电气工程及其自动化专业层进式实验教学模式探索

2017-03-29王润涛房俊龙

河北农业大学学报(社会科学版) 2017年1期

关键词：进式毕业设计电气

李明，王润涛，房俊龙，果莉

(东北农业大学电气与信息学院，黑龙江哈尔滨 150030)

电气工程及其自动化专业层进式实验教学模式探索

李明，王润涛，房俊龙，果莉

(东北农业大学电气与信息学院，黑龙江哈尔滨 150030)

东北农业大学电气工程及其自动化专业结合专业特点提出了层进式实验教学改革模式，构建了启发性实验、基础实验、虚拟在线实验、综合设计实验、创新项目、大学生竞赛、应用型毕业设计等逐层递进的实验教学流程，分析了各个环节的教学方法和目的，构建了培养学生创新思维和工程实践能力的实验教学体系，帮助学生实现从认识到自主设计的递进，从提升到应用阶段的递进。实践表明，层进式实验教学模式可有效破解实验教学资源不足的问题，有助于加强学生应用技能的培养。

层进式；电气工程及其自动化；实验教学模式

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0022

随着经济结构与产业变革的发展，人才供求关系与高等教育结构出现新的矛盾，单一的学术型或应用型人才已经不能够满足社会的需要[1]。教育部[2015]7号文件《引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》指出，要建立创新应用型技术技能型人才培养模式，建立以提高实践能力为引领的人才培养流程。

电气类学科是高等教育体系中重点基础性学科之一。电气类人才服务于工业、农业、制造业的各个环节，对国民经济的发展起着决定性的作用。电气技术的发展更新速度日新月异，这使得该学科需要不断地进行人才培养方案和课程体系改革来顺应社会发展。实验是理论的基础和源泉，整合相关的专业基础课，适当提高专业技能实训和实验实践课比重，采取合理有效的实验教学模式，更加专注培养学习者的技术技能和创新创业能力，是电气类学科发展的重点。

目前，我国大部分高等院校已经意识到实验教学改革的重要性，但由于实验条件的限制以及实验教学模式的缺陷，致使实验教学未能达到理想的效果[2]。在有限的实验条件下大幅度地增加实验实践课程学时，会出现实验设备维护、实验室管理以及师资配备资源不足，造成拥挤紊乱状态。而几乎所有的高校想要实现一步到位式的实验条件改善都存在着很大的困难。因此，构建适合当前瓶颈阶段的有效实验教学模式，需要结合现有实验条件、专业特点、教学资源等综合因素。

东北农业大学电气工程及其自动化专业为农业工程学科主导专业，由于电气技术发展日新月异，实验教学设备更新不能与时俱进，导致实验资源与实际生产应用无法实现无缝接轨。为加强学生应用型技术技能的培养，学校采取层进式实验教学模式，利用层次性规划教学手段建立了完整的教学体系。经过实际教学验证，层进式实验教学模式适用于培养学生创新思维和工程实践能力。本文对农业院校电气类专业层进式实验教学模式进行探讨，以期突破实验教学资源不足的瓶颈，对应用型人才培养有所裨益。

一、层进式实验教学模式

电气工程及其自动化专业是电气类学科的主导专业，涉及电工电子、系统控制、电气控制、电力系统自动化等方面的电气技术。实验教学环节中，不仅要让学生理解巩固理论知识，还要引导学生主动学习不断更新发展的新技术[3]，培养学生创新思维和工程实践能力。层进式实验教学模式通过启发性实验、基础实验、在线虚拟实验、综合设计实验、创新项目、大学生竞赛、应用型毕业设计逐层递进的学习模式(图1)，引导学生实现从主动认识到创新应用的过程。层进式实验教学模式各阶段内容和目的说明见表1。

图1 层进式实验教学模式

二、从认识到自主设计的递进

从认识到自主设计的递进与学生的理论学习过程相辅相成。刚入学的一年级新生，没有接触过专业理论课程，以较少学时量(一般10学时左右)的启发实验为引导，使学生初步认识本专业的研究内容及方向；一年级下半学期至二年级上半学期，学生开始专业基础理论的学习，为了加深理论知识的理解，设置相应的基础实验，内容以验证和巩固为主，学时量一般为16～32学时；二年级下半学期，学生进入专业性较强的理论阶段，为实现基础性与专业性的过渡、节约设备资源，设置在线虚拟实验，在实际动手操作前学会制定可行性验证方案，学时量一般10～24学时；三年级是锻炼学生所学与所用相结合的关键时期，通过设置综合设计实验，使学生掌握理论知识与实际操作的结合点。下面分别阐述启发、基础、在线虚拟、综合设计等4类实验的具体内容。

