新工科电气工程实践教学体系重构与实践

杨 勇 李红斌 文劲宇 尹 仕 张 蓉

新工科电气工程实践教学体系重构与实践

杨 勇 李红斌 文劲宇 尹 仕 张 蓉

（华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074）

工程实践能力在新工科人才培养中占据着重要地位。电气学科作为一门传统工程学科，在新形势下对一流专业人才所应具备的知识、能力和素质提出的更高要求。华中科技大学电气与电子工程学院以“科学主导、实践驱动”的工程教育理念为指导，围绕“电气化+”，依托学科和行业优势，以业界和科研中真实项目、真实产品研发为载体，营造新工科背景下工程实践的真实学习环境和平台建设，构建“知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学体系，实现学生实践能力培养模式从“碎片化”到“系统化”转化升级，并通过教学研究，提出工程实践能力发展评价指标体系，深化课程持续改进的闭环机制，促进学生工程实践与创新能力螺旋渐进式提升。该文通过对该一体化工程实践教学体系的详细阐释，希望为国内同类专业的人才培养提供有益参考。

新工科 实践课程体系 工程实践能力 实践平台 教学评价

0 引言

工程实践能力是所有工科学生必须具备的最基本，也是最重要的能力。与传统的工程问题相比，现代工程问题更具有综合性、多样性、跨学科交融性等特征，往往需要能将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决工程领域复杂工程问题，提出合理的解决方案，选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论，同时在此过程中充分考虑对社会、健康、安全、法律、环境和可持续发展的影响，以及与团队、业界同行和公众进行有效的沟通和交流[1]。

近年来，习近平总书记提出的“双碳”战略决策，为中国实现绿色低碳高质量发展指明了方向。以新能源为主体的新型电力系统为我国能源和电力结构系统变革、产业自主创新、快速转型升级带来重大机遇和挑战。与此同时，国际电气工程学科从单纯研究和服务于“电力系统和电力装备”，拓展到“研究电磁新现象、新技术、新装置，服务科学技术发展”的电磁工程与新技术领域，衍生多学科交叉新研究方向，包括核聚变、强磁场、等离子体、加速器、脉冲功率、电磁推进、超导技术、生物电磁等[2]。国家重大需求和学科、产业变革带来的变化，对电气工程学科一流人才所应具备的能力和综合素质提出了新的要求。在构建新型电力系统、实现清洁低碳转型、助力“双碳”战略目标的国家重大需求和新工科建设历史性交汇的大背景下，有必要结合工程教育改革最新成果，深化拓展对于电气工程学生工程实践能力内涵和外延的认识，着力提升学生解决复杂工程问题的能力。

在上述背景下，华中科技大学电气与电子工程学院充分调研国内外电气工程学科发展趋势和人才培养新需求，明确工程实践在工程教育体系中的引领作用，对工程实践相关教学环节的教学目标、学习模式和评价方式全面梳理和整体设计，按学生知识建构、认知能力和意识养成的逐级递进分解，实现从大一到大四系统化实践教学体系的构建。本文介绍了近年来我院在实践教学体系方面所做的改革工作，希望对我国电气工程学科人才培养提供有益的参考。

1 电气工程实践教育体系重构总体思路

华中科技大学电气与电子工程学院前身为华中工学院电力系，始建于1952年，由原武汉大学电机系、湖南大学电机系、广西大学电机系、南昌大学电机系和中山大学（华南工学院）电机系合并而成。70年来培养毕业生2万余名，为我国电气工程学科的发展做出了巨大贡献。

进入21世纪以来，能源转型和结构调整催生了电力行业的重大变革，电气化向更深、更宽发展[3]。作为在新工科人才培养中占据重要地位的实践教育体系，其优劣直接关系到人才培养的质量。学院在2009年进行了一次大规模培养计划修订，按照行业变革需要，将原有专业核心课程重构为电力系统和电气装备两个专业培养方向的专业核心课程模块[4]。但是面对电气工程行业和学科发展对一流人才所应具备的知识、能力和素质提出的新要求，原有以单一课程实验、课程设计为主体的狭义实践教育体系已无法满足面向未来的人才培养需求，主要存在的问题表现为：①实践仅为理论补充，缺乏整体设计，造成知识、能力和意识培养碎片化；②教学偏重理论简单验证，缺乏对实际问题分析、实施和反思系统训练；③内容仅局限于单一知识领域，缺乏知识、能力和思维的综合性整合。事实上，上述问题并不是本专业的个例。学生工程实践能力普遍不足，工程教育中工程性缺失，实践教学薄弱也是我国高等工程教育中长期存在的普遍共性问题[5]。

