实验的方法和设计思想，强化理论知识的理解和实验基础；

(2) 第二层次是提升理论知识应用能力。教师应特别注意启发式、探究式和项目式等多种教学方法的灵活运用，通过对一些简单、有工程背景的问题分析和研究，使学生了解和掌握电子线路分析、设计、仿真、安装与调试整个过程，提高学生独立分析问题、解决问题的能力，培养学生实事求是的科学作风和认真严谨的科学态度；

(3) 第三层次是培养综合与创新能力。这一层次实验教学涉及多门学科理论知识，以项目驱动为导向，以学生为主体，以教师为主导，开放式实验教学[4]。内容安排上既要体现知识的综合性与创新性，又要体现能力素质培养，同时也要强调基础、应用知识部分的重复性。学生还可以自主提出具有一定的水平和前瞻性的题目，倡导论文式的实验报告。激发学生主动学习的热情，有利于学生个性发展，提高学生创新意识和能力。此外，学生还能熟悉和掌握科学研究的基本过程及方法，增强学生面向社会的竞争能力。

2 构建网络实验教学平台

开放式实验教学已成为国内各高校教育教学改革的重要举措和研究热点。然而，现有的开放实验教学模式大多是在教学时间和教学空间上的开放，而不注重教学内容和仪器设备上的开放，所以在一定程度上还是不利于学生自主性和创造力的发挥[5]。网络实验教学平台建设注重传统与现代结合、学用结合[6]，以全面提高学生创新精神和实践能力为核心，以信息化实验教学资源建设为重点[7]。大部分实验内容既可在课内完成，也可在课外完成，其目的是给学生提供开放和自主的学习环境[8]，能够让学生以自己的方法去思考、拓展，不断地提出问题和解决问题，将被动式学习变为自觉学习、主动成长[9]，同时还注重培养学生的创造性思维，使学生在理论知识学习和实践能力锻炼方面均会得到显著的提高，从而实现教学质量的全面提升。

电子电路网络实验教学平台采用微软ASP设计实现，数据库采用微软Access。该平台包括学生用户、教师用户和管理员用户3个子模块以及相对应的功能模块，见图1。

(1) 学生用户模块。其功能包括实验预约、在线实验、实验报告上传、实验成绩查询、实验资料下载、学生用户个人信息管理等。该模块是整个网络实验教学平台的主体。

(2) 教师用户模块。其功能包括教师用户个人信息管理、预约实验情况查看、实验项目管理、实验成绩管理、实验资料管理、实验报告管理等。通过该模块能够确保网络实验教学的顺利进行。

(3) 管理员用户模块。管理员为平台的超级用户，具有最高权限。该模块功能包括系统帐户管理、学生用户帐号管理、教师用户帐号管理、实验项目管理、实验预约管理、实验室公告管理等。通过该模块能够对网络实验教学平台进行初始化以及维护。

图1 电子电路网络实验教学平台结构图

在网络服务器端，基于B/S模式，结合NI公司的Component Works组件等，将EDA实验项目和虚拟仪器实验项目以ActiveX的形式嵌入到HTML文件中，通过IIS以及ASP.NET将这些HTML文件添加到网络实验教学系统中，并且对外发布实现网络实验教学功能。这样，通过网络平台可以进行多层次、多向性的实验教学，学生可以在任何一台网络计算机上进行自主学习和实验。

3 网络实验教学资源开发

3.1 EDA实验项目

EDA技术融合了电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。其中，Multisim 软件是知名的EDA仿真软件之一，它内含数万种元器件和13种常用的虚拟仪器仪表，可以方便地搭接各种电子线路，准确地对电路进行仿真分析。本着实验项目与兴趣相结合、以需求为导向、以问题作牵引、以能力培养为重点[10]的原则，中心利用Multisim软件构建了虚拟的电子电路实验教学环境，按照从基础、应用到创新的发展等级将实验项目分成多组单元[11]，集合成库。运用规范化、模块化的设计方法，研发出4类原创性EDA 实验项目库，分别针对培养学生的实验技能、理论知识应用能力和创新能力的需求(见表1)。库中的每个实验项目均具有典型性及工程背景，图2是一个典型的EDA实验项目。

