工程专业认证背景下的电工电子实验教学改革

刘银萍，宋亚男，曾思明，杜宇上，谢小柱

（广东工业大学a.实验教学部；b.自动化学院，广州 510006）

0 引言

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础［1］。2016 年6 月我国成为华盛顿协议第18 个正式成员，工程教育认证工作开始在全国推进，成为评价高校工科专业水平的新标准［2-3］，各个专业把开展工程教育专业认证作为工科专业教育发展的重要目标。电工电子实验是高等工科院校电类和近电类重要的专业基础实践课程，也是电类和近电类专业工程教育专业认证的支撑基础课程，在培养学生工程实践能力和工程创新能力方面具有理论教学不可替代的作用。与传统工程教育思想不同，工程教育专业认证基于成果导向的教育模式（Outcome-Based Education，OBE）是以培养目标和毕业要求为导向的人才培养模式［4］。在工程教育专业认证背景下，建设符合专业认证标准的电工电子实验课程是教学改革的方向和目标。

1 传统电工电子实验教学存在的问题

电工电子实验开课对象涵盖电子科学与技术、电子信息、电气工程及其自动化等电类专业以及工业工程、计算机、测控技术与仪器等近电类专业的学生，其显著特点是量大面广。作为各专业工程教育专业认证的支撑基础课程，传统的电工电子实验面临严重的挑战：①各门课程缺乏深度融合，没有形成统一的知识体系；②缺乏目标导向的教学设计，无法明确其与培养目标的对应关系；③实验教学缺少明细的指导性教学标准，缺乏知识、技能、方法、能力、素质培养准则；④以往所有专业均采用统一的教学计划及教学要求进行教学，无法满足多学科多专业的需求。⑤实验教学过于注重共性训练和培养，忽略了多层次人才培养的新要求［5］；⑥考核方式不能有效评价课程目标的达成情况［6］，缺乏对教学效果的直观评价。

2 实验教学改革探索

2.1 组建电类基础实验课程群，构建一体化、系统性的实验课程体系

传统的电工电子实验教学按照电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等独立设课，实验内容只配套对应的理论课程，各自形成比较完整但相对封闭的单一课程知识体系，内容重复，课时膨胀，难以开设多门课程知识点的综合性、创新性实验［7-8］，学生缺乏解决复杂工程问题能力的训练。为提升教学效果，必须打破实验学科本位限制，优化课程结构，从群的角度重塑实验课程体系，依托电子信息和电气两个学科，构架宽口径学科大平台基础知识结构。将电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等多门课程看成一个整体，从人才培养体系出发，建立以能力培养为主线，分层次、相互衔接的科学、系统的电工电子实验教学课程体系。一体化、系统性课程体系的建立有利于进行多门跨课程的一体化的研究、创新和实践活动，为创新能力培养提供实验课程标准。

2.2 基于教学规范，制定详细的教学标准

在工程教育认证背景下，不同专业培养目标对电工电子实验课程的教学目标要求不同，教师大都基于自身对教学目标的理解，组织开展教学，缺少指导性的规范准则，难以落实各专业工程教育认证要求的实施细节。为提升课程质量，引导课程建设和质量管理，建立详细的课程标准。根据电子电气基础课程教学指导委员会制定的教学基本要求［9］，根据工程教育认证标准中对学生作出的12 项毕业要求以及不同专业对电工电子实验课程的教学要求，参考其他兄弟院校相关的教学基本标准［10］，以成果为导向，从人才培养目标和毕业要求出发来制定标准，注重学生能力和素质的培养，建构了以学生为主体，包含实验知识、实验技能、技术方法、实践能力、综合素质的实验课程知识体系，如图1 所示，详细制定“实验规范”“电子元器件特性”“电气元件设备结构与应用”等指标的实验教学标准要求。表1 所示为“实践能力”中“调试测试”教学标准要求。课程标准的确立有助于使课程建设工作步调统一、目标一致，是课程实施及建设的通用标准，也是达到专业认证基本要求的前提，度量教学效果能否达到教学目标的标杆以及检查教学质量的依据。

表1 “实践能力”中“调试测试”的教学标准要求

图1 电工电子实验课程知识体系

2.3 实验内容的重构和设计

2.3.1 实验内容分层模块化

在统一的电工电子实验课程体系知识架构和课程标准的指导下，按照专业培养目标，从系统的角度将系列电工电子实验课程由浅入深分为认知必修模块、基础实践模块和综合实践模块3 个层次，明确各模块的训练目的和目标，各层次模块又含若干个子模块，形成“模块化积木式”结构形式。认知必修模块是所有专业必修学习内容，基础实践模块根据不同专业的需求，设置适应各专业的必修项目，综合实践模块采用学生自选项目的模式。

（1）认知必修模块。以单元电路验证性实验为主，培养学生最基本的电路实践能力，重点解决理论与实践相结合、理想模型与实际物体相结合、运用知识、推广和提高实践能力的问题［11］。

（2）基础实践模块。以单元电路设计性实验为主，强调实验原理的分析与应用，培养学生的工程实践基本技能，完成运用知识能力的基础训练。

（3）综合实践模块。实践教学内容体现为多个单元电路综合设计性实验。强调训练学生的基本设计能力，强化培养学生制作调试较复杂电路的能力，强化培养学生使用常用仪器、仪表对电路进行测试和分析的能力。

分层模块化教学强调各实验的模块化和积木化，既强调各实验本身的独立性，又强调各实验之间的继承性和相关性［12］。教师可根据各专业的教学目标和学时选择不同的模块进行组合开展教学，满足不同专业对课程差异化的需求［13］。学生则可根据自己的能力和兴趣选择不同类型实验进行实践活动，满足多样化人才的培养需求。

