面向新工科的电工电子实验教学体系改革研究与创新实践

王 旃， 林 平， 张德华

（浙江大学电气工程学院，杭州 310058）

0 引言

建设和发展新工科，是我国工程教育围绕国家发展战略、国际竞争趋势和立德树人要求而提出的具有现实意义的改革方向，其行动方案的关键任务之一就是“强化实践创新创业能力”［1］。实验教学是工程教育“吸收新技术，体现新需求”的重要载体。开展面向新工科的实验教学改革，需要在实验教学体系、课程内容、实验条件、方法手段等方面下功夫。国内许多高校已经开展了卓有成效的理论探索和教学实践［2-4］。相对新工科强调的“教学要适应外部环境、跟随产业发展，并积极应对社会变化”的发展要求，现有实验教学体系面临挑战。

（1）实验课程体系优化。传统课程体系结构，普遍缺乏外部信息输入和转化的稳定渠道，课程更新节奏缓慢。为提高新工科人才培养的针对性和适用性，知识体系需要与产业需求建立可靠连接，与产业实践持续互动；需要具备不同专业知识和实践背景的教师组成协同团队，共同开发新课程［5］。

（2）实验教学方法更新。新工科背景下，教学模式正在由传统的“单向输出知识为主”向“促进学生学习”转变。教师需主动更新观念，关注学生学习成效，注重对学生创新实践能力和动态适应能力的培养；通过开展育人引导式教学，引导学生乐于和善于学习［6］。

（3）整体支撑能力提升。创新课程和创新方法的实施，需要实验技术、实验环境和实验资源的支撑。例如“快速响应并开发多样化的教学仪器设备”“借助信息技术和互联网，开放和共享实验室”“构建面向跨学科培养的创新实验平台”“建设更安全、高效的实验室运行管理机制”等。

1 实验教学内涵梳理

实验教学具有系统关联、过程可控和可设计等特点。对其进行内涵梳理和系统思考，有助于把握核心要素、厘清改革思路。

教学应根据培养目标合理配置资源、制定计划；以学生最终能力素质的形成为基准，开展课程教学，帮助学生完成从“入学生源”到“毕业就业”之间的转型成长过程。

以此视角，实验教学可以描述为如图1 所示的功能系统，其中各功能环节既有自身定位、又相互配合，直接或间接与系统最终产出成果相关联。其中：

图1 实验教学系统的功能结构

（1）课程类环节。直接面向学生，通过师生互动，实施教学计划；通过评估与改进，实现教学目标。与理论教学相比，实验教学要面对更多来自现实条件的复杂问题，比如教学环境准备、情境性导入、探究性引导等。

（2）发展类环节。为课程教学提供资源和能力支撑。新工科背景下，产业发展和需求变化更快，需要在课程建设、教学设计和环境构建等方面快速响应；同时，投入更多资源和政策支持，促进教师素质能力发展。

（3）服务类环节。为课程教学和发展提供保障和管理服务。

实际情况下，上述各功能环节相互支持又相互制约。从培养目标倒推，可提炼出多个关联线条：课程教学是最核心的线条，是实现课程价值交付的主通道；创新项目是实验教学整体发展的支持线，对课程主线能力的提升具有重要作用；教师发展是实验教学整体发展的基线，对课程主线的质量提升具有决定作用；支持服务是整体稳定运行的保障，决定教学活动开展的可靠性。以课程教学为核心，创新项目、教师发展为两翼，支持服务为支撑，构成实验教学系统核心能力的内在关联结构。

2 创新框架构建

通过内涵梳理和功能分析，可见，实验教学体系内涵丰富且功能结构复杂。基于“成果导向”原则，需设定创新目标，结合实际条件和资源制约，构建创新框架。

2.1 以课程为目标

课程是教学活动开展的基本单元。所有创新努力，最终都要回归现有教学主系统才能发挥主流价值。教育部实施的一流课程“双万计划”就充分体现课程对本科教育质量提升的重要性。

如何将新工科培养目标转化为课程目标？遵循工程教育专业认证的“反向设计”原则，以培养目标为依据，按照“培养目标-毕业要求-课程体系-课程”确定课程目标［7］。根据课程目标制定教学内容，参照能力培养图谱，对实验项目进行层次区分和关联组合。

2.2 共同体的教学模式

“共同体”是重要的社会学基础概念。“教学共同体”是指师生通过共享共有的方式结合在一起，让共同学习和发展的结果发生［8］。这与新工科强调的“以学生为中心”理念内涵具有一致性。

（1）以学习效果为导向。根据学生在知识结构、能力素质、优势特长等方面的差异，因材施教。开展工程问题和实践情境教学，激发学生内生动力。引导学生关注学习过程，提高学习成效。

