面向新工科非电类理工科专业的电工学系列课程教学体系改革与探索

张 浩，刘 晔

（西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安710049）

0 引言

为积极应对新一轮科技变革与产业转型，深化科技体制改革，响应“创新驱动发展”、“中国制造2025”等一系列国家战略，教育部积极鼓励、引导“新工科”发展，先后形成确立了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并印发了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等文件，奋力开拓、努力探索适合中国的发展模式，建设高等教育强国，引领全球工程教育道路［1，2］。

新工科是在国家战略未来发展新模式、国际经济合作竞争新机遇基础上提出的中国高等工程教育的改革发展趋势。新工科以立德树人为指导，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要方式，着力培育未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征［3］。因此，非电类理工科专业，如材料科学与工程、能源与动力工程等专业需要加强电工学系列课程的学习，并加强电工实践能力与所学专业的有机结合，以培养具备跨学科交叉融合能力、创新实践能力的工程技术人才［4，5］。

电工学系列课程是非电类理工科专业的重要工程基础课程，课程知识面宽，实践性强，内容与时俱进，具有综合性和跨学科的特色。按照新工科的要求，通过该课程学习使学生掌握必要的电气工程、电子信息工程以及控制工程的基本知识，培养其解决电气信息类技术问题的能力。特别要培养学生应用数学和自然科学解决工程问题的能力，培养学生的辨证思维能力，牢固树立理论联系实际的工程科学观点。课程不仅应突出其基础性，而且应强调实践应用性，还应与学生的专业有机结合，突出专业特色。据此，对面向新工科非电类理工科专业的电工学系列课程建设和教学体系改革进行探索，以适应新工科的发展要求，为学生的全面发展奠定基础。

1 国内外电工学系列课程调研

电工学系列课程涉及电气工程、电子信息工程以及控制工程等领域的基本内容，涵盖了电能的利用和电信号处理这两个电气与电子工业的核心问题。该课程是为高等院校非电类理工科专业设置的工程技术基础课程，通过教学帮助非电类理工科专业学生系统地学习电工学知识。当前电工学已广泛应用于各个领域，与其他学科相互交融、密不可分，所以学好电工学系列课程十分重要。

国内外一流大学所教授的电工学系列课程有很大的不同，如图1所示。下面主要从教学理念、教学内容、教学安排和教学方式等方面进行分析比较。

图1 国内外电工学系列课程

1.1 教学理念

人才培育是教育活动的出发点和最终归宿。尽管各世界一流大学对人才培育的定位有所不同，各有侧重，但精英人才培养是所有一流大学共同的办学宗旨［6］。通识教育是世界一流大学实现精英教育的重要环节。通识教育不仅激发学生探索和思考的热情，使学生具有独立思考、批判性思维的综合素养，而且还为以后的专业学习、工作、生活乃至长期发展做好准备［7］。创新教育是世界一流大学培养精英人才的重要手段。创新教育主要旨在培养学生的创新精神、创新思维、创新意识、创造能力等创新素质，从而培育出优秀的创新型人才。国外的剑桥大学、哈佛大学、斯坦福大学、国内的清华大学等多所高校都提出了明确的创新教育理念，并将创新教育理念融入到学生的培养过程之中［8］。教学工程中尊重学生的主体地位，营造和谐平等自由的教学环境，不轻易地否定学生想法，鼓励学生挣脱常规思维的束缚，以引导为主，着眼于学生的思维能力的培养。

1.2 教学内容

由于不同专业培养方案的差异，其对电工学系列课程教学内容也各有偏重。国内一流大学根据具体的专业培养方案、教学目标，选择相应的教学内容模块，安排组织课程，制定了符合自己定位的电工学系列课程教学方案和计划。例如大连理工大学的“电工学”课程，电工技术部分包含交直流电路、暂态分析、变压器、电动机、电气自动控制、供用电等；电子技术部分包含集成运算放大器、基本放大电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、直流稳压电源、数模转换、传感器等内容。该课程兼具基础性、实践性、工程性和时代性的特点。