2.3.2 基于目标和能力的实验项目设计

OBE 教育模式的核心理念是以学生学习产出为理念，需要将未来毕业生应该掌握的能力体现到实验内容的设计。实验项目是教学中最基本的单元，每个项目学习成果的达成，将支撑课程目标、毕业要求和人才培养目标的达成。因此，需要为每个层次的模块设计相关的实验项目，建立各种类型的知识、能力和素质专题，具体能力对应电工电子实验课程知识体系（见图1）中的若干项。以表2 实验项目“晶体管单级放大电路”为例，除明确实验内容要求及所属构成模块，还明确其学习产出。

表2 晶体管单级放大电路实验项目设计

2.4 规范考核机制，系统客观评价

传统的实验教学效果评估主要采用“实验结果+实验报告”的考核方式，无法对学生的实验能力和实验过程进行评价。因此，必须明确为了培养什么能力而需达到的一些评价指标，强化实验过程的监控来适时掌握学生实验过程的学习成效，如在实验前采用预习考查，在实验中观察节点、验收重点，质询问题，等等，通过“过程+结果”“线上+线下”的评价方法，改变过去对于学习成果评价的单一性和片面性，综合各方面对学生的学习效果作出较为客观公正的系统评价，提高教学评价的科学性。

2.4.1 明确基于目标和能力评价标准，实施过程考核，分步验收

OBE 理念突出成果导向，注重评价学生专业基础知识、专业工程技能、工程实践能力和工程素养等能力［14］，注重实现过程的要求。在实验之前，教师将每个实验项目的学习进程划分成不同的阶段，实施分步验收，在实验自学预习、现场考察、课堂项目验收、实验报告等进程中设计考核时间、节点以及考核内容，确定每阶段的学习目标和能力评价标准，明确学生通过实验将要达到的预期效果［15］。以“晶体管单级放大电路实验”为例，在“课堂项目验收”中设置2 项检查点：①学生是否能正确测量静态工作点；②学生能否正确调节示波器，显示输入、输出信号波形以及在示波器上显示输出信号的峰峰值；目的是考查学生通用仪器设备的使用、调试、参数测量、故障排除的实践能力等。学生通过实验可获得什么能力和目标效果也清清楚楚，整个教学过程学生心中有数，老师心明眼亮。通过设计阶段性考察任务，分步检验，定性评价，避免学生抄袭实验结果，强化实验过程的监控，确保教学效果和质量，评价结果更加量化、标准和客观。

2.4.2 构建“线上+线下”考评体系，多维度评判实验效果

专业认证的核心是对学生表现的评价［16］，由于参与电工电子实验学生人数众多，难以保障对每个学生的实验能力进行客观、公正地评价。对此，基于开发的“共享智能实验管理平台”实验教学系统，构建“线上+线下”考评体系。平台考评系统能多层次、全方位地考核学生的学习效果，实验过程可查、可看、可追溯的过程评价监控做到客观公平。考评系统可对学生预习试题的答题进行预习环节评分，对学生每次提交实验操作数据自动审核判分，课堂测试、课后练习、无纸化实验报告提交和成绩统计记录，有效提升了教学效率和评价的客观性。如图2 所示为实验数据在线审核截图，学生将实验数据提交系统自动审核，并对实验数据进行评分。图3 为学生实验结果图像记录，学生姓名、学号、实验台号和提交时间也会通过水印保存在学生提交的实验过程图像上面，有效杜绝了抄袭现象。线下评价则采用学习档案袋记录实验课堂表现和操作、实验报告相结合的方式。改革传统教师评价学生的单一模式，学生完成每个实验项目后在网上对教师进行评教，改革传统教师评价学生的单一模式，实现评价主体的多元化，以便发现教与学中存在的问题，有利于形成持续改进的良性机制。

图2 实验数据在线审核

图3 学生实验结果图像记录

3 实施效果

3.1 实验教学分层模块化，畅通不同类型不同层次人才的培养渠道

电工电子实验课程分层模块化教学已实践应用于电类及近电类专业，为各专业学生提供多种选择，为不同层次的学生提供更丰富的自选实验项目，兼顾不同专业的培养方向和学生个体差异，满足不同类别、不同层次学生的学习需求，保障教学目标“保证大面积成才，强化优秀生培养，促进拔尖人才脱颖而出”成为现实。截至目前，面向专业认证的电工电子实验课程已支撑通信工程、机械设计制造及其自动化、自动化等20 个专业通过工程教育专业认证。

3.2 学生培养效果持续提升

基于成果导向的电工电子实验课程教学改革已实践5 年，获得良好的教学效果。作为电子类专业学生最有影响力的“全国大学生电子设计竞赛”和“广东省大学生电子设计竞赛”，其成绩是检验教学改革成果的重要体现之一。通过该门课程的学习，学生的实践创新能力和科学素养得到了显著提升，在2020 年广东省大学生电子设计竞赛中获得一等奖4 项、二等奖7项，三等奖15 项，在2021 年全国大学生电子设计竞赛中获得一等奖1 项，二等奖2 项，在广东省赛区中获得一等奖3 项，二等奖3 项，三等奖14 项。可见，改革举措对于提升学生解决复杂工程问题的能力，起到了非常积极的促进作用。

4 结语

以工程教育认证为准则，以能力培养为主线，对原有电工电子实验课程体系进行全面系统的整合重组，通过设定教学标准，重构和设计实验内容，规范评价机制，形成知识体系统一，教学规范，教学目标明确，课程内容结构分层模块化，评价要求清晰的教学模式，在满足大规模课程教学的前提下，兼顾专业和学生学习层次进行特色实验教学，有效提高了实验课程的教学质量和效果，更好地满足工程教育专业认证和培养高素质创新应用型人才的要求。