2016年起，学院以“电气化+”的学科交叉融合创新发展战略为指导，借鉴世界一流大学工程教育理念基础，提出“科学主导、实践驱动”的工程教育理念及实施路径，致力培养面向未来学术拔尖人才和业界领军人才。通过将学科优势转化为教学资源，构建“知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学体系，营造“自发、自觉、自主”实践创新教育环境，激励和引导学生追求卓越，超越自我。

科学主导，是指工程技术和现代工程系统背后都有其严密的科学理论主导[6]，既倡导支配工程创新的普遍性原理，如信息论、控制论和系统论，也具有鲜明的专业教育特征（专业特有的思维、活动和道德模式），培养学生能像专家一样思考、活动和守德，成为现代工程创新的“道”。

实践驱动，是指实践不再是理论教学的附庸，而作为教学整体改革的驱动力，在“做中学”中引导学生自主建构认知框架，整合知识、塑造思维和激发创造力。为此，实践教育应构造真实性学习情境，采用如PBL(problem-based learning)、CDIO(conceive design implement operate)等情景化、沉浸式、社会性的实践教学设计，激发学生内在学习动力，促进其认知发展，形成知行一体的教育“场”。

2 电气工程实践教育体系建设具体举措

在“科学主导、实践驱动”的工程教育理念指导下，学院自2016年以来对本科生实践教育体系进行了全方位改革，主要开展的工作包括：

（1）围绕“电气化+”，构建“知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学体系，实现实践能力培养模式从“碎片化”到“系统化”转化升级，形成一系列综合性实践课程改革案例。

（2）依托学科和行业优势，以业界和科研中真实项目、真实产品研发为载体，营造“电气化+”背景下工程实践的真实学习环境和平台建设，实现课内外教育元素协同整合，解决以往实践教学“验证性、形式化、与实际脱节”等问题。

（3）在工程教育认证中工程实践能力多维度评价标准基础上，进一步完善从目标、实施、评价到改进的闭环监控机制，解决以往实践教学设计中目标、行动与评价脱节，缺乏一致性问题。

（4）提出依据输入-环境-输出（Input-Environment-Output, IEO）学生学习发展模型[7]，分析研究学生工程实践能力发展和影响机制，以实证研究为工程实践教学改革提供科学依据和政策指导，解决教学改革实践缺乏教育学术研究支撑检验的问题。

2.1 凝聚学院发展共识，调动一流学者教育教学的积极性，开展顶层设计

学院在教育部首批和第二批新工科研究与实践项目资助下，召集各专业方向带头人，充分研讨调研国内外电气工程学科发展趋势和人才培养新需求，并以座谈会、问卷调查等方式向行业和企业专家、用人单位、校友和毕业生等，多途径调研社会需求和人才培养存在的问题，明确工程实践在工程教育体系的引领作用，整合原有的金工实习、电工实习、课程设计等课程，对工程实践所有教学环节的教学目标、学习模式和评价方式全面梳理和整体设计，再按学生知识建构、认知能力和意识养成的逐级递进分解，进行总体规划，确立实践教学体系框架（如图1所示），实现从大一到大四系统化实践教学体系结构化设计，着重培养学生分析与解决复杂工程问题的能力。

图1 “知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学体系设计思路

同时，在学院层面专门设立教学研究岗、教学改革基金、教学类成果奖励，完善工作量考核、职称晋升、评优、津贴奖励、经费资助等全方位激励政策，吸引教师投身更具挑战性教学学术研究与实践创新。

学院还依托下设的国家级实验教学示范中心，设立为实践教学改革特区，定期开设教师教学研修工作坊、“融创沙龙”研讨会、青年教师教学竞赛等交流平台，互相促进，研讨课程改革和人才培养经验，共同创造更优异育人成就，营造鼓励创新、潜心育人的良好氛围。

