新工科贯通式实践教学方法探究

曹磊 张亚楠 荆娟娟 颜少波

摘  要：在新工科背景下，针对如何培养适应新形势的工程技术人才，本研究提出了贯通式实验教学方法的新理念。学生通过贯穿不同学习阶段的设计产品为载体，接触其他学科的专业知识并实现融合。以设计产品为动力，学生转换角色成为学习的主角，由被动参与实验向主动思考、主导实验的新方式转变。本研究以此为主线，阐述了贯通式实验体系的设计、实施方法、教学效果、教材建设与考核方法以及与其他教学环节的关系等。

关键词：新工科;贯通式;创新实践;实践教学

作者简介：曹磊，河南科技大学电工电子实验中心主任，研究方向为电子技术、实验教学与管理;张亚楠，荆娟娟，颜少波，河南科技大学电气工程学院。（河南 洛阳 471000）

基金项目：本文系河南省高等学校重点科研项目计划（项目号：19A510001）和河南科技大学实验技术开发基金项目（项目号：SY1718021）的研究成果。

中图分类号：G642.0       文献标识码：A      文章编号：1671-0568（2019）15-0042-03

当前，国家为推动创新驱动发展，实施“一带一路”“中国制造2025”和“互联网+”等重大战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展。该趋势对科技人才提出了更高要求，迫切需要高等学校加快工程教育的改革创新。面对这种趋势，诸多高校从不同角度对如何培养学科交叉融合、新工科环境下的工程技术人才进行了探索。本研究通过分析新工科的内涵、特征、规律和发展趋势，结合国内外工程教育改革的经验和教训，提出改革创新的理念和思路。

一、国内知名高校电子技术实验教学改革情况 

电子技术实验是电类专业重要的基础平台课之一，国内几所知名高校的教学改革具有典型的示范作用。清华大学开设针对模拟电子技术基础课程，采用综合论文的方式培养学生的实践创新能力，通过4个层次的课程教学促使学生开展创新。[1]哈尔滨工业大学构建了以技术基础、科技创新、专业实验3个并列子平台组成的教学体系，采取“分时”共享实验室优质资源[2]。华中科技大学构建了责、权、利统一的课外科技创新教育管理机制，制定循序渐进的课外科技创新教育培养方案，实施全方位的课外科技创新教育实践。[3]吉林大学提出了基于“主题实验”的电工电子实验教学的创新模式并取得了一些实践经验。[4]

河南科技大学从2014年开始对电子技术实验教学进行了改革和探索，经过多年的努力与积累，在不断总结与完善的基础上，形成了“贯通式”实验教学方法的新理念。

二、贯通式实践教学改革

秉承“以学生为中心，以能力培养为目标”的指导思想，明确未来工程人才的能力体系。构建面向“新工科”的实践教学新理念、新模式、新方法，实现从学科导向转向产业需求导向，从专业分割转向跨界交叉融合，从适应服务转向支撑引领。工程教育的目标是培养设计产品的工程技术人才，而产品本身就是多个学科交叉融合的成果，产品的设计和制作过程，则能满足上述多种能力的训练和培养需要。

基于此，河南科技大学建立了围绕产品的设计、开发、制作为主线的贯通式实践教学模式，在教学中进行了探索与尝试。

1.设计项目选题。在第三学期开始，学业导师给学生提出问题：一是你为什么选择这个专业，与这个专业相关的哪些成果吸引了你;二是你在大学期间，完成一个什么样的产品，就能认为专业学习是成功的。

学生经过慎重思考，提出想做的产品，如无人飞行器、潜艇模型、无人驾驶汽车、功能机器人，还有人想做智能设备的大脑，设计控制芯片等。部分没有想法的学生，由老师提供选题。然后把全校选题相近的学生组织到一起进行深入的讨论，再由目标最接近的3-5名学生自由组成项目学习小组，项目小组可以由不同专业的学生组成。如2014级电气工程专业和机械制造专业都有选择无人机项目的学生，其中，电气专业23人，机械制造专业14人，经学生充分交流和专业分属的两个学院协调，将学生混编分成8个组，每组4-5人不等，每个组都有两个专业的学生。两个学院各安排2个指导老师。每个老师指导2组学生，两个专业的指导老师分别负责全体项目小组本专业学生的学业规划和督促指导。

2.设计项目实施。学生在设计项目选题完成后，围绕设计题目开展学习。除了正常的课程外，课余时间通过分工合作，借助图书馆、网络等渠道，查找学习与产品相关的技术资料。课堂上，学生带着在产品设计中的疑问听课，学习变得积极主动。学习有了方向，在选择选修课时也有了目标。

老师首先引导学生制定设计规划，明确每个学期要做到哪一步，产品能够实现哪些功能等。以无人机项目为例，第三学期做整体规划和方案设计，查阅相关案例，选择最优的方案;第四学期做框架，完成电机、控制模块等的定制或选型;第五学期完成装配、编程和试飞。完成后，产品可以再增加一些功能，如空中悬停、负重等，未完成的同学可以通过项目组商议是否对目标或方向做出调整;第六学期完善和细化基本功能，调试机械手的抓取和释放功能;第七学期增加摄像头，调试控制摄像功能。有可能的话还可以增加识别系统，联机控制机械手。不同小组根据自己的情况来调整进度，设计和调试过程由老师做跟踪与督导。

进入产品的设计制作阶段，学院为每个项目小组安排固定的实验台位，配备直流稳压电源、信号源、示波器等基本的实验设备。通用的元器件如电阻、电容、晶体管、集成运放等器材由实验室统一供应，特殊器件和模块，学生自己选型购买。开放实验室和器件庫由学生自己管理，做好记录，及时补充。这样，学生学习的目标很明确，在课余时间就会主动待在实验室。

