“新工科”理念下的电气信息类专业实验教学体系建设

王 华，吴桂清，刘红霞，曹琳琳

（湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

工科在我国高等教育中占有极其重要位置，我国目前拥有全球最大规模的高等工程教育，工科专业占全国高校专业总量的1/3[1]。从新一轮全球科技变革和产业技术发展的需求分析[2]，我国工程教育存在大而不强的问题，高等工程人才培养面临严峻挑战[3]。为此，教育部于2017 提出了“新工科”概念，旨在培养和造就一批又一批专业融合、创新力强、未来能够引领行业技术与经济社会发展的高质量新型工程技术人才[4]。教育部不仅批准设立了大数据、机器人工程、人工智能、网络空间安全等新工科专业[5]，而且鼓励产学研协同育人为传统工科专业发展开辟新途径，促进传统工科通过多专业融合、产学研融合进入“新工科”建设历程，快速迈向“新工科”专业。

电气信息类专业是我国高等教育的传统工科专业，我校电气与信息工程学院是“机电土化”4 大工科院系之一。长期以来，电气工程及其自动化作为强电专业，而测控技术与仪器、自动化、电子信息工程作为弱电专业，在生源质量、办学方向、培养目标、培养计划、教学体系、师资保障、实验课程等各方面形成了具有各自专业特色的办学模式。但随着智能电网、全球能源物联网、泛在电力物联网建设的大力推进，以及交通运输、电力电子等行业的高速发展，对电气与信息结合的复合型人才的需求增长迅速[6-7]。

我校电气与信息工程学院于21 世纪初提出并实施了电气与信息融合的人才培养战略。在2011 年，获批教育部首批卓越工程师培养计划后，修订形成了2012 版培养计划，进一步加大了专业融合步伐，开展了有利于培养电气与信息融合的复合型人才的实验课程体系改革。针对专业特点和学生的学习情况，构建电气与信息交叉融合的实验课程体系，突破传统实验体系演示性、验证性实验居多的局限性，以学生为中心，以工程能力、综合能力和创新意识培养为主导，加强学生的自主研究性实践训练，加大综合性、设计性、创新性实验内容，着力培养学生理论结合实践的应用能力、科学素养和创新意识，提升电气信息类人才培养质量。

1 实验教学体系建设思路

近年来，电气、信息技术与产业高速发展，电网系统、IT 行业对复合型人才需求越来越明确，要求毕业生需具备良好的专业交叉能力，解决本专业及相关领域工程复杂问题的能力。作为“新工科”建设单位，我院主动布局面向未来电气与信息技术产业，将培养“满足行业发展要求的高级工程技术人才”为“引领未来行业科技发展的高层次工程技术人员”；一方面深入开展电气、信息专业的交叉复合，另一方面积极申请开办新的工科专业。2018 年，获批建设机器人专业，2019 年获批教育部首批“新工科”研究与实践项目，2020 年获批湖南省“新工科”研究与实践项目。结合电气信息类专业实践教学的实际情况与发展需求，改革工程教育，强化实践培养，制定并完成了以下实验教学体系建设。

（1）“三位一体”实践培养模式构建。在学校现代工程训练中心的基础上，系统建设了学院实验平台和校外实践基地。“嵌入式系统”“电气测量”等课程实施“口袋实验室”计划，“口袋实验室”普及到每位学生并贯穿专业教育全过程，形成了课程实验、“口袋实验室”、校外实践相结合的“三位一体”实践培养模式。

（2）校企深度融合的协同育人体系建设。与杭州海兴电力科技股份有限公司、威胜仪表集团、湘电集团等17 家企业合作建立校外优质实践基地。美国NI、杭州海兴电力等14 家企业在学院捐建、合建了实验室。聘请了67 位企业导师参与指导学生实践实训、毕业设计等。此外，培养计划的制订、修订充分听取企业专家意见，其中实验教学计划的审定邀请校企联合培养人才的企业专家把关。

（3）“新工科”背景下的实验教学内容更新与教学方法改进。结合工程实践，更新实验教学内容，大幅度减少演示性、验证性实验，增加综合性、设计性、创新性实验内容，开展基于工程问题的探究式实验教学、基于工程案例的讨论式实验教学、基于工程设计训练的参与式学习，着力培养学生的工程实践能力与创新意识。

（4）以学生为中心的实验室运行保障。建立开放实验室管理新模式[8]，引进高水平实验设备，鼓励专业课教师介入实验教学；根据实验教学的实际需要建设电气信息类专业实验教学体系；将虚拟仿真与真实实验相结合，“口袋实验室”与开放实验室相结合，进一步提高学生的实践兴趣；对设计性实验、创新性实验的成果集中展示、评奖，激励学生崇尚实践、崇尚创新；通过大学生创新性实验计划（SIT）、学科竞赛训练等，有效提高开放实验室的利用率。