(一)启发实验

启发性实验课程面向刚入学的新生，采用公开选修课的形式，不区分专业方向，以学生自学为主，高一届学生指导低一届学生为手段，教师考核为辅助的管理模式。课程内容以认识和基础操作为重点，包括电工电子课程中元器件、测试仪器的读取及使用方法，电机的类型参数及基本运行方式的了解，电力系统各个单元的设备及运行方式的认识等，并设置基础的实验项目供学生选作。如：电机驱动系统、温度报警器、放大模块与系统、开关电源Buck变换器的设计与制作，不需要学生掌握太多的理论知识和操作经验，能够激发学生对电气知识的兴趣，促进学生主动独立学习[4,5]。

(二)基础实验

基础实验与理论课程相匹配，延续传统的经典理论验证实验，如电工理论的基尔霍夫定律、戴维南定理、串联谐振电路、三相交流电路等。基础实验需由教师指导监督进行，电气类实验存在一定的危险性，尤其是强电实验，在学生实验操作入门阶段，处于模糊和尝试状态，教师在鼓励学生动手操作的同时，强调操作规程、传授经验，确保安全。通过基础实验环节，学生不仅巩固加深了理论知识，而且在具体实验过程中提高了动手能力、分析判断能力，能够应对实验过程中出现的部分仪器设备故障和线路连接错误，养成科学严谨的学习态度[6]。

(三)在线虚拟实验

在线虚拟实验对解决高等学校资源不足过渡时期的困难具有显著效果。虚拟仿真技术是与理论研究、实验研究并列的第三种科学研究手段。虚拟仿真实验课程的载体是计算机与网络，高等学校可以根据现有的资源状态建立仿真实验平台。电气工程及其自动化专业虚拟仿真实验平台课程体系见图2，学生可以通过网络远程访问仿真平台，下载视频教程，进行在线仿真，并对仿真结果进行自动校验。

图2 虚拟仿真实验平台

虚拟仿真平台促进学生自主学习，在仿真成功的基础上进行实践操作，减少实验设备的占用时间，增加学生主动思考能力，也能够启发学生发现理论应用于实践过程中存在的问题。

(四)综合设计实验

综合设计实验是培养学生创新思维的关键环节，学生在掌握了理论知识和仿真技能的基础上，可以进行独立的小型设计实验。如：拔河游戏机设计、智能交通灯设计、直流电机伺服系统设计、电力系统调度运行设计等，即使是传统的题目，也能够通过不同思维角度、利用新型的技术或元器件实现。综合设计实验要求学生独立设计实验方案、实验电路，仿真通过后，教师提供所需的实验器材并辅助答疑。综合设计实验培养了学生的实践创新意识和理论联系实际的学风，有助于培养学生工程实践素质、提高学生针对实际问题进行设计制作的能力。

三、从提升到应用阶段的递进

(一)成立创新兴趣协会

通过前述几个实验环节的锻炼，学生对本专业技术已经具备了一定的实践能力，但也体现出个体的差异性，学生的兴趣方向与实践动手能力均表现各异。为进一步提升学生的工程实践能力，可根据专业特点组建创新兴趣协会。东北农业大学电气与信息学院以农业电气化与自动化专业、电气工程及其自动化专业、电子信息专业为依托，成立了由专业教师组成的实验教学改革团队，选拔部分学生自愿参加并组建了电子工艺设计协会、电力系统自动化协会、自动控制协会、新能源发电协会等，学生可以按照自己的意愿选择协会，发挥所长。兴趣协会能够帮助学生实现从独立创作到团队合作之间的转变，全面提升学生的实践技能与综合素质。

(二)创新项目申报

教育部提出大学生创新创业训练计划对推动人才培养模式改革具有重要意义，高等学校均有不同程度的资助。创新实验项目以团队或个人为单位申报，由专业教师负责监督指导，要求立题新颖，能够综合利用本专业的相关技术，具有一定工程实践意义和市场价值[7，8]。东北农业大学采取由校团委协调管理，学院自由组织申报的方式搭建了大学生创新创业平台，设立了不同等级的资助标准，一般创新项目1 000元、校级项目3 000元、省级项目10 000万元，并以学院为单位组建了评定委员会，对项目的立项与结题进行评审。学生们对创新项目的申报积极踊跃，如：电气与信息学院5名学生自拟创新项目“智能家居系统”，综合利用ZigBee和NRF24L01设备之间的无线数据传输、人脸识别指纹识别技术和语音控制技术，实现家居的远程智能化控制，迎合了目前市场上新型家居的发展趋势。该项目得到了东北农业大学SIPT计划的支持。创新实验项目强化了学生创新实践能力，提高了学生团队协作意识，提升了学生工程实践能力。