2.2 围绕“电气化+”，构建“知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学体系

以上述设计思路为指导，学院对原有的实践教学体系进行了重构，形成了“知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学新体系，如图2所示。

图2 “知识、技能、意识”一体化工程实践教学体系

初阶探究（大一）：“学科初认知，实验新技能，兴趣创思维”

新开设《电气工程实验规范》、《电气工程实践基础》、《创客训练营》等课程，采用边学边做的体验式学习，引导学生从建立安全意识、责任感开始，尊重生命、规范实验操作行为，训练电气工程实践基本技能；让学生体验从创意选题到产品落地全过程，培养学生面对机会形成想法并使想法变成现实的意识与能力，激发专业学习动力，为后续专业学习奠定基础。

进阶协同（大二）：“数理重分析，校企多联动，工程强实训”

在大二暑假新开设《工程综合训练》课程，引入校企协同育人，邀请业内知名企业共同参与教学设计，由一线工程师、专业教师、实验室工程师组成多元化教学团队，开设“电气化+”背景下智能制造、新能源等工程营，营造工程背景下真实学习情境。采用 CDIO 项目训练模式，引导学生直面工程问题，体验多重社会/经济约束下的工程创新（功能衍生、环境拓展），提升学生的工程实践能力和工程意识。

以2021年为例，《工程综合训练》课程组与华为、东风汽车、德州仪器等国内外一流企业联合，开设工程训练营14个，主题涵盖电动汽车、机器人、新能源、智能制造等热点领域。学生自由选择主题，以企业真实产品项目为牵引，亲历实际工程项目研发全流程，提升解决复杂工程问题能力。

高阶精深（大三、大四）：“基础综合化，学习研究化，专业社会化”

重构《信号与控制综合实验》、《微处理器原理及应用》等课程系列，采用任务驱动式学习，对某特定主题（自平衡小车、电能无线传输系统等）进行任务分解，分模块迭代，引导学生不断尝试改进，提升知识/方法的综合应用能力。

在大三暑假新开设《科研综合训练》课程，以前沿科学问题驱动，以科教融合的方式将前沿科研方向/项目/科研成果/高端科研设备等资源反哺教学，凝练电磁能-动能转化系统设计、新能源并网变电站设计、复杂电力电子系统、电动汽车驱动及控制设计等多类设计型开放研究专题。研究专题均来自于高水平科研团队（基金委创新群体、科技部重点领域创新团队、国防科工局创新团队等）和重大科研研发项目。学生在教师及行业专家指导下，可任意选择感兴趣且符合个人发展规划的专题，完成挑战性任务，逐步完善学科知识框架，习得学术技能和方法，塑造科学思维和行为规范，实现从“新手”到“熟手”转变，提升未来职业认知力。

以《科研综合训练》课程“电磁能-动能转化系统设计”专题为例，课程组以“先进国防装备+电磁科学”为主题，依托团队承担的电磁发射关键技术科研项目，将科研资源转化为教学资源，自主研发专用教学平台，引导学生践行仿真建模-样品研制-实验分析-反馈提升的科研探索，培养学生应对高电压、大电流场景的工程意识和科研创新能力，激励学生科技报国、求真探索。

最终，将毕业设计作为工程教育专业本科教学进程中最后一个重要的实践性教学环节，使学生毕业前能够运用所获得的知识和能力对解决复杂工程问题进行全面总结、综合训练和集中展示，也是学生毕业及获取毕业证和学位证的根本性依据。

2.3 打造“学生想创就能创，教师想改就能改”全开放的实践硬件基础

2019年学院新大楼落成，新增本科实验教学面积3 000m2+投入使用，全面进行实践环境建设。学院通过梳理原有课程实验平台，科研平台和企业实习实践教育平台的关系，完善教学模式及管理模式，逐步构建了从“基础训练+兴趣引导”、“工程训练+工程创新”、到“科研训练+学术创新”的一体化全开放平台，实现了实践环境平台化、人性化、多元化[8]。