2 递进式实验教学体系构建

实验教学是“新工科”建设的重要保障[8]。针对“新工科”建设要求，以提高学生电气、信息专业交叉融合的复合能力、工程能力、发现问题与分析解决问题能力、创新能力为原则，确定面向“新工科”的实验教学体系的建设思路，建立了电气信息类专业递进式实验教学体系（见图1）。该体系包括三个层级，第一层级是电类基础课程实验，主要包括演示性、验证性实验和部分操作性实验；第二层级是电气、信息融合的专业平台课程实验，主要包括操作性、综合性、设计性实验；第三层级属于专业课程实验，主要包括部分综合性、设计性实验和创新性实验。

图1 电气信息类专业递进式实验教学体系

2.1 电类基础课程实验教学改革

传统的电类基础课程实验教学方式通常是教师按照实验内容进行讲解和演示，之后学生仿照教师的操作、按照规定的步骤进行实验，完成实验接线、实验操作、实验记录等。这一实验教学方式能够促进学生对相关理论知识的理解，实验过程易于掌控。但传统的演示性、验证性实验只重视学生外显行为，不太关注学生实践训练的内在规律[9]，实验过程强调统一性，实验内容重在演示和验证，实验教学基本作为课堂理论教学的辅助内容，课程与实验之间、实验与实验之间容易割裂，学生缺乏主动权，不利于后续综合性、设计性实验的开展，不利于学生综合能力的培养与创新意识的训练[10]。

针对“新工科”建设要求，以综合能力培养为目标，在开放实验室建设的基础上，进行了以下教学改革。

（1）提出了课上课下实验相结合、真实与虚拟实验相结合的电类基础课程实验，实验成本高、有一定安全要求的实验内容通过虚拟实验入门，增强感性认识。

（2）尽管电类基础课程的知识体系已成熟完善，实验内容、实验结果比较明了，但对于低年级学生仍然是新知识、新方法，因此加强基础课程实验的启发式教学，变过去考核实验结果为考核实验过程，让学生主动参与实验过程的设计。

养殖疾病的重视程度不足极易引发多种疾病。充分考虑未来发生的各种情况，隔离区可以有效避免疾病进一步蔓延；对于外来人员要及时做好消毒工作；携带病菌的外来人员不得入内。另外，更新观念，树立科学的疾病防治观念， 实行动态关注与了解，一旦发现病情及时进行治疗。

（3）在刚接触电类基础课程实验时，不收回三位半数字万用表，让每位学生有时间、有机会动手测试，培养其实验兴趣与信心。

（4）开展多元化实验教学，提前布置实验思考，组织课堂讨论实验方案，实验后总结实验方法，实施多元化实验教学新模式。

（5）电气技术、信息技术日新月异，教学资源与教学手段愈加丰富，基础课程实验不断引进电气信息新技术，采用新的教学资源和教学手段，丰富实验教学内容。

（6）对电类基础课程涵盖的实验内容提出引导性、启发性参考方案。学生有较充分的选择余地和发挥空间，可以在完成实验指导书给出的验证实验方案基础上，探索、设计新的实验项目。这一方式打破了传统电类基础课程实验演示性、验证性的局限，能够提高学生对电类基础知识的兴趣，加深其对理论知识的理解与掌握。

2.2 平台课程实验教学改革

此前，电气与信息工程学院各专业设有专业实验室，实验室管理各自为政，导致实验设备、实验人员的重复多、浪费大。为此，成立了学院实验中心，统筹管理所有的实验课程。在各专业制订培养计划时，学院教学委员会确定了信号与系统、微机原理、嵌入式系统、传感与检测技术、自控原理、电力电子技术、电机与控制等有利于电气信息类专业基础知识融合的学院平台课程。

平台课程由教学经验丰富、热心教学的教授牵头，在学院教学办、实验中心配合下，建设面向4 个专业的平台课公共实验室。平台实验课程由院教学办负责管理，学院实验中心负责实施，所有平台任课教师均参与平台课程实验室建设与实验教学。平台课程实验促使学生深入理解和综合运用所学电气信息类专业基础课程理论知识，培养其在电气和信息领域相关的工程实践基本能力。

