基于新工科人才培养的电工学实验教学改革研究

厉 茜，詹迪铌，吴 微，徐卓君

当前，国家正积极推动创新驱动发展，实施“一带一路”“中国制造2025”“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，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新。［1-2］与此同时，为了推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，教育部于2017 年印发了《关于2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，通知提出：在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，［3］迫切推动实验教学改革的步伐。另外，自从新冠肺炎疫情出现后，全世界都面临着学生无法返校学习的难题，为了保证高等学校教学工作正常有序地进行，确保学生不在校能够按时进行课程实验，本科课程的实验方式、实验内容、实验教学模式急切需要进行改革。

电工学是机械、汽车、材料、交通等多个专业领域的非电类必修专业基础课，是电路、模拟电子技术、数字电子技术、电机拖动、可编程控制器等多门课程的融合，涉及的知识面广，拥有广阔的工程背景。依据培养学生解决复杂工程问题的能力和实践创新能力的新工科人才培养理念与要求，电工学实验教学改革成为电工学课程体系改革的重点。

一、电工学教学实验改革的迫切性

目前，在新工科人才培养新要求+虚拟仿真实验教学项目+新冠肺炎疫情大环境下，电工学实验教学的改革迫在眉睫。首先，新经济的蓬勃发展对工程技术人才提出新要求，现有的电工学教学实验已经不能满足人才培养的新要求。其次，虚拟仿真实验项目的开展打破了传统电工学的实验模式，现代信息技术的介入要求电工学实验必须改革。再次，全球新冠肺炎疫情的持续化，要求电工学实验在足不出户的情况下亦能完成正常的实验教学，传统的电工学实验必须进行改革。最后，现有的电工学实验存在如下的弊端：1.非专业课程，在后续的学习和工作中可能用不到，学生不够重视，投入精力少；2.由于是多门课程的融合，知识面广，但深度浅，不足以支撑“互联网+”、电子大赛等项目开展；3.实验学时少，动手能力和实践能力的培养受限；4.学生多，实验场地有限。

二、建立符合新工科人才培养理念和要求的教学实验新模式

“新工科”更加强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通信、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合。实验环节改革要突破传统“讲解-实验-报告”的实践形式，以提高学生学习效率和效果为目的，建立一个“线上+线下”、虚拟+实境”“独立+主题”“多方式协同”融合的实验教学新模式。

（一）“线上+线下”融合实验模式

线下实验模式，保留原有的传统实验内容（例如直流电路实验、三相异步电动机电气控制实验），由原来的必做形式改为必做+自选的形式，学生可以根据自己的能力和兴趣有选择性地完成每一部分实验内容，解决实验能力强的学生“吃不饱”，实验能力弱的学生“吃不了”的局面，有效地提高实验质量和实验效果。

线上实验模式，一是将全部线下实验设备认知教学转移到线上，例如示波器、数字万用表等必用设备；二是将线下实验课堂进行的实验内容、实验操作、注意事项指导转移至线上；三是基于线下传统实验内容开发新的线上软件仿真实验项目；四是指导学生认识形形色色的元件；五是开发适合非电专业的电工实训。吉林大学电工电子教学中心邀请专业人员精心地录制了常用设备指导、实验内容指导、电工实训等指导视频，以及线上实验指导书，并上传至超星学习通线上学习平台。在线实验教学如表1所示。

表1 在线实验教学

学生在进行实验之前，需要预先观看设备认知视频、实验内容指导或线上实验指导书，进入实验室后直接进行实验，减少了学生进入实验的教学时间，增加了进入实验的独立操作时间，既保证了实验内容饱满性和实验时间的充裕性，又提高实验的效率。在线教学的每个指导视频时间控制在10-20分钟左右，解决了学生长时间看视频、容易溜号的问题。由于可以随时随地在线上平台进行学习，解决了实验教学的时域和地域限制。线上+线下融合模式既保留传统实验的优势，又解决了传统实验的弊端。

（二）“虚拟+实境”融合实验模式

实境实验改革，保留现有基础性、验证性实验作为必做实验В类实验，帮助学生更好地掌握、巩固基础理论知识，将一部分现有的设计性实验（例如组合逻辑电路设计）以及新开发的设计性实验作为机动性选做X类实验，由学生自主选择X类的实验，在同样的4 学时时间内，学生可以根据自身能力完成不同数量的、不同内容的实验。有的学生只能完成В+X 实验内容，而有的能够完成В+2X，甚至В+4X实验内容。

为了积极参与教育部在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目，同时解决由于疫情原因不能及时返回校园的学生能够正常进行实验，满足学生无论何时、无论何地的自由实验旅行，我校电工教学中心开发了“基于RLС 串联谐振鉴别真假硬币”的虚拟仿真实验，仿真实验如图1 所示。实验利用3D 技术逼真地再现了实验场景，真实展现了实验设备功能，通过教学互动环节帮助学生很好地巩固RLС 串联谐振基础知识，学习鉴币电路的工作原理，掌握实验设备的使用方法，并且通过实验独立操作环节完成RLС 串联谐振特性测量、真假硬币的鉴别。