此外，普林斯顿大学、麻省理工学院（MIT）、莫斯科大学和彼得堡大学等国外重点大学所教授的课程内容与国内也有一些差异。其中，“电路与电子学（Circuits and Electronics）”课程是美国麻省理工学院（MIT）电气工程和计算机科学系（EECS）开设的重要的基础课［8］。课程以电路原理教学内容为主干，涵盖线性电路分析、非线性电路分析、动态电路分析、正弦交流稳态电路分析等，并且十分重视模拟电路与数字电路部分，穿插介绍放大器、滤波器、运算放大器等模拟电路部分和反相器、门电路、数字内存等数字电路部分。

1.3 教学安排

目前国内大部分电工学系列课程都是采用“电路理论”、“电机与电气控制”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”的编排方式，教师授课也基本上是按照这几部分分开讲授。多年的经验证明这种方式具有很好的教学效果，但是这种编排顺序在某些地方存在一些缺点和局限性，它没有充分考虑到各部分知识点的继承性、相关性以及学生知识吸收的规律性，将某些相互关联的内容放到各部分分开讲授，不仅浪费了一定的课时，还不利于学生知识整体概念体系的形成。

美国MIT的“电路与电子学”课程就采用了一种不同于传统的编排方式［9］。电工学系列主要课程内容经过重新排列组合，被完全打乱，相互交织在一起。对该课程内容进一步分析表明，课程知识点并非杂乱无章，各部分的知识点有机结合，有着明显的继承性。从内容上看，它不仅讲述了基本的电路原理和分析方法，而且还包括在特定的电路设计过程中必须考虑的实际问题，而这些问题在国内教材中很少提到。MIT的“电路与电子学”课程完美地将基础性、理论性、应用性和先进性有机融合在一起。

1.4 教学方式

国内电工学系列课程，以清华大学为例，充分利用了各种线上平台的优势，将实体课堂与在线开放课程有机结合，为学生提供了丰富的学习实践机会。“大课+习题课+讨论课+实验课”的课程结构，“计算分析型作业+仿真型作业+设计型作业”的课后训练，“教室课堂+MOOC+网络学堂+雨课堂”的教学平台，是清华大学电工学系列课程的重要组成部分，共同构建了多维化、综合性、创新型和高品质的课程教学体系［10］。

美国MIT的课程教学人员配置包括1个主讲教师，5个复习课教师，7个教学助理，4个作业批改员，5个实验助理和1个课程秘书，教学人员与学生的比例约为1：11，远大于目前国内的比例［11］。教学中大课、教学会议、复习课、答疑课、实验穿插进行。课程每次大课都有演示实验，所以基本上采用黑板授课的方式，多个投影仪分别展示演示实验的实物投影和实验所得波形。在数学推导比较多的情况下，教师也会借助电子化课件进行教学。每次大课会随堂下发部分讲义，解决学生上课忙于记笔记而没有时间听课的问题。清华大学“电路原理”教学组借鉴此做法，实行下发部分讲义，学生反映良好。

2 非电类学生课程需求分析

随着科学技术的发展，在新工科背景下，工程技术相关学科带来了一系列的变化，包括一些新材料、新能源和其他相应的新技术以及科学技术手段的变化。在新兴产业对工程人才的新需求背景下，进行跨学科合作和融合，打破传统工科间知识结构的壁垒与障碍，取长补短、相互交融、共同发展。因此，面向未来，学生需要不断树立学科融合的理念，要不断打破传统学科的界限。而在不同学科交融的过程中可能会挖掘出一些新的技术，即未来新技术。

2.1 专业需求性

由于学生所学专业与未来职业选择存在一定的联系，所以非电类理工科专业学生对电工学系列课程的需求各不相同。部分专业只需浅尝辄止；而某些专业可能会在以后的实践中涉及到很多电工学方面的内容，因此需要强化基础、牢固掌握相关知识。

