“电工学”国家级一流课程建设与实践

袁小庆， 史仪凯， 王文东

(西北工业大学 机电学院，陕西 西安 710072)

0 引言

在我国推进实施 “中国制造2025”、“互联网+”等国家重大发展战略的背景下，面向“新工科”建设的“复旦共识”“天大行动”“北京指南”“交大篇章”等相继发布，标志着我国高等教育“新工科”建设的开始[1～2]。高校以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养卓越工程科技人才，促进我国走向工程教育强国。同时世界各国高等工程教育改革的一个重要趋势和核心问题，是如何培养学生解决复杂工程问题的能力，这也是世界各国开展工程教育认证的主要抓手[3]。面对工科大学生解决复杂工程问题能力普遍薄弱的状况，如何正确认识和理解现代工程的复杂性特点及对新工科人才解决复杂工程问题能力的要求，并采取有效措施培养和提高我国新工科人才解决复杂工程问题的能力，便成为当前中国工程教育改革和“新工科”建设面临的重难点。目前新工科背景下工程教育存在的主要问题：对工程创新思维培养不足；在工程实践教学过程中对学生独立探索解决工程实际问题能力的培养，及相关的人才培养体系不够合理[4]。伴随国家对一流专业和一流课程建设提出的新要求，新工科建设需要融入其中[5～6]。电工学课程作为非电专业本科生的一门技术基础课程，在学生综合能力和工程素养培养中占据极其重要的位置，也同样需要与时俱进。

同时，教学模式和考核模式在人才培养体系中也越来越重要。近年来国内外高校将“互联网+”引入传统电工学课堂教学和考核，比如将雨课堂、MOOC与传统课堂教学相结合来提升教学效果，将线上学习的过程性评价和期末测试的结果性评价相结合，尽可能客观反映学生的学习效果[7～8]。面对新工科背景下工程技术人员的培养需求，现有教学模式和考核模式仍有进一步提升的空间。

1 “电工学”课程现状

“电工学”课程是全国高等学校非电类专业的一门实践性很强的技术基础课，也是非电专业本科生培养方案中的一门必修课程，对于培养方案中培养目标的实现起到重要的支撑作用。课程主要研究电能在工程技术领域中应用。课程的教学目标是使学生通过课程学习，掌握课程的基本理论、知识和技能，也就是将课程理论知识与培养学生的能力素质有机融合，使学生获得分析解决复杂问题的综合能力和科技创新思维，为学生建构基础课和学科专业课、在校学习和毕业后从事工程技术工作的桥梁。经过多年的发展，西北工业大学“电工学”课程组目前拥有国家级教学名师、国家级教学团队、国家级一流课程、国家级精品课程、国家级精品教材和国家级规划教材，获得国家级和省级教学成果奖多项。名师(团队)、名课程、名教材为“电工学”课程教学和学习提供系统的解决方案。“电工学”课程与教学改革要解决的重点问题有：①如何落实学生全面发展为中心，提高学生学习兴趣、自主学习和自主实践积极性的问题；②如何解决基础课程理论多实践少导致难以学以致用的问题，以及提高学生分析和解决复杂问题等综合实践能力的问题；③如何在基础课程教学中提高学生创新思维和创新能力，培养学生实践能力、工程素养、协作能力、学术表达能力等综合素质。

针对这些问题，我校“电工学”课程教学团队尝试开展电工电子实践能力和创新能力培养体系改革，把实践教育作为培养学生创新意识、实践能力和创新能力的重要载体，并将其作为创新人才培养体系的重要支撑。从2014年开始，课程探索将PBL等多种教学方法相融合的教学模式改革，并开展项目设计为主的考核模式改革，逐渐形成“课内强基础、课后重实践、拔优申大创、竞赛出成果”的人才培养模式，将课程教学在空间上由课内扩展至课外，在时间上由大二延伸至大三。通过课内项目设计考核、选拔优秀学生申请大创、指导学生参加科技竞赛，成效显著。2015年入选学校首批探索式、研究型课程，2019年被学校评为首批研究型示范课程，2020年入选学校高挑战度优秀本科课程典型案例，2020年获首批国家级线下一流课程。

2 “电工学”课程建设思路

根据人才培养目标、工程专业认证要求以及教育部教指委制定的“电工学”课程教学要求，团队从知识、能力和素养三个方面确定了课程教学目标。从知识方面来说，使学生获得完整扎实的电工电子方面必要的基础理论、基础知识和基础技能；从能力方面来说，使学生获得分析与解决复杂电工电子相关问题的能力、科技创新能力、工程软件应用能力、初步的科学实验能力、自主学习能力、团队协作能力和学术表达能力等。从素养(包括思政)方面来说，使学生获得工程意识、逻辑思维、辩证思维、创新思维、国际视野、科技报国精神。

课程确立了以学生全面发展为主线，以电类实践能力和创新能力培养为目标，以“激发潜能，夯实基础、注重实践、引导创新”为教学理念。提出“课内强基础、课后重实践、拔优申大创、竞赛出成果”的人才培养模式，从空间和时间上扩充课程的实践范围，从广度和深度上扩充课程内容。通过对教学内容、教学模式、考核模式、教学资源和教学团队等五个方面开展课程建设和实践，实现全面提升课程教学质量的目的。