表1 电子电路实验项目库列表

图2 电冰箱压缩机控制器

EDA实验项目既能节省大量资金，又可以突破传统实验在内容、元件、仪器上的限制，最大限度地提高学生实践应用能力，有效地培养学生创新精神和工程理念[12]。

3.2 虚拟仪器实验项目

在培养学生实践能力和综合素质过程中，不仅要注重结合理论教学，提高学生科学素养，还要注重前瞻性和创新性教育[13]，为此，中心还结合部分科研、工程项目成果，研发了双通道数据采集回放系统等10余个适合实验教学的虚拟仪器项目，见图3。

该实验项目操作界面形象、直观，利用仿真产生波形的方法来模拟数据的采集、记录和回放。学生只要在安装了LabVIEW开发环境的计算机上，通过编制好的VI程序就可以进行自主学习和实验。

3.3 测控操作平台

为了解决因仪器、场地、时间等造成的实验教学条件和环境不够理想的问题，中心自研了一种测控操作平台。该平台与本地物理设备的连接可通过TCP/IP协议的网络接口，这样就可将分布于不同实验室的仪器设备及其他硬件资源集成起来，形成一个分布式实验仪器设备测控系统，从而为学生提供更广阔的自主实验教学空间，在提高实验仪器设备的综合利用率及共享的同时，也让学生在网络中享受到与昂贵专业设备相媲美的实验仪器设备。

图3 双通道数据采集回放系统

4 开放实验教学取得的成效

(1) 实现课内外实验教学一体化。研究成果提供了网络与虚拟仿真相结合的实验环境以及内容丰富的实验教学资源。课下学生可以进行实验前的预学、预做、预练；课上教师可以通过典型电路的仿真演示，分析、讲解工程应用电路设计教学案例，让学生掌握先进的设计思想及技术，加深对理论知识的认识和理解，提高知识综合应用能力，教学效果显著。

(2) 实现教学内容系统化、层次化。通过对独立设课的“电工基础实验”“电子技术基础实验”“电子电路综合实验”进行系统地梳理、整合、规范，优化实验课程体系结构，精选实验课程内容，分层次构建了电子电路实验课程体系。学生可以根据自身的兴趣、特长和需求，通过网络平台进行自主学习、自主实验，在扩展视野、提高实践能力的同时，还培养了创新思维和创新能力。

(3) 搭建起科技创新辅助平台。在学校精英教育体系中，学生科技创新占据“三分天下有其一”的地位。网络平台提供的教学资源中有相当一部分凝炼教师多年的科研和教研成果，教师的创新思想和创新经验不仅吸引了学生参加科技创新活动的热情，还为学生科技创新交流创造了条件。每年可为参加科技创新活动提供服务的学生多达数百人。

(4) 取得显著教学效果。研究成果为实验教学的内涵建设及可持续发展提供有力支撑，对培养高质量的本科生起到重要作用。近3年来，学生参与教师科研和教研项目26项，承担各级大学生创新性实验计划17项，获得各类省部级科技创新竞赛奖励100余项。每年还有20余名学生通过科技创新活动所取得的优异成绩被保送研究生。

5 结 语

近几年来，中心从探究学生工程实践能力、创新能力培养以及提高实验教学质量方面不断地推进改革与研究。电子电路网络实验教学平台构建及其配套教学资源开发，为学生自主学习、自主实验以及科技创新交流创造了条件，在时间、空间、内容、仪器设备实现了全面开放，大大激发了学生实验兴趣和参与创新热情[14]。通过平台学生既能接受到教师在教学方法、教学理念方面的创新思想，还能够分享到教师在科研、工程实践方面的创新经验，使学生在提高理论知识应用水平、增强工程实践能力以及扩展视野的同时，还在培养自己的创新精神和创新能力方面得到了巨大的帮助。信息化实验教学资源开放与共享，可使优质资源最大化发挥其价值[15]，充分发挥国家级示范中心的示范辐射效应。