电工类课程的基础性决定了其具有较强的跨学科交叉融合能力，其教学内容与非电类专业学科的培养目标密切相关。理工科专业大部分会接触电工学系列课程，但对课程的需求有所差异。管理类行业基本不涉足电工学领域，所以管理专业学生对于电工学系列课程的学习属于兴趣导向，扩展知识面和视野。化工、土木等专业从事的大部分行业与电工学专业联系不是很密切，因此这类专业一般把电工学课程用于基础教学。现有学科中与电工学专业关系较为密切的是材料、能源和机械工程等专业。例如，材料科学和电工学交叉融合产生了新能源材料、光电功能材料和超导电工技术、纳米电工技术等；机械工程、计算机学科和电工学交叉融合生成了机电一体化新学科，形成了以机械为主体、计算机控制与电工学为技术核心的综合格局［12］。虽然学科间交融紧密，但又不能混为一谈，仍然要侧重于主体学科方面的学习和研究。

2.2 实践需求性

在全国范围内举办的大规模电子类竞赛：全国大学生电子设计大赛、飞思卡尔全国大学生智能车竞赛等是面向大学生的群众性科技活动。竞赛与高等院校相关专业的课程教学体系改革紧密结合，旨在培养大学生的实践能力和创新思维，锻炼学生解决实际问题的能力。此些竞赛面向的是全体学生，并不局限于电工电子类学生。每届电子设计竞赛都包含多种类型的题目，如电源类、无线电类、信号源类、放大器类、控制类、仪器仪表类、数据采集与处理类等，供不同专业的学生选择［13］。

现在有愈来愈多的非电类专业学生参加电子类竞赛，如能动、机械、材料等专业学生在这类竞赛中都取得了良好的成绩。应鼓励非电类学生积极主动参与电子类竞赛，激发学生的兴趣，培养多元化、综合型工程人才。而学生参加电子设计竞赛的训练过程中可能会出现各种各样的电路现象和电路故障问题，因此非电类专业学生参赛基础是要有一定的电工学知识积累。通过电工学系列课程的学习，可以提高非电类专业学生综合运用知识的能力和实验技能，同时为电子竞赛的培训与训练打好基础。

3 课程方案建设和教学基本要求研究

稳步推进新工科建设，是积极应对新一轮科技变革和产业转型、培育发展新动能、抢占战略竞争新优势、促进高等教育改革发展的关键之举、治本之策［14］。将新工科建设作为教学综合改革的“加速器”，全面推进课程教学的理念创新、模式创新、内容更新、技术改革、体系创新，引领教育教学变革，如图2所示。

图2 新工科建设教学改革

新经济发展为工程教育和教学提出了新的挑战和要求：首先，我们需要面向未来，围绕人工智能、互联网、大数据、云计算、移动商务、电子医疗服务等新兴产业和新兴业态，发展新兴的工科专业。其次，工程技术人才需要具有超凡的学科交叉素养和很强的创新能力，以快速适应大规模技术革命下的跨学科交叉融合。第三，要建立适应当今大学生互联网“原住民”特点的个性化和多样化的工程教育培养体系，探索“智能+”和“互联网+”先进工程教育模式，为学生个性化培养提供现代化技术支持［14］。

3.1 工程教学的新理念

新工科的关键任务是重构人才培养体系、重塑高等教育质量观、创新课程教学模式、加强创新创业能力培养、构建并完善创新人才培养体系、加快推动科技成果转化应用［15］。教学中应牢牢抓住新工科建设的机遇，面向未来、把握未来、收获未来、引领新常态，要理解和践行创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，树立现代工程教育观。课程教学方案建设应着眼于提高学生的创新创业精神和能力，树立全面综合化的工程人才培养理念，推动学科面向产业需求导向建设转型升级，由专业分割转向交叉融合发展，由适应服务逐步转向引领创新。