3 “电工学”课程建设实践

3.1 优化教育教学内容

课程内容体系是培养体系中的中心环节。结合培养体系要求和工程教育理念，对现有理论课程、实验课程体系进行优化整合，融入新开设的“电工电子实践与创新基础”、“电工电子实践与创新提高”、“电工电子系统创新设计与实践”课程，分析理论课程、实践课程和创新课程等不同模块之间以及模块内不同课程之间关系，界定每门课程内容的教学目标。在教学内容上形成从理论到实践，从基础实验到综合实验再到创新实践，从激发兴趣到自主学习的三位一体教学内容体系。最终形成融合工程教育理念的“基础理论课+基础实验课+创新实践课”相融合的层次化课程内容体系，如图1所示。将课程内容优化为四个模块，其中，电路分析模块以理论推导为主，电机与控制、模拟电子技术和数字电子技术三个模块以工程实践为主，结合科研课题和工程实际，提炼出“以工程问题为导向，培养学生研究和工程意识”的结构体系，制定五个研究专题融入课程教学内容，如图2所示。同时将工程实践应用编写进新形态教材中，增强了教材的应用性和可读性。

图1 课程内容体系

图2 课程内容优化

3.2 建构新的教学模式

合理的教学模式是培养体系的重要组成部分。为了实现对学生电类实践能力和创新能力的培养，充分利用丰富的教学内容资源，采用以项目为主线，任务驱动的PBL教学法，形成课前网络自学、课堂精讲与讨论、课后实践相结合，以学生为中心的“MOOC+翻转课堂+PBL”的研究型教学模式体系。实现以PBL为主导，融合其他教学方法的研究性教学过程立体式全覆盖。同时开展课程思政教学，将辩证思维、工程意识、团队协作、科学素养等内容融入课程教学大纲、融入课程教学、融入课程实践中，实现与思政课程的协同育人，这种课程教学模式如图3所示。 以“微弱信号放大电路设计”专题为例(见图4)，围绕“晶体管-放大电路-运放电路”教学内容，教师针对心电图仪中电信号放大这一工程问题创建情景，学生自学查找资料，教师精讲基础理论，引导学生讨论解决方案，鼓励学生进行仿真分析论证方案，最终教师提出工程实际解决方案与学生方案对比，增加学生理解理论和工程实际的区别、分立电路和集成电路的区别，增强学生分析和解决工程问题的能力。这是以工程实际问题为牵引，以专题研究为核心，教师主导和学生自主MOOC学习相结合的研究型教学模式与其他电工学课程教学模式的相区别的案例。

图3 课程教学模式

图4 任务驱动的研究型教学案例

3.3 实施新的考核模式

为落实培养体系效果，强化过程考核和多元化评价，针对传统课程考试中重理论测试轻实践能力和综合能力考核的问题，提出“四次随堂测试+项目设计考核+平时表现”的成绩考核模式(见图5)。取消期末考试，每完成部分章节学习进行一次随堂测试，通过四次随堂测试考核学生对理论知识的掌握程度，避免学生重实践轻理论学习。平时表现考核环节包括学生作业、MOOC成绩和专题学习课堂表现，注重学生对课程主动学习和互动交流的考核。引入项目设计环节，教师提供工程类选题，学生也可结合生活实际，自由选择题目，由2～3人一组完成一项实物制作，以PPT汇报、实物演示、结题报告的形式进行考核。建立由教师和助教构成的指导团队对学生分组选题、项目设计、电路仿真、实物制作、报告撰写、成果汇报全过程进行指导、监督与考核。这种以能力考核为导向的考核方式不仅能考核学生对知识的理解和应用程度，使其更能反映对课程学习的引导作用，还能测试学生综合能力培养效果和解决复杂工程问题能力。

图5 成绩考核模式

3.4 构建丰富教学资源

丰富教学资源是课程建设中的重要环节。课程提供文字主教材+辅助教材+MOOC组成的丰富教学资源供学生自主学习。课程主教材为《电工电子技术(第二版)》、参考教材为《电工技术(第三版)》、《电子技术(第三版)》、《电工电子应用技术(第三版)》均为自编的“十二五”国家级规划教材，获国家级精品教材和陕西省优秀教材奖，最新版的新形态教材《电工技术和电子技术》也将由高教出版社出版；与课程配套出版的还有电子教案、网络课程、学习与指导、作业集、实验教材10余部，累计出版10万余册。 为配合电工学理论课程实践，实验中心开发了实验预习报告、实验教学电子教案和实验设备演示视频和基础实验教学视频，出版了《电工学实验教学资源库(光盘)》。为方便学生自主学习(课前预习和课后复习)，课程团队在中国大学MOOC平台建有电工学MOOC，已上线五轮次，累计选课学生4万余人，除本校学习者外，还包括来自哈尔滨工业大学、北京理工大学、同济大学、四川大学、厦门大学等近百所高校的学习者和来自社会的学习者。

