新工科背景下实验教学的创新研究＊

2021-11-27邢晏朝封岸松张占胜

科技与创新 2021年20期

李帅，邢晏朝，封岸松，张占胜

（沈阳化工大学，辽宁沈阳 110142）

电气信息类专业培养计划设置的核心课程，是引导学生学习专业知识的重要教学设置，实验教学是整个课程教学的重要组成部分。新工科背景下，更强调学科的实用性、交叉性与综合性，因此需要对传统的教学模式进行创新改革，为未来新兴产业和新经济培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。

1 新工科建设对高校的基本要求

新工科是教育部对新兴工科专业发展的规划及要求，在提出发展新型工科理念的同时，也对高校和传统工科专业指明了新的发展方向。新工科培养理念旨在培养能适应新兴产业和新经济的优秀人才，这就要求高校注重学生实践能力、创新能力的培养，为社会输出高素质的复合型“新工科”人才。要求学生首先能够运用大学所学的知识解决实际问题，还能独立学习新知识、新技术去面对未来的挑战；要求学生不仅具有创新意识，同时应懂得经济、社会和管理，兼具良好的人文素养[1]。

2 创新改革的重要性

电气信息类专业相关课程的实践性很强，相对于理论课的抽象枯燥，实验课最突出的优势在于能够将理论具体化，让学生先从视觉上对仪器有一个初步认知，学生在动手操作的过程中，理解理论知识，掌握仪器仪表的实际用途，因而实践教学的研究至关重要。随着新工科的理念深入、传感器的种类和用途增加，传统实验教学不能适应当今学科的发展要求，需对实验教学进行更优质的统筹安排。

3 传统实验教学存在的问题

3.1 理论与实践侧重点不匹配

目前高校的大多数课程都存在着重理论、轻实践的弊端，而且理论课主要侧重于基本原理、使用过程的讲解，对实际工程的应用一带而过，课程内设置的实验课多安排性能验证实验，进行参数测量，记录拟合数据，对仪表进行分析评价。这就导致理论课授课内容与实践课的实验安排不匹配，很难达到相辅相成的效果[2]。

3.2 实验教学配置不合理，目标单一

实验教学环节方面，实验项目的安排过于单一，主要是简单的性能验证实验，授课模式是：课前预习—安全教育—教师讲解—学生分组操作—数据处理—实验报告撰写。传统的实验教学模式能在一定程度上锻炼学生的操作能力、协作能力、分析处理数据能力和报告撰写能力。但由于教学目标单一，无法锻炼学生独立思考、发现问题、解决问题的能力，同时缺乏创新意识，不能达到新工科背景下培养毕业生的目标[3]。

3.3 实验仪器老旧，耐用性差

由于资金和场地的限制，大部分高校实验室场地比较拥挤，实验仪器老旧。由于科技进步快，工科类专业需要与时俱进，但实验仪器跟不上当前技术发展是一个普遍现象。同时，部分仪器工业化倾向性强，虽然可以让学生更好地适应实际操作环境，但学生反复进行实验操作，容易损坏仪器。比如需要调节零点和量程的测量仪器，定期校准零点和量程，而在实验过程中，学生反复地调节容易损坏仪器[4]。

4 创新实验设置

新工科建设需要在巩固传统教学的基础上，加强研究、实践和创新。理论课固然重要，但是实践更是锻炼学生动手能力、实践环节的创新研究，是输出具有新工科要求的高素质毕业生的重要培养方法。合理配置实验，及时更新实验设备，注重实验内容的创新，都是实验创新的必要环节。

4.1 合理配置课程内容

加强实验课的学时分配，在实验过程中，渗透灌输理论课所学习的知识，同时教导学生将理论融于实践，多思考，在实验过程中锻炼学生分析解决问题的能力；在实验课内容方面，注重创新实验项目的开设，在验证性实验的基础上，结合实验仪器，教师应该指导学生完成综合性和设计类实验项目；在考核方式方面，由于创新项目的拓展，应当增加实验分数，同时不单单以操作结果和实验报告的完成程度作为评价标准，而更多以学生的操作过程、发现问题、分析解决问题、完成设计程度等作为评判标准。