实验室平台化：将原有的固定式实验台逐步改造为移动式、便携式实验设备和测试工具，增加3D打印、PCB制作等创客加工间，将面向单一课程的专业实验室转变为通用化实验室，实现实验室平台化、工具化。

实验环境人性化：实验室面向全体本科生全开放式管理，尊重个性发展，增加自由研讨和学习空间，提高实验室利用效率，保障学生自由实践的时间、空间，让实验室成为学生首选学习场所，实现实验环境人性化。

实践平台多元化：依托学科科研平台，为本科生提供科研训练项目和实践场所，采取开发科教一体化实验平台、科研引入课程改革、面向优秀本科生开放研究课题选题、指导专业学术竞赛等多样实践形式，营造浓厚的学术研究氛围和研究型实践环境。

2.4 构建OBE(outcome based education)成果导向的实践教学体系的评估机制

在工程教育认证标准基础上，对于每门实践课程和实践环节均采用OBE成果导向进行教学组织、评价和质量管理规范，实现从目标设计、实施、评价到改进的实践教学质量监控闭环运行。

目标：知识、能力和素养等分解细化规范，设置实践教学体系与毕业要求支撑关系，整体规划实践知识、能力、意识达成目标，形成可量化、可观测和可操作性多维度评价标准。

实施：落实成为每门实践课程的教学目标，反向设计教学活动以支撑学生实践学习成果。

评价：引入学生自评、组内互评和教师评价等多元评价主体；根据学生学习行为表征，如课堂展示、实验报告、团队/个人表现等，选择可量化、可测量、可操作的评价维度，设计评价量表/问卷调查进行能力增值的过程性综合评估。

反思：总结学习优势和存在问题，进行教学内容和形式适时调整，进行持续改进。

图3 基于 OBE 成果导向的实践教学体系评估框架

2.5 构建新工科背景下工程实践能力评价指标体系

为检验新工科背景下实践教育改革的科学性和有效性，学院与华中科技大学教育科学研究院合作，开展大学生工程实践能力发展测评实证研究。由电气工程与教育学的教师组成联合课题组，依据 IEO（输入-环境-输出）学生学习发展理论模型，提出了学生工程实践能力发展分析框架，如图4所示，并结合全球工程教育改革最新成果，提出了工程设计、工程操作、工程沟通、项目管理与合作、系统思维等五个维度的综合性工程实践能力框架，包含 19个二级评估指标量表进行测评（见表1），对不同能力因子发展水平差异、教学行为和学习行为对不同能力因子的影响进行阶层回归法分析[9]。

图4 学生工程实践能力发展分析框架[10]

表1 工程实践能力评价量表

Tab.1 Engineering practice ability evaluation scale

（续）

以《工程综合训练》课程为例，为评价工程实践创新能力培养效果，分析不同教学行为和学习行为对不同能力养成影响机制，课程组采取前后侧抽样测评的方法，对本专业2016级学生进行了调查，共有309名学生提交有效问卷。经过测评信效度检验，印证了课程对于提高大学生工程实践能力发展的有效性，学生工程实践能力各方面均得到显著发展（如图5所示）。通过分析教学行为与学习行为对实践能力的影响，课程组得以检验实践教学改革的有效性。数据分析表明，积极的师生互动和学生自主探究学习对实践能力发展具有显著的解释力[10]。

图5 大学生综合性工程实践能力五项一级指标前后测均值比较

3 改革成效

随着实践教学改革稳步推进，学院形成良好创新实践氛围，创新成果初见成效。更多有潜质的优秀学生积极参与各项科研项目、工程项目实践，师生互动活跃，形成科研/工程实践共同体，带动起内部创新实践良性循环。

近5年来，学院本科生累计参与科研训练项目300余项，获全国挑战杯特等奖、互联网+大赛金奖等14项，国际性奖项61项，其他国家级省部级奖项207项。其中，2019年创新电机团队指导的“开关磁阻电机电控产业化”项目获第五届中国“互联网+”大赛全国高教主赛道金奖，电气信息测量团队指导的“微注入式配电电缆绝缘劣化‘不停电’监测装置”项目获第十六届“挑战杯”全国一等奖。2021年，电气信息测量团队指导的“基于Hz级电磁波的井下远距离无线通信装置”项目获第十七届“挑战杯”全国特等奖，实现学院历史上“0”的突破，也是华中科技大学第二次获得该赛事全国特等奖。