要深入践行三大理念：坚持以学生为中心，着眼于学生的全面综合发展，尊重学生的主体地位。课程教学从以“教”为中心转变成以“学”为中心，让教学改革成果使全体学生受益。教师首先基于启发式原则，突出重点知识，细化难点知识，引导学生看到问题的本质，找到问题的着手点。再鼓励学生独立思考、尝试，并讨论交流、互相纠正，解决问题。最后对学生仍存在或无法解决的的问题做重点点拨。对于学生确实无法完成的特殊情况，适当降低难度，教学中更注重的是学生分析问题解决问题的工程思维能力。围绕培养综合型工程技术人才的教学目标，根据学生具体的认知情况，强调结果导向，强调教育教学的“产出”质量，处理好课堂教学、课后练习、课程实践和实验之间的关系。通过课前的问题导引、课上的互动交流、课后的沟通研讨和延伸学习以及实际工程问题演练等方式，结合学生的专业背景建立基于图3所示PBL（问题导向）的“学思交融”工程学习模式，完善发现问题-及时反馈-敏捷响应-有效解决的高效闭环循环机制，强化对学生创新思维能力的锻炼，培养学生善思、善寻、善问的品质。

图3 PBL模式

3.2 人才培养的新模式

教学方案建设改革应该服从服务于社会经济发展，以社会需求为基础来统筹、优化与调整课程。积极适应和引领新模式、新技术、新业态、新产业，重构课程的体系，实现人才培养架构与社会需求的匹配，学科体系与产业链和人才链的有机衔接，共同建设面向未来、满足需求、引领发展、模式先进、保障到位的高品质课程［16］。

在新工科背景下，课程建设应探索校企多元主体协同育人机制，破除社会参与人才培养的制度障碍，进一步促进校企合作、校地协同、科教融合等模式，构建多维度、全方位的协同育人机制，实现合作教学、合作培养、合作发展［17］。发展多学科交叉融合的工程人才培养模式，采用学科交融的新型教学方法，促进学科间知识延伸，加强与多学科教学团队、项目平台交流，推进多学科合作学习。探索个性化人才培养模式，“请进来”和“走出去”相结合，加强与实际工程的联系，紧跟科技前沿，更新知识与技能，鼓励支持非电类理工科专业学生在教师指导下，参加项目学习，加强企业交流，参与学科电子竞赛，为学生个性化发展提供优质的平台。突破传统教育的时空界限和资源壁垒，促进互联网、大数据等现代信息技术与课程教学的有机融合，活化教育形式、丰富教学内容、增强教育效果。基于课程教学过程开发高质量“开源”平台，鼓励教师跨时空、跨学科传授知识、互动探讨，打破优质教育教学资源供给的单一化，提供“定制化”、“个性化”的培养服务。

3.3 学科专业的新内容

理论与实践相结合教学，以工程项目为中心，培养学生的动手能力和创新思维能力是实现新工科发展目标的重要手段。基于CDIO中构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）与运作（Operate）理念的项目驱动式教学［18］，如图4所示。以项目驱动为载体，以教师基础理论模块化教学为抓手，以解决实际工程实践问题为导向，以教师引领、学生为主的理论与实践相结合的综合专业能力培养方式，增强学生解决具体工程问题的经验和能力。同时提高学生团队协作精神，充分发挥学生主动学习的积极性，培养学生主动查阅资料、主动学习、分析生产实践问题、自主解决问题的能力，培养创新创业意识和科学探索精神。

图4 CDIO培养能力层面

科技的不断发展，极大地缩短了知识更新的周期，所以要求教育教学内容尤其是涉及热点问题的工程技术领域的学科内容实时更新，也需要教师的知识体系、能力水平、技能和工具使用、职业素质不断更新。教师可通过科学研究、学术期刊、学术会议、交流讨论等方式和机会，及时和不断地吸收知识，提高学术水平和其他能力，掌握最先进的技术和知识，以确保教学内容与现代社会发展所需的能力和知识相一致。课程教学应以纸质教材或电子课件为辅助材料，不仅要满足非电类理工科专业学生理论学习的基本需求，还要确保实时性，不断引入前言课题与热点话题，体现当前科技发展的新成果和新知识。并基于课程教学实际，打破学科知识壁垒，重组学科知识结构，提高知识层次。课程应不断规范、完善课程教材体系，提高课程教材水平并提升课程教材实用性。课程引入交叉课题研究，科教结合、协同创新。