4.2 建立长效改革机制

应该对专业课程进行合理规划，形成一套系统的授课模式。同时，组织相关教师建立课程小组，定期对课程内容进行研讨，尤其是理论教学要与时俱进、实验教学要创新拓展。建立完善的长效改革机制，可促进对实验教学的研讨，使教学内容更适应社会发展，课程的培养目标更契合新工科的培养理念。

4.3 更新老旧仪器

虽然实验仪器要达到与时俱进会受到诸多方面的限制，但为了紧跟新工科发展的步伐，应当适时淘汰过于老旧的仪器设备，保留部分具有共性的传感器装置。选用能够开展综合性实验和创新实验的综合实验台，为开展综合性实验和创新实验提供硬件支持。同时，对于操作频繁、易损坏的仪器，有针对性地更换其零部件，既能锻炼学生，也能延长仪器的使用寿命。

4.4 注重创新发展

结合当前社会发展的需要，为使学生具备研发设计的技能，应当结合实验仪器，在传统实验的基础上，增设无线智能电器类实验、人工智能相关的应用和创新、综合设计类实验。

创新性实验可以分为两种设计思路：综合多门课程内容，利用课程之间的联系性和互通性，设计出具有创新思路的实验时间课程，综合锻炼学生能力；设计智能化、前沿的实验教学安排，可以利用综合实验台，结合嵌入式和单片机的相关知识，实现无线模块的设计，比如利用Zigbee 无线实验开发板、AVR 单片机进行控制实验等。

4.5 融合课程思政，加强素质培养

高等教育的目的是为社会输出优秀人才，为了实现立德树人，在介绍仪器过程中引入思想政治教育，引导学生树立科技兴国的正确价值观。

在实践教学中，也需要融合思政的内容，在进行验证性实验和综合性实验过程中，对相关仪器进行性能分析和改进展望，引导学生对传统仪器进行改造创新，为未来高标准测量环节研发更精准实用的仪器；在进行设计性实验和创新实验过程中，引导学生敢于创新、敢于实践。因此，在实践环节，注重对学生思想的引导，将关键环节有机结合起来，鼓励创新思想的实践，注重专业课程对学生综合素质的影响。

5 传感器实验递进式教学模式

以传感器相关课程为例，结合未来创新改革实验的方向，制定了一套传感器递进式教学模式，从基础的验证性实验、全面的综合性实验，到锻炼创新思维的设计性实验及创新性实验。根据不同层次的学生，采用不同的实验教学方式[5-6]。

5.1 验证性实验

验证性实验主要是针对理论课所讲授的几种基本传感器进行原理验证。理论课已经透彻地讲解了传感器的测量原理、转换电路等，同时介绍了传感器的非线性误差等特性。验证性实验的目的包括演示和证明，利用独立的传感器模块进行测量，培养学生的实验操作、数据处理、结果分析、实验报告总结等技能。

5.2 综合性实验

综合性实验是验证性实验的进一步提升，在独立的传感器模块基础上，将传感器的输出接入单片机、PC 等，能够进一步对数据进行处理、分析。综合性实验可以使学生对未来系统的工业过程有一个初步的了解，掌握各部分的接口及功能，了解开发软件，提高学生的综合能力，为学生后续的设计创新提供软硬件基础。可以开设的实验是利用传感器综合实验台，将独立的传感器模块、单片机或PC 机连接起来，进行数据采集，利用相关软件进行数据分析处理。

5.3 设计性实验

设计性实验既可以作为传感器实验的组成部分，也可以独立成为一个课程设计，给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。实验内容涉及传感器的综合知识和相关课程知识，要求学生掌握基本的实验技能后，能够以小组的形式设计方案、解决问题。设计性实验能够锻炼学生解决问题、设计方案的能力，促进同组学生协同配合。实验过程中需要教师进行引导，帮助学生把握设计方向，解决实验过程中的一些问题。