教师教学研究蔚然成风。近5年学院教师先后主持国家及省部级教研项目27项，在《高等工程教育研究》等教育研究权威期刊发表教学论文23篇。2021年，学院主持的教育部首批新工科研究与实践项目“依托学科优势，面向‘电气化+’，重构电气工程本科实践教育体系与实践平台”以优秀结题，并获得教育部第二批新工科研究与实践项目支持。两门新工科特色实践课程“企业工程训练营”、“高电压科学训练营”分别入选2019年、2020年中国高等教育博览会“校企合作双百计划”典型案例，并推广至南开大学、海军工程大学等国内多所高校。“高电压科学训练营”课程组自主开发的“电磁能-动能转化机制探究教学平台”获全国高校教师教学创新大赛-第六届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛一等奖。

2019年12月，以美国加州大学伯克利分校吴复立教授为主席，来自美国、德国、日本和澳大利亚等国电气工程及其相关领域权威专家组成的专家组对学院进行了现场考察与全面评估。专家们对本专业实践教学体系高度评价：“The committee members spoke with undergraduate students and found that the high-level research resources are generally accessible to them, which creates an innovative training ecosystem involving the school's engineering practice education system and its unique evaluation approach. The high quality of education was manifested by their career development after graduation.”（“经过与本科生的交流，发现学院为本科生提供了高水平的科研资源，并通过这些科研资源创建了一个创新的实践课程生态体系以及适用于工程实践教育的评估方法。学生毕业后的职业发展体现了高质量的教育水平。”）

4 结论

高校立身之本在于立德树人。华中科技大学电气与电子工程学院依托新工科建设，深化本科教学内涵和实践育人机制，构建了“知识、技能、意识”协同整合的一体化工程实践教学体系，实现实践能力培养模式从“碎片化”到“系统化”转化升级，促进学生工程实践与创新能力提升。未来，学院将继续努力，打造新时代一流电气工程教育，让每位学生在华中大电气获得最好的学习和成长体验，培养出更多卓越工程科技创新人才，走出一条适合国情与校情，面向世界、面向未来、面向现代化的高素质创新人才培养之路。

[1] 中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2022版）[EB/OL]. (2022-07-15). https://www.ceeaa. org.cn/gcjyzyrzxh/resource/cms/article/598801/630912/2022072021131781680.pdf.

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[2] 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部. 电气科学与工程学科发展战略研究报告: 2016～2020[M]. 北京: 科学出版社, 2017.

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Reconstruction of New Engineering Practice Curriculum System in Electrical Engineering Discipline

Yang Yong Li Hongbin Wen Jinyu Yin Shi Zhang Rong

（School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

Engineering practice ability occupies an important position in the new engineering talent training system. As a traditional engineering discipline, the electrical engineering discipline has higher requirements for the knowledge, ability and quality of first-class talents in the new era. The School of Electrical and Electronics Engineering, Huazhong University of Science and Technology has adapted the engineering education concept of "science dominated engineering" to revolutionize its practice curriculum system. Relying on the advantages of disciplines and industries, and using real projects and real product research and development in the industry and scientific research as the carrier, real learning environment and platform are constructed under the background of new engineering. An integrated engineering practice system that integrates "knowledge, skills, awareness" is created. In this paper, the integrated engineering practice teaching system is elaborated in detail, in hope of providing a useful reference for the training of electrical engineering students and young engineers in China.

New engineering, practice curriculum system, engineering practice ability, engineering platform, teaching evaluation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221494

G622.0

教育部第二批新工科研究与实践资助项目（E-NYDQHGC20202219）。

2022-08-01

2022-08-20

杨 勇 男，1981年生，教授，博士生导师，研究方向气体放电，大气压低温等离子体。E-mail：yangyong@hust.edu.cn

张 蓉 女，1968年生，副教授，研究方向为电力电子及其控制。E-mail：rrr_zhang@hust.edu.cn（通信作者）

（编辑 郭丽军）