面向卓越工程师培养的电工电子实验教学改革与实践

李 目 吴笑峰 吴新开 吴亮红

湖南科技大学电子与电气技术国家级实验教学示范中心 湖南湘潭 411201

中国特色的新型工业化道路迫切需要培养一大批能够适应和支撑产业发展的工程技术人才。同时，为了解决当前高校工程教育中存在的工程性和创新性不足的问题，迫切需要加快工程教育改革。在这种大背景下，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）。“卓越计划”是为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，是以实施卓越计划为突破口，促进工程教育改革和创新，全面提高我国工程教育人才培养质量的重大举措[1,2]。该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，增强我国的核心竞争力[3]。

2012年，我校成功入选教育部“卓越计划”高校。以此为契机，学校以长株潭“四化两型社会”建设发展需求为导向，以实施卓越计划为着力点，促进工程教育改革和创新，全面提高工程教育人才培养质量。“卓越计划”的核心是培养具有创新能力、工程实践能力的高素质工程技术人才，也是我校人才培养过程中不断探索、改革与实践的课题。实验教学是实践教学中的重要组成部分，也是培养学生实践能力、创新能力的重要环节。电工电子实验作为工科非电类专业教学计划中一门重要的实践课程[4]，对学生掌握电类基础知识、培养实际技能和创新意识具有重要作用。为了贯彻落实我校“卓越计划”的总体目标，从培养卓越工程师人才角度出发，结合我校的实际情况和电工电子实验教学课程的特点，对电工电子实验教学内容、教学方法和手段、考核和管理等方面进行了改革与实践。

1 以专业设置实验内容 构建因材施教的实验教学模式

“卓越计划”实施之前，我校实验中心为非电类专业开设的电工电子实验教学内容是相同的，没有体现不同学科和不同专业之间的差异性和各自的特点。学生在做实验时感觉到实验内容与自己的专业方向没有关联性，学习兴趣和积极性不高，不利于学生实践能力的培养。针对这个问题，在制订卓越班电工电子实验教学大纲时，强调实验教学内容与不同专业方向和特点紧密结合，做到不同专业的实验内容既有共同性又体现其专业性。例如，我校第一批入选“卓越计划”的非电类专业是机械设计制造及其自动化和化学工程与工艺2个专业，对于电工电子技术的基础性和综合性实验这2个专业都紧扣理论教学内容设置相同实验项目。对于设计性和创新性实验，通过实验中心与该专业建立联合培养机制的企业共同拟定工程实践项目，并由实验教师和企业技术人员共同组成联合指导教师组，指导学生完成相关实验。由于该类型实验项目来自本专业的相关实践工程，学生表现出了浓厚的兴趣，充分调动了学生的学习积极性，有利于培养学生的创新意识。

2 采用分层次教学模式 改革实验教学方法 构建“三个能力”培养体系

“卓越计划”强调具有创新能力的工程技术人才培养，而先进的教学内容和科学的教学方法是创新能力培养的关键。电工电子实验教学改变原有“老师讲，学生听”的模式，将教师讲授为主转变为学生动手实践为主，将单向灌输为主转变为启发引导、讨论研究为主。突出以学生为主体，以基础实训层、综合设计层、应用创新层和工程实践层为层次结构的分层教学模式，其结构如图1所示，构建以学生实际操作技能、工程综合设计能力和研究创新能力这“三个能力”为核心的培养体系。这种层次化的教学模式，既体现了实验教学内容的层次梯度，也遵循学生的认知规律，有利于学生实践和创新能力的培养。

图1 多层实验教学模式结构图

（1）基础实训教学层：主要培养学生的实际操作技能。通过基础性和验证性实验教学使学生掌握常用仪器仪表和电子器件的使用、基本电工电子设备的安装、调试及测试和基本实验测量方法等。该层次教学注重学生基本实验技能训练和掌握，为下一层次的实验教学打下坚实基础。

（2）综合设计教学层：主要培养学生的工程综合设计能力。开设的实验以综合性和设计性实验为主。学生根据给定的实验条件制订实验方案，运用自己构思的方法和手段完成实验。本层次实验教学中，教师只对学生所设计的实验方案和技术路线进行指导，由学生自主完成，充分发挥学生的主观能动性和实验主体性，培养学生的综合设计能力。

（3）应用创新教学层：主要培养学生的综合设计能力和研究创新能力。实验项目主要来源于创新实验项目和科技竞赛选题。实验中心定期公布一些引导性的创新实验项目或科技竞赛选题，教师对这些项目进行分析与指导，学生自主选择，并通过团队合作和查阅相关资料进行方案设计及系统实现。由于这类型实验项目综合知识点多，涉及面广，有利于培养学生的应用创新能力。

（4）工程实践教学层：主要培养学生的研究创新能力。实验内容来源于教师的科研课题和联合培养企业的工程项目。这些实验项目具有鲜明的工程实践背景，学生在教师的指导下自主完成实验，能够有效开阔学生的知识视野和拓展知识结构。由于学生直接面对科学问题和生产实际，提高了学生发现问题、处理问题和解决问题的能动性和学习兴趣，充分发挥学生的创新潜能，全面提升学生的研究创新能力。

3 虚实结合、软硬结合 革新实验教学手段

传统实验教学受到实验设备数量、实验时间和场地的影响，学生的动手能力、综合设计能力和研究创新能力都难以提升。为了改善实验教学条件、改革实验教学手段、提高实验教学水平，多种实验教学手段相融合已成为必然。我校实验中心在卓越班电工电子实验教学中坚持虚实结合、软硬结合的实验教学手段。