（2）以融合互动为特征。借助互联网、信息技术，构建线上、线下融合的全时域实验环境，开展师生／生生互动、协作与探究［9-10］。基于优质在线教学资源和数据驱动的评价工具，为学生提供学习全过程的针对性指导。

2.3 产学协同驱动的教学平台

产业实践是工科教学创新的重要源泉。需要形成对外部产业环境的有效接口，主动吸收产业创新元素，并转化为教学资源，构建“外生动力→创新驱动→常态教学”连接机制，推进实验教学的持续积累和提升，实现为课程教学赋能。区别于图1 中的发展类环节，“开放接口”和“协同驱动”是创新教学平台的主要特征。

基于上述原则、目标和关键要素，构建实验教学体系的创新发展框架如图2 所示。主要包括：共同体的课程教学、产学协同驱动的教学平台和产业联接接口。

3 体系改革实践

电工电子实验教学中心（以下简称“实验中心”）面向全校本科生开设电工电子系列实验课程，包括电路原理、模拟和数字电子技术基础、电工电子学等工程基础课程的实验教学以及课程设计、实习实训、竞赛集训等实践环节。学生涉及电气、控制、生物医学、光电、海洋、能源、航空航天、化工、材料等学科专业，受益面广。在人才培养体系中，衔接通识与专业教育。近年来，实验中心在“夯实基础、拓展思维、综合创新”的理念指导下，围绕教学内容、教学模式、实验环境和队伍建设，开展面向新工科的改革实践与创新探索。

3.1 线上、线下融合的教学模式

借助互联网、信息技术构建虚实结合的实验环境，开展线上、线下融合式教学是实验中心提升课程教学质量的重要举措。

（1）在线教学资源建设。“数字电路分析与设计实验”课程目标是帮助学生巩固和加强对数字电路理论知识的理解，学会常见逻辑功能的设计与验证。课程采用“中小规模集成电路”和“可编程逻辑器件”兼顾的教学设计，并配置线上、线下教学资源。实际教学中，在线下完成基本认识实验后，其余学时（包括组合逻辑电路设计、触发器应用、时序逻辑电路设计、中规模集成计数器设计与应用等）均要求采用中小规模集成电路器件和FPGA分别开展电路设计与实现。借助MOOC在线指导、FPGA开发板外借和实验室开放，学生可挑战从简单的门电路入手，学习PLD编程语言和开发工具软件，直到以FPGA 为核心器件的功能电路的实现，并体会数字电路在规模性能和实现手段上的发展变化。整个教学过程中，MOOC 在线资源发挥了重要的指导作用，提升了课程的创新性与挑战度。

（2）混合式教学设计。实验中心在推进混合式课程培育工作的基础上，鼓励教师在日常教学中实施和改进混合式教学。通过网络互动平台提前发布调查问卷、预习测验等，开展课前导学，提高学生预习效果。线下教学则主要围绕实验中的问题进行纵向探究或横向拓展，强化对相关知识点的理解。在模拟电子技术基础实验教学中，将“仪用放大器认识实验”改进为“基于压力应变的放大电路设计”，学生课外学习应变片式称重传感器的基本原理，课内完成放大电路的设计与电路调试。将“有源滤波器认识实验”拓展为“简易波形分解与合成仪设计”，学习滤波器在线设计工具，完成课前自主设计；通过实验室现场调试，体会不同滤波器结构、参数对滤波性能的影响。在“光电耦合器认识实验”完成后，增加“基于非线性光耦隔离电路，实现线性传输”的提高环节，鼓励学生组队，协作开展实验探究。通过在基础训练实验中引入故障分析与排查环节，在综合设计实验中探讨多方案的权衡与决策，在提高拓展实验中设置开放性问题等，为学生营造“求异和探究”空间，培养学生独立思考、沟通与协作等科研素养。

（3）评价方法改革。相较于传统评价方法，过程性评价更着眼于学生发展，强调学习动机、学习过程和学习效果之间的关联［11-12］。教师不再简单以实验结果的准确与否评价实验成绩，而更看重学生对实验原理的理解、对实验方法的运用、对实验进程的控制和对实验问题的分析。结合学生在“课前预习、现场实操、实验日志、实验报告、拓展与探究”等环节的完成情况，综合考查学生的学习态度、时间投入、努力程度和实际学习效果。课程的最终成绩由平时成绩和期末考查成绩构成。平时成绩源于历次实验成绩和阶段性测试成绩，阶段性测试可安排在课程进程的重要节点，例如EDA练习、大实验验收、在线学习环节等；期末测试则通常采用现场综合技能考查的方式，考查内容涉及元器件选型、仪器操作、EDA 仿真、电路设计与调试、数据分析、故障排查等。对实施线上、线下混合式教学的课程，评价时还要借助于在线学习数据，对学生在预习、在线讨论、线上测试等环节的学习情况进行评定。