图1 仿真实验

鉴别真假硬币的虚拟仿真实验增强了虚拟的实验交互性、趣味性，增加了学生对理论知识中数学模型的理解，使枯燥的理论学习有了鲜活的生命力。

目前，我校电工教学中心设计了新的虚拟仿真实验，并正在进行开发。新开发的虚拟仿真实验很好地解决了传统实验涉及高危，或高成本、高消耗、不可逆操作，或项目条件不具备，或受时间和空间的限制导致实际运行困难的问题。［4］通过身临其境的虚拟操作帮助学生积累实践经验，提高动手能力。

（三）“独立+主题”融合实验模式

现有部分实验属于独立式实验，此类实验内容仅实现了对某个知识点的验证、巩固、加深，与其他知识点没有关联性，实验之间毫无延展性，不利于知识的融会贯通。因此，在独立实验的基础上开发了“主题实验”教学模式。［5］根据实验教学的目标与要求，围绕某一个教学主题开发多个具有知识关联性的教学实验，比如电动机控制就是其中一个主题。

电动机、继电器-接触器、可编程控制器3 部分理论知识有很好的模块关联性，从而使电动机控制实验、物料运送电气控制虚拟仿真实验和电动机PLС 控制实验，围绕“电动机控制”这一主题形成很好的递进性、延展性、开放性。采用接触器等低压电器设备控制电动机是现有的经典实验，以它为基础，正在开发的物料运送电气控制虚拟仿真实验将经典实验中未用到的时间继电器、物料小车、行程开关等设备应用其中，很好地拓展了实验内容，节约了实验成本。电动机PLС 控制实验采用PLС 软件程序代替接触器等低压电器硬件，实现电动机的控制，完美地实现了由硬件向软硬件结合的递进和延展，促进学生在实验的过程中建立了系统的概念并构建控制系统结构，为多技术融合的综合系统设计奠定良好的基础。

（四）多方式协同实验模式

多方式协同的实验模式是指将学生的课后作业、线上教学平台的分组设计任务、软件仿真、实境实验有机结合起来。以采用PLС 控制电机为例，首先，建立若干学习小组，每个学习小组2-3 名成员；其次，准备多个不同功能的PLС 电机控制设计题目，布置成课后作业或在线发布成分组任务，学生以小组为单位，从设计题目任选至少2个设计题目，由学生分工合作完成设计和软件仿真；再次，将设计好的电机控制电气原理图以及经过软件仿真的控制程序上传至超星学习通教学平台，由教师进行批改；最后，学生分批进入实验室，以PLС 为核心搭建硬件电路，通过计算机上传控制程序至PLС，进行在线调试，实时修改控制程序直至完成设计题目要求的控制任务。

多方式协同实验的进一步延伸是把一部分对设计有兴趣的学生集中起来，成立兴趣小组，以完成实际工程的思路继续深入学习。学生根据不同系统功能按照课程中搭建的工程体系，完成材料的选择、硬件图的设计、硬件的安装、软件的编程及整个项目的调试。多方式协同实验模式既提高了学生的动手能力和解决实际工程问题的能力，增强知识的融会贯通，又培养了学生团队合作意识，为将来步入工作岗位奠定良好的实践基础。

三、“线上+线下”实验同步双向考评机制

建立合理的科学实验考核机制是实验教学改革主要研究内容之一。经过电工中心教师们的实践探索，电工学建立了线上实验考核机制。线上实验考核模式包括实验室安全考核和实验操作考核。为保障实验的安全进行，吉林大学建立了线上实验室安全考核机制，只有在线上吉林大学实验室安全教育考试系统中通过考试，才能进入实验室。另外，在线上学习通教育平台建立实时实验操作考核，在线上学习实验操作指导视频后，学生可直接进行实验操作考核，并由系统实时给出考核成绩，根据考核结果，学生可以及时了解自己对实验操作的掌握情况，方便进行实验操作的再学习。线上考核如图2所示。

图2 实验操作考核

线下考核主要从实验操作的规范性、实验连线的正确性、实验结果的准确性、解决实验中出现的问题等方面考察学生的实验操作技巧。根据不同实验制定不同的考核细则，再进一步可根据连线数量、实验数据的数量、解决问题的数量等数量做细致的量化标准。比如根据实验结果制定的量化考核标准如表2所示。

表2 实验结果量化考核

“线上+线下”的考评机制可以帮助教师及时掌握学生线上学习实验指导的动态情况，对于线上实时考核不合格者可以给予及时的线上指导，还可以及时发现学生实验中的问题，准确掌握学生实验操作技能，纠正学生错误，使其更好地完成实验。

四、结语

在近3 年的改革实践探索中，我们不断修正已有实验的内容、实验形式，开发新的实验内容、实验形式，建立、健全实验考评机制，推动电工学课程的发展，为国家级金课的申报奠定坚实的路基。同时采用多种形式调动学生的主观能动性，使更多的学生积极投入到实验中，通过实验改革使学生在实验的各个环节都能得到锤炼，积累实战经验，提高自身解决实际工程问题的能力和科技创新能力，力争成为符合新工科培养要求的国际复合型科技人才。