[1] 吴军强，徐小东，许卫明，等．省级计算机实验教学示范中心建设研究与实践[J]．实验技术与管理，2014，31(4)：118-121．

[2] 徐曾春，胡 平．开放式实验教学与创新性人才培养[J]．中国大学教学，2015(10)：82-85．

[3] 陈东辉，江 敏，钱 平．电气工程专业工程实践教学体系的构建[J]．实验室研究与探索，2013，32(11)：193-196．

[4] 周秦武，张 博，张大龙，等．以项目驱动为导向的专业综合实验课程设计与实践[J].实验技术与管理，2014，31(3)：183-185．

[5] 胡 总，徐建东，李希合．自主型开放实验教学管理平台的设计与实现[J]．实验技术与管理，2008，25(6)：36-39．

[6] 刘梦琴，邝代治，冯泳兰，等．以创新能力培养为核心构建多元化实践教学体系[J]．实验室研究与探索，2014，33(3)：189-193．

[7] 徐 进．2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J]．实验室研究与探索，2014，33(8)：1-5．

[8] 刘艳芳，张力军，焦福菊．面向创新能力培养的计算机网络实验教学[J]．实验技术与管理，2014，31(4)：28-31．

[9] 朱光辉，胡雪娜．新形势下本科创新人才培养模式研究[J]．实验技术与管理，2014，31(7)：25-27．

[10] 余新平，余士求，余厚全．《数字电子技术》课程实验教学改革探索[J]．实验科学与技术，2012，10(5)：67-69．

[11] 王革思．电子电路实验教学资源建设研究[J]．实验技术与管理，2015，32(1)：167-170．

[12] 王 帅，张 莹，孙 艳．虚实结合的电路原理实验教学模式探索[J]．实验科学与技术，2015，13(5)：135-137．

[13] 赵同刚，刘 乐．以卓越工程师为目标驱动人才培养方式的改革[J]．实验技术与管理，2015，32(1)：164-166．

[14] 储开斌，杨长春，朱正伟，等．虚拟项目教学法在模拟电子技术教学中的应用[J]．实验室科学，2011，14(3)：109-112．

[15] 胡 凯，郑兴福，陈如松，等．江苏高校实验教学示范中心共享平台建设与实践[J]．实验室研究与探索，2014，33(8)：144-147．

Research and Practice on the Experiment Teaching of Fully Open Autonomous Network

WANGGe-si

(National Electrotechnics and Electronics Experiment Teaching Demonstration Center，Harbin Engineering University, Harbin 150001， China)

In order to attract students to love the experimental class, love science and technology innovation., combined with how to let the experiment teaching be more effectively in the cultivation of students’ innovative spirit and practical ability, considering the construction of curriculum group promoted by a scientific system, the promotion of internal relations among different courses and the interdisciplinary integration, our aim is to set up a multi-level and modular electronic circuit experiment course system. Take the student as the center, in accordance with the basic skills training, improve the theoretical knowledge and application ability, comprehensive training and innovative ability advanced demand. On this basis, we are going to design a network experimental teaching platform in which multi-level and multi-direction experiment teaching can be carried out. Research and development of EDA experimental project, virtual instrument experimental project and measurement and control platform can let the students accept the teaching method, the teaching idea innovation thought, share to the teacher in the scientific research, engineering practice of innovation experience. At the same time, to achieve a comprehensive open experimental teaching in time, space, content, instruments and equipment, to cultivate students' innovative spirit and practical ability can play a very helpful role.

network experimental teaching； experimental curriculum system； electronic circuit； teaching resources； Innovative talents

2016-03-12

王革思(1960-)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，主要从事实验教学与实验室管理的研究工作。

Tel.:13206521967; E-mail:wanggesi@hrbeu.edu.cn

TP 391; G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0159-04