3.2 产教协同驱动的课程体系改革

产学合作协同育人项目以“教学内容和课程体系改革”为主要类型，侧重于创新实验开发、实验技术革新和课程资源建设。在项目实施过程中，探索协同驱动机制和资源转化流程的构建，如图3 所示。

图3 协同驱动机制和资源转化流程

（1）工程案例。根据产教双方需求，提炼并形成包含产业主流技术和前沿应用的工程案例。

（2）课程转化。设计基于工程案例的教学方案，融入现有课程体系。

（3）应用拓展。通过资源共享、模块调用等方式，扩大创新课程的应用范围。

（4）反馈迭代。评估和改进教学效果，提高课程对教学目标、学生特点和外部需求变化的适应性。

在外部资源和内部条件有限的情况下，该驱动机制有助于实现创新价值从“小范围精英项目”向“普及化基本课程”的持续转化，对实验教学改革具有现实指导意义。

3.3 依托网络和信息技术的教学环境建设

现代化教学手段的运用，不仅可丰富实验内容、拓宽学生视野、活跃学生思维，更可通过构建更灵活高效的实验环境，扩充实验教学信息量、提升课程内涵［13］。为提高学时利用率、提升信息化应用水平，实验中心建设了集数据采集、电子报告、开放预约、刷卡派位和电源管理于一体的实验教学交互系统。开放式实验时，可实现“任务下达-远程预约-门禁控制-刷卡派位-电源管理-数据采集-电子报告-成绩汇总”的教学闭环管理。系统支持师生随时随地访问数据、提交／批阅实验报告、查阅／汇总成绩。提高学习效率，也提升了教学智能化水平。

实验中心基于数据采集技术，结合程控电源和数字示波器，开发了晶体管特性测试系统，如图4 所示。

图4 实验中心开发的自动测试系统

投入教学后，与EDA仿真、伏安法测量、图示仪观测等配合，构成了虚实结合、手段多样的实验环境。基于ADS便携式实验套件，开发了晶体管共射放大电路、多级放大电路、波形发生电路等实验项目，用于开放实验，满足学生课外实践需求。基于ELVIS 虚拟仪器开发的音频功率放大电路测试平台，用于辅助实验指导教师开展对学生实验作品的集中性验收，提高验收效率和准确性。

3.4 支撑持续改进的教学能力建设

重构教学内容、再造教学流程、创新教学手段，需要一支育人理念先进、实践能力强、工程经验丰富、踏实敬业的教师与实验技术队伍。实验中心积极创造条件，通过组织申报各级教改和教研课题，组织参加交流研讨、教学竞赛、教学观摩，设置实验教学成果奖励，并纳入实验中心考核指标体系等举措，为教师发展提供机会和动力。

教师教学能力的形成，同样需要“知识的外部吸收、转化、沉淀、内化到应用”过程，将教师个体发展与实验中心的改革实践充分结合，促进实验教学整体能力的提升和持续改进。通过深入体验产业实践、深度参与课程建设，使教师树立关注产业动态和前沿技术的意识，提高对产业需求变革和技术革新的敏感度，逐步积累工程实践能力和经验。“电子技术综合设计”是暑期开设的集中性实践教学环节，采用项目式教学。为强化对学生知识应用能力、系统设计能力和探究能力的培养，对教学内容和教学方法进行改革，突出探究性和开放性，减少提供参考设计。同时，加快配套教学资源的更新。依托产学合作协同育人项目，组建创新团队，协同开发电感式位移传感器及其测量系统［14］、半导体制冷温度控制器（如图5（a）所示）、圆度仪（如图5（b）所示）、太阳能路灯控制器［15］（如图5（c）所示）、直流无刷电动机运动小车控制系统（如图5（d）所示）等探究性实验平台和模块。经过多轮教学应用和优化，获得了良好的教学效果和课程评价，不仅培养了教学团队在课程建设中的协同开发能力，也为探究性教学模式的应用推广积累了宝贵经验。

图5 探究性实验平台

4 结语

通过对实验教学内涵和体系结构的梳理，建立以“课程、教学共同体和产学协同驱动”为要素的教学创新框架。针对体系中的教学模式、实验内容、方法手段和队伍建设等，开展教学改革，在一流课程、学科竞赛和教学竞赛等方面取得明显成效。实践表明，在创新框架指导下实施教学，能有效改善实验课程质量，提升教师教学水平和学生实践创新能力。为实现新工科背景下的创新人才培养和产学协同育人，做出了有益的探索。对于高校推进实验教学中心高质量发展也具有参考和借鉴意义。