（2）结合电气与信息工程技术发展热点，平台加入了嵌入式系统、电力电子技术两门课，增加了相应的实验内容等。

（3）在电路设计、PCB（印制电路板）设计、系统分析、软件设计、焊接装配、外协加工、调试校准等环节更贴近工程实际。

（4）在学习嵌入式系统课程过程中，由每位学生自制“单片机口袋实验室”，让学生可以随时随地开展相关实验。

（5）将电气、信息学科教师的先进科研成果适度、适量转移到平台课程实验，扩充创新性实验内容，弥补创新性实验缺少的问题，引导学生加速进入后续专业知识学习。

平台课主要是操作性、综合性、设计性实验项目，为创新性实验预留了一定空间。8 门平台课程实验指导书的每个实验均只给出框架性要求，不提供详细的实验方案。学生可根据自己兴趣自由分组，依据实验要求自行设计实验过程，开展实验，完成实验结果分析。此举不仅给予学生充分的自主性，有利于个性化培养，更有利于培养学生的团队协作精神，锻炼其综合运用电类基础课程和平台课程知识分析问题、解决问题的能力。

2.3 专业课程实验教学改革

专业课程实验结合电气、信息类专业课程内容的先进性进行科学规划、合理设计，由专业责任教授召集本专业教授、骨干教师和实验人员对实验内容、实验设备等开展讨论，确定综合性、设计性、创新性实验。

（1）专业课程实验教学强调培养专业相关知识学习基础上的实验技能和发现、分析、解决问题等工程能力，将解决复杂工程问题意识的培养贯穿于所有专业课程实验。

（2）专业课程实验指导书只给出实验对象、实验目标、实验要求、主要技术指标、完成期限和验收方式，而具体组队、实验实现方案、实验技术路线、元器件与零部件选择、设计制作与调试、指标测试等，均由学生自主完成。

（3）加大专业教师科研新成果向专业实验教学的转化，科研反哺实验教学，形成创新性实验内容；部分学生可结合教师的科研项目开展创新性实验。

（4）面向本专业领域新技术和产业发展热点，开设专业综合实验。以测控技术与仪器专业2016 级为例，其电气测量核心课程在开课伊始，即结合教学进度开展单相防窃电电子式电能表综合设计，在课程学习阶段完成基本原理、方案论证、电路设计、算法研究、软件设计、焊接调试、通电老化、校准标定等全过程。

（5）以开放实验室为基地，鼓励学生结合所学专业、根据市场需求自选实验课题，进行实验设计开发，使专业开放性实验不局限于教学大纲内的实验内容。

（6）鼓励和引导学生参加“挑战杯”、电子设计、机器人设计、虚拟仪器设计等学科竞赛，结合竞赛训练开展专业创新性实验。学科竞赛有基本要求和自主发挥要求，对大学生的实践能力与创新意识培养具有不可替代的作用。

专业课程的综合性实验和设计性实验的实施方法与平台课程实验类似，但这两类实验面向电气与信息类专业前沿，只给出实验内容简介，由学生通过自行组队后，检索文献资料、撰写文献综述、形成实验方案，在获得教师认可后形成实验内容，再自行确定实验时间、实施实验过程、分析实验结果、探讨实验成效、形成实验报告。在此期间，授课教师、实验教师和研究生助管对学生提出的实验方案进行建议性指导，在实验结束后帮助分析实验结果。这一方式进一步锻炼和培养了学生对本专业领域新技术的思考、应用与创新。

3 实验教学体系改进的实施效果

通过实验教学体系的改进，电气信息类专业建设以及学生培养取得了比较好的成效。如电气工程及其自动化、自动化、测控技术与仪器、电子信息工程等4 个专业全部通过两轮中国工程教育专业认证；电气工程及其自动化、自动化两个专业获评全国一流本科专业；测控技术与仪器新技术专业获评湖南省一流本科专业；电子信息工程在湖南省专业综合评估中评为 A 类专业。学院近5 年获得了包括全国“互联网+”竞赛金奖、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、全国电子设计竞赛一等奖等在内的102 项国家级学科竞赛奖励和141 项省级学科竞赛奖励。学院保研、读研升学率连年超过50%；改革与建设成效在新华社、人民网、《中国教育报》《光明日报》等媒体上多次报道[11]。

4 结语

“新工科”建设是我国高等工程教育主动应对新一轮科技革命与产业革命的战略行动。我校电气与信息工程学院面向“新工科”建设，提出了电气信息类专业实验教学体系的建设新思路，以学生为中心，虚拟实验与真实实验相结合，开展了以验证性实验与综合性实验为基础、以设计性实验与探索性实验为导向的多元化、层次化实验教学改革，形成了电类专业基础课程实验、学院平台课程实验、专业课程实验的递进式实验教学体系，为提高电气信息类专业学生的综合能力与创新意识、确保电气信息类专业“新工科”建设发挥了保障作用。