(三)鼓励学生参加大学生竞赛

全国大学生电子竞赛、挑战杯是电气类大学生广泛参与的创新创业科技竞赛，为大学生自我实现提供了平台，为优秀人才的脱颖而出创造了条件[9，10]。学生能够通过竞赛锻炼意志、拓宽视野、激发潜力、发现不足。参赛队伍的组成采取以强带弱、以高带低的结构，如：每个参赛队5人，组成结构为三年级2人、二年级2人、一年级1人，高年级同学在知识范围与实践能力上能够引导低年级同学，有利于比赛过程中任务的分配与团队和谐，能够给不同层次学生充分的发挥空间。参加竞赛队员的选拔采取考核方式，由带队导师拟题，学生自由组队，在规定时间内完成考核题目。导师通过每个学生的综合表现选出参赛队员，评分标准分为5项：理论分析能力20%、动手操作能力20%、团队协作能力20%、创新能力20%、测试与表达能力20%，通过参赛考核环节，促进理论考试成绩一般的学生发挥所长，增加自信心，为自己准确定位。

(四)应用型毕业设计

本科生毕业设计是高等教育培养过程中的重要环节，也是最终环节，旨在培养学生综合运用本科阶段所学的专业知识，应用于工程实践，适应用人单位需求的能力。目前，毕业设计的通用流程是：论文选题、实验、撰写论文、答辩，学生将大部分精力投放到论文书写和排版以及查重。选题的价值、实验的过程、结论的准确性较多依赖教师指导。由此造成毕业设计质量逐年降低，此问题已经引起各大高校教育工作者的关注。电气工程及其自动化专业所学技术的突出特点是发展更新速度快，毕业设计选题与实验技术需要不断更新，与当前社会实际应用相结合，通过建立应用型毕业设计模式能够改善学生混沌设计的局面，流程见图3。

图3 应用型毕业设计流程

应用型模式仿照企业项目申报过程将毕业设计每个环节细化，让学生有目的地完成设计过程。首先学生通过调查市场现状充分了解社会所需，从而拟定设计题目，指导教师组织班级或者协会成员集体进行讨论，验证题目的可行性。对于较大的题目，以团队的形式分成子题目分块完成。方案的拟定、论证均采取集体讨论形式完成。具体的实验过程学生可以根据题目需要选择在实验室完成，也可直接进入企业以实习的方式完成。毕业论文的撰写旨在锻炼学生对所做工作的总结能力。在电气类本科教学中没有专门设置论文撰写的课程，因此需要指导教师在学术论文的写作方面对毕业生进行必要的培训。“完整的实物设计+清晰的毕业论文=优秀的毕业设计”，优秀的毕业设计能够成为学生应聘用人企业的敲门砖，是学生从学生时代迈向社会的桥梁。

四、实施效果

东北农业大学电气与信息学院采用层进式实验教学模式10余年，培养学生1 500余名。统计结果显示：学生在专业基础课与专业课的考试中，70%达到优秀等级(90～100分)、25%达到良好等级(80～90分)、5%达到中等(70～80分)，合格率100%。这表明层进式教学模式能够鼓励学生自主学习，制约惰性学习心态。学生参加大学生竞赛获奖87项，其中国家级奖46项，主持大学生科技创新项目100余项，表明层进式教学模式能够激发学生创新思维。学生获得校级优秀毕业生称号800余名、攻读985院校研究生280余名，就业率达到100%，其中40%任职于大中型企业，如国家电网、德州仪器、华为科技、周立功单片机、许继集团等，部分优秀毕业生在企业担任中层以上职务，用人单位的高度认可充分体现了层进式实验教学模式对培养应用型技术技能型人才的可行性。

培养高素质优秀人才是高等学校的办学宗旨，创新精神和实践能力是我国社会发展现阶段对人才培养的基本需求，电气类学科实验教学模式的改革应结合专业特点，整合实验资源，调动教师团队，激发学生潜力，充分利用学科优势，为社会主义发展和建设培养优秀的栋梁。

[1] 许家瑞，周勤，陈步云，等.构建创新实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2009，26(5)：1-4.

[2] 陈华东，任耀军，刘永泉，等.实验室管理机制及运行模式研究[J].实验技术与管理，2016，33(1)：232-235.

[3] 刘宏达，兰海，马忠丽，等.培养大学生综合素质，改革电气工程专业实验教学模式[J].实验技术与管理，2011，28(3)：128-131.

[4] 刘兴华，王方艳.以创新人才培养为核心的实验室开放模式探索[J].实验技术与管理，2016，33(1)：9-12.

[5] 杨凤珍，谢蓉，高欣，等.开放式研究性专业实验教学模式的探索[J].实验技术与管理，2011，28(8)：23-25.

[6] 陈雪梅.以学生自主学习为主的实验教学模式实践与思考[J].实验技术与管理，2014，31(6)：197-199.

[7] 元泽怀，陈晓明.任务驱动型实验教学模式的实践与探索[J].实验技术与管理，2014，31(1)：169-171.

[8] 汤淼.软件工程专业“项目驱动”实验教学模式研究[J].实验技术与管理，2012，29(4)：267-271.

[9] 鲍芳芳，陈作明.“以赛带训”实验教学模式探究[J].实验技术与管理，2013，30(6)：110-112.

[10] 陈盈，郭文平，黎建华.基于竞赛理念的计算机网络实验教学模式改革[J].实验技术与管理，2015，32(6)：181-184.

(编辑：王佳)