3.教材建设与实验考核。学校基于这种教学模式学校编写了一套实验教材，包括《电路实验》《电子技术实验》。实验内容是在学生完成仪器的使用和实验方法训练后，针对各个知识点安排的设计性、综合性实验。设计性实验的内容遵循循序渐进的原则，前面的实验要求适当具体，后面的实验中采用项目设计型教学。在做“晶体管放大电路”实验时，要求学生设计一个阻容耦合的单级共射极放大电路，具有静态工作点稳定特性，并提出具体设计参数。学生设计好电路后，利用Protues软件完成仿真调试，然后自取元件在面包板连接电路，调整好静态工作点，按要求完成各参数的测试。在单级放大电路的基础上，设计引入电压串联负反馈的两级放大器，要求闭环电压放大30倍，1+AF=10。连接电路测试负反馈对放大电路不同参数的影响，实验结论要通过数据给出充分论据。以此来加强学生对项目设计和实验方案设计能力的训练。学生也可以结合自己的项目制定自己需要的实验方案。教材中包含启发与创新性的实验项目，旨在启发学生运用所学知识解决实际问题。还有一些操作方法和技巧，让学生掌握科学研究过程中实际操作的基本方法。

实验考核方法充分考虑不同学生的情况，针对实验方案、操作过程、数据处理等按照比例给出优秀、良好、中等、及格和不及格五档综合成绩。

4.竞赛和产品展示。在项目实施的不同阶段，由社团和学生管理部门组织各种设计大赛和产品展示活动，对优胜者给予表彰和奖励。将学科竞赛引入实践教学，作为实践教学的补充。[5]通过竞赛交流，进一步激发学生展现自我的欲望，使学生不断产生新的想法，对设计产品的功能提出更高的要求，持续推陈出新。

产品设计展示，往往对低年级学生有强烈的吸引力。在他们的选题和产品设计过程中，除了老师的指导，还会主动向项目相近且水平较高的高年级学生求教，有了示范作用和经验积累，设计成果会越来越好，逐步进入了良性循环。

在产品设计竞赛中遴选出的优秀项目组，经过集训，参加全国的各种创新实践设计竞赛。参与竞赛可以训练学生查阅资料、分析问题和解决问题的能力，培养学生的合作意识、创新精神和创新能力。[6]实践证明，这些学生在竞赛中，无论是在产品的调试，还是应对不同设计题目的变化上，经验更加丰富。

5.课程设计和毕业设计。在课程设计教学环节中，学生的选题可以根据自己产品的设计需要来拟定，课程设计的内容可以是产品设计中的一部分。设计题目由学生提出来，提出设计目标和具体参数，由指导老师总体把关。这样，课程设计题目就会更加丰富，每届学生的设计题目更新率可以达到30%以上。由于设计成果和自己的项目直接相关，功能可以直接在产品上实现，学生的参与积极性和认真程度都有了明显的提高。

有了前期的产品积累，到毕业设计环节，毕业设计题目与项目小组设计的产品一脉相承，学生的任务就是完善和优化产品的功能，整理测试数据和设计图纸等技术资料，总结设计经验和撰写心得体会，以此为基础撰写论文并完成毕业答辩。

“贯通式”实践教学方法是实践教学的一次革新。工科学生的学习成果表现就是产品，而产品本身就是多个学科知识融合的结果。通过这个载体，形成了“跨领域整合，自主设计，实践创新”的人才培养理念和“产、学、研”合一的课程体系[7]。完善产品功能的过程为学生学习专业知识提供了持续的动力，也为学生了解其他学科打开了一扇门。

在大学学习期间，设计制作产品的工作始终贯穿其中，学生在此过程中有了学习的目标和方向。围绕产品设计，促使教师、学生精力投入到位[8]。知识能变成产品，理论知识点不再抽象，这种模式使工程教育真正回归到了工程[9]。

通过贯通式实践教学方法培养的学生，在各类创新设计大赛中，学生表现出了良好的心理素质和应变能力。这批学生掌握的专业知识综合性强，团队合作意识好，自学能力和知识转化的能力都很强，深受用人单位的青睐。

参考文献：

[1] 叶朝辉.模拟电子技术实践创新能力培养的探索[J].实验技术与管理，2017，（1）：29-32.

[2] 刁 鸣，王松武.国家级电工电子实验教学示范中心建设的若干理论探讨与实践[J].实验技术与管理，2008，（6）：1-5.

[3] 尹仕.电工电子科技创新中心建设与运行机制研究[J]. 实验技术与管理，2005，（7）：103-106.

[4] 王幼林，詹迪铌，雷治林.“主题实验”教学模式的研究与实践[J].实验室研究与探索，2018，（6）：223-226.

[5] 金翠云，李大字，汪晓男等，多层次立体式大学生学科竞赛体系的研究与实践[J].教育教学论坛，2015，（9）：129-131.

[6] 熊杰，付艷锋，段智迪.创新教育理念下工科大学生学科竞赛实践体系的构建[J].长江大学学报（社会科学版），2018，2）：115-118.

[7] 张婷，邵垚然，谢怡云等. 构建创新型实验室培养创业型卓越工程师[J].实验室研究与探索.2018，（5）：226-228.

[8] 陈宝生.坚持“以本为本” 推进“四个回归” 建设中国特色、世界水平的一流本科教育[J].时事报告（党委中心组学习），2018，（5）：18-30.

[9] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，（3）：1-6.

责任编辑  程  哲