其中，虚实结合包含2个层面的含义。一是虚拟仿真实验和实际电路实验相结合。在实验预习和自主学习中要求学生采用虚拟软件进行仿真实验，使学生掌握仿真软件的使用，熟悉实验内容和理论分析结果。然后，在实验室进行实物实验，并将该实验结果与仿真实验结果进行对比分析，加深对知识点的理解和掌握。二是虚拟教学与实际教学相结合。实验教学中心组织制作了电工电子实验的多媒体实验课件和实验教学视频等学习资源，学生可以通过互联网对相关实验内容进行自主学习。同时，网站还设立有交流互动平台，学生能够在线与实验教师交流，及时解决相关疑问。另外，实验中心设立了学生作品展览室，该室陈列了大量优秀实验作品和科技创新作品，每个作品都配有详细的设计方案、制作步骤、参数与功能等说明，学生可从中获得很多启发和帮助，激发学生的学习兴趣。

软硬结合强调实验过程中软件开发和硬件设计相结合。硬件设计强调器件选型、电路板制作、焊接工艺、测试与组装等环节；软件设计强调流程设计、程序编写、程序调试等环节。通过软硬结合从系统综合的角度培养学生的工程综合设计能力。

4 注重综合应用和创新能力的考核 建立科学合理的实验考评方式

实验考核是评定学生实验课程学习效果的一个重要环节，不但检验学生的实验结论，同时对学生实践能力作客观评价，达到全面、客观检验学生实验实践水平的目的。因此，在新的教学模式下如何对学生进行实验考核是教学改革中一个重要问题。传统的实验考核模式是针对每一个实验项目采用预习成绩、操作成绩、报告成绩通过加权计算出成绩，然后将各个实验项目成绩按相同权重得出该课程的总成绩。这种考核模式均衡对待不同层次的实验，不适应教学改革和学生综合应用能力和创新能力培养要求，特别是对于重视工程实践能力和创新研究能力培养的卓越班学生。针对分层实验教学改革模式，实验中心对卓越班的电工电子实验考核进行了改革和实践，更加注重学生综合应用能力和创新能力的考核。对于隶属于不同教学层次的实验项目，在课程实验总成绩中所占比重不同，如基础实训教学层实验占20%，综合设计教学层实验占25%，应用创新教学层实验占30%，工程实践教学层实验占35%。通过这种方式，从教学层次这个层面上侧重对学习综合应用能力和创新能力的考核。此外，为了鼓励学生参加科技创新和各类电子竞赛以及科研项目，对于在创新项目和竞赛中取得优异成绩以及在科研项目中发挥重要作用的学生，可给予该课程实验成绩优秀的奖励。对于学生自主开展的创新实践，实验中心组织教师对选题的先进性、创新性进行论证，最后根据作品验收、学生答辩和研究报告评阅结果综合评定成绩。通过这种层次化、多元化的考核模式，为学生自主学习、个性发展、应用创新设计能力的培养提供良好的环境和激励机制，激发学生学习的主动性和学习欲望。

5 应用网络信息技术构建开放式网络化实验管理模式

在开放式实验教学成为当前国内高校实验教学主流方法的背景下，如何建立开放式实验管理体系成为重要的实际问题，也是实验中心高效运行的保证。我校在实验教学管理模式上进行了一系列的探索与实践，将网络信息技术、现代教育技术和现代管理模式引入实验教学管理机制中，构建了较完善的开放式网络化管理系统，提高了实验教学质量和实验设备的使用效益，为创新型人才的培养搭建了良好的平台。整个开放式网络化管理系统主要包括三大模块：网络实验教学模块、网络实验资源模块和网络实验管理模块，其结构如图2所示。网络实验教学模块主要包括虚拟实验教学系统和师生交流互动平台。学生可通过校园网进入该系统中进行虚拟仿真实验，且该系统中提供了丰富的虚拟仿真教学资源，方便学生自主学习。师生交流互动平台主要用来为学生实时解答问题、开展实验交流与讨论。通过交互平台实现答疑解惑、合作探讨，营造共同学习、探索和研究问题的氛围。网络实验资源模块主要包括实验教材、教学课件、电子教案和教学视频等网络实验教学资源。学生通过在线学习提高实验技能和实践水平。网络实验管理模块主要包括实验预约系统、实验人员管理系统、实验成绩管理系统和实验设备管理系统。实验预约系统主要为学生实验提供自主空间，学生可根据自己的时间、兴趣和爱好预约实验时间和实验项目，让学生成为实验教学中的真正主人，将实验教学由“要我做”变为“我要做”。实验人员管理系统主要采用校园卡对实验教师和学生进行身份认证，加强实验人员出勤管理。实验成绩管理系统是对学生在各个教学环节的实验成绩进行集中管理，实现实验成绩管理的标准化和规范化。实验设备管理系统主要是加强实验中心设备的监管，保证实验设备的完好率、利用率。实验中心开放式网络化管理系统的建立，不但为学生提供了开放自主的学习环境，而且也极大地提高了实验教学的管理效能。

图2 开放式网络化管理系统结构图

6 结语

面向“卓越计划”的实验教学改革是一项复杂的系统工程，也是高校实验中心需要不断探索和实践的长期工作。我校实验中心基于“卓越计划”，结合学校具体实际和人才培养目标，积极开展了电工电子实验教学内容、教学方法、教学手段、考评方式和管理模式的改革。通过以上几方面的改革与实践，电工电子实验教学质量有了很大提高，管理水平也有了明显改善。今后将继续深化改革，加强学生“三个能力”培养，并将改革的成果和经验推广到其他学科的实验教学，全面提升实验中心的建设水平。