实验条件是课程教学实践顺利实施的重要支撑。通过整合原有实验室设备、实验内容，引进实验设备，建设创新实验室，与北京钢铁侠科技有限公司和普源精电科技股份有限公司建设联合实验室，联合工程实践团队，开设工程实践项目，解决工程实践环境不足的问题。同时开发虚拟仿真实验项目和综合实践项目，解决学生线上实践的需求，结合开放式实验室管理制度，建设完成软硬平台结合的“基础实验室+创新实验室+联合实验室”组成的开放式自主实践体系。

丰富的理论和实践课程教学资源以及软硬件平台，有利于实现开放式学习与实践，为学生开展自主学习、自主创新性实验、理论课程项目设计、大学生创新创业项目、实验课程实物制作和科技竞赛活动提供了优良的自主学习和自主实践环境。

3.5 塑造优秀教学团队

优秀的教师团队是贯彻落实人才培养模式的保障。新的课程建设对教师队伍提出新的要求，要求教师教学方法上由过去课程讲授为主，转变为指导为主。要求教师能够对学生提出的设计题目进行审核和及时指导。同时鼓励教师为学生提供科研相关的题目，并参与到开放实验室学生创新活动指导工作。这些要求需要教师和实验技术人员必须有一定的工程实践能力和科学研究能力并适应新的教学模式，课程团队支持教师每年参与各种教学会议和教学能力培训活动1次以上，支持教师参与教学研究、科学研究工作和出国交流，目前团队中45岁以下的8名教师和实验技术人员均主持或参与省部级以上研究课题多项和出国交流1月以上，年均参与或主持学校教学改革项目1项，有力地保障了新培养模式的贯彻落实。

4 “电工学”课程建设效果与评价

项目设计环节中，学生累计完成实物制作和项目设计报告500余项。通过选拔项目设计完成优秀的学生，组织申请大创项目，利用实验中心开放创新实验室，教师团队指导参加科技竞赛活动，从2016年至今，教师团队指导参加过课程学习的本科生获省级以上大学生创新创业训练计划项目47项，其中国家级22项。组织学生申请专利15项，其中发明专利13项，已授权2项。组织学生参加中国机器人大赛、iCan国际创新创业大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛等活动，获省级以上奖励25项，包括全国一等奖9项，1个项目入选2019全国大学生创新创业年会并展示项目。

为评价课程教学效果，对采用研究型教学方法的2020学年秋季523名学生与采用传统授课的2018学年春季381名学生期末成绩进行对比，优秀和良好率提高11%，不及格率降低5%，同时对两批学生进行问卷调查，学生对课程教学总体满意和比较满意提高近20%，不满意率降低8%，如图6所示。问卷调查中，学生对教学模式、考核模式、实践和创新能力培养、课堂氛围、言传身教、课堂信息量等选项给予较高评价。有同学反映：“这门课是我大学以来感觉最有意义的一门课，终于不用只学习理论了，可以跟实践相结合，让我收获了两位好友及能力”，“主要区别是采用项目驱动学习法，将理论与实践操作相结合，真正学以致用，大大提高动手实践能力”。

图6 学生满意度和成绩对比

校内外专家对课程建设成果给予充分肯定。国家级教学名师罗先觉教授认为：课程做法对技术基础课教师在教学中探索培养学生的科技创新能力有重要的借鉴作用。学校督导组教师认为：问题引入直观生动，注重学生分析问题和解决问题的能力，设计“任务驱动环节”课堂互动活跃，通过仿真实验激发学生求知欲，取得很好教学效果。

5 结语

经过多年建设，课程形成以下特色。

(1)形成了课前自学、课堂精讲与讨论、课后实践的融合PBL教学法的研究型教学模式，践行教师为主导、学生为主体的教学理念，解决技术基础课程“内容多、学时少”的难题，有利于学生掌握和运用所学理论知识，增强学生学习兴趣和自主学习积极性，提高学生逻辑思维能力和工程意识。

(2)形成了综合能力考核为导向的以随堂测试和项目设计为主体的电工学课程考核方式，有效解决传统考试“重理论测试轻知识应用和综合能力考核”的问题，增强学生自主实践意识和综合实践能力，提升学生分析解决问题能力，培养学生协作能力、学术交流能力、创新意识和创新能力。

(3)构建融合文字教材、电子教案、数字教材的多形态、立体化教学资源，搭建丰富的硬件实践平台和软件实践平台，为学生开展电工学自主学习和自主实践创新提供开放式教学环境。

(4)探索出基础课程培养学生创新实践能力的新途径。提出的人才培养新模式，提高了学生分析解决复杂问题的综合实践能力，为解决基础课程教学中学生创新实践能力培养效果不理想问题提供一种新选择。

经过培养体系改革实践，综合学生成绩和表现、督导组和学生反馈意见，表明新的培养体系对于学生综合能力提升起着关键作用，对于电工学课程质量提升起着决定作用，也为其他学校的电工学课程改革提供借鉴。