3.4 教育教学的新技术

以大数据、云计算、互联网、无线感知技术为代表的现代科技丰富了教师课堂授课的教学形式。互动黑板、智能教室、信息化校园等新技术的出现极大地优化改善了课堂教学的线下教学环境。基于互联网的翻转课堂、微课堂、雨课堂、钉钉、腾讯会议等线上教学新模式的涌现，使得教师安排课程教学的学术资源和时空环境变得更加丰富［19］。

互动黑板、智能教室、信息化校园的出现，使线下教学环境新增了许多优点，如丰富的内容，便捷的管理，快速的资源访问、趣味化的师生交互以及真实的情景模拟等，为教师的课堂教学提供了高新技术产业支撑。使得“开放式课堂”、“情景教学”等新型教学模式和“STEM教育”（科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics））等先进教育理念拥有切实操作的物质条件与平台，为学生充分发挥主观能动性、主动参与课堂互动交流提供了良好的环境。翻转课堂、微课堂、雨课堂、钉钉等新型线上教学方式是新时代教育教学理论和信息技术深度融合的产物，基于“互联网+”的多模式教学平台，有利于创造学生自主学习的环境，培养学生的学习兴趣，提升学生自主学习的能力，激发学生求知和创造的热情，培养学生自主学习的意识。

新兴技术手段为教师的教学方案设计、教学活动安排以及教学方式变革提供了优质丰富的资源和环境。新的技术手段并没有违背“教学相长，因材施教”的教育理念，相反，借助大数据信息，教师可以快速、便捷地分析学生的个性特征、学习基础、掌握理解情况等信息，大大较少了充分掌握学生个性特征原本所需的成本和工作量，为教师实行大规模、即时的教学设计提供了可能。同时，借助互联网平台，教师能够快速、便捷地调用在线资源，启动新教学模式满足个性化教育教学的需求。借助人工智能技术，教师能实时了解学生的学习进度、对知识的理解程度和实践状况等信息，有针对性地去进行课外辅导和课后答疑。

3.5 评价教学的新体系

新工科教育作为一种高校教育改革行动，应充分体现时代的鲜明特征，适应新形式的发展和变化，以立德树人为本，重视发展学科多元化和产业融合，培养具有良好综合素质和优秀工程能力的创新型工程人才，确保工程教育教学的高水平、高质量和国际竞争力［3］。

工程教育和教学应以服务国家为第一要务，着力于衡量人才培养质量，全面评估人才对社会发展、对促进国家核心竞争力、对工业技术发展的具体贡献上。因此，课程考评应该扭转不科学的导向，拓展评价的维度，克服唯分数论，面向学生的发展潜力而不局限于现有水平，立足于对非电类理工科专业学生能力的全面、综合、深入考查而不再片面倚重于某些硬性的可量化数据指标。课程的考核应打破传统闭卷考试模式，以能力考核作为评判依据。考察学生对基本理论知识的理解掌握情况，更重要的是考察非电类理工科专业学生利用知识解决实际工程问题的能力，鼓励学生自主分享、学术交流，延伸知识，拓展思维。学生边交流边实践，深入了解和应用所学知识，提高动手实践能力。

4 结语

在新工科工程人才培养理念的指导下，对国内外非电类理工科专业电工学系列课程教育思想、课程内容和教学手段进行调研，分析新工科非电类理工科专业学生电气电子信息知识和能力需求，从理念创新、模式创新、内容更新、技术改革、体系创新等方面，构建与研究非电类理工科专业电工学系列课程方案建设和教学基本要求。旨在提高课程的教学效果，激发学生的学习兴趣和主观能动性，增强学生的实践动手能力和科技创新能力，为实现国家的“一带一路”、“中国制造2025”的战略部署和培养多样化、创新型卓越工程科技人才做出贡献。