以实验案例设计为抓手提升教师工程实践能力

袁洪芳，曹 晰，韩 萍，张 帆*

（1.北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029；2.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300；3.教育部信号类课程群虚拟教研室，天津 300300）

高等教育的主要目的是为国、为党培养人才，同时承担科学研究与服务社会的主要职责。教师是高等学校的主体，是大学能够发挥其重要功能职责的载体，高等学校教师的教学能力和科研水平在很大程度上影响和决定人才培养质量，是影响高等学校发展的重要指标之一。近年来，高等学校越来越重视师资队伍的建设，包括人才引进和在职教师的培养。与此同时，随着我国经济社会的转型，对人才的需求也发生了变化，促使我国高等教育也逐渐转型，当前工程教育是工科高等教育的核心，其中培养学生的创新工程实践能力也成为工程教育的关键任务。自从2010 年国家启动“卓越工程师教育培养计划”开始，到2016 年，我国正式加入国际互认的工程教育专业认证体系《华盛顿协议》，标志着我国工程教育正式与国际接轨，培养高质量的工程科技人才正式确立为我国工科高等教育的核心任务。2017 年2 月、4 月、6 月，教育部先后召开三次新工科建设工作会议，确立了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等一系列新工科建设纲领，推动工科高等教育改革[1]。

新工科建设要求各高等学校在工科人才培养过程中，除了夯实工科专业的基础理论和专业基础知识外，越来越重视学生创新工程实践能力的培养，在培养计划的制定时，要求实验和实践环节所占比重必须满足一定的比例，在实验和实践内容的安排上更强调培养学生的工程实践能力，使学生毕业即可达到行业认可水平。这对高等院校实践教学教师提出了非常高的要求。与国内一流大学或同类大学相比，北京化工大学（以下简称“我校”）实践教学教师队伍在自身创新能力与培养学生创新能力的方面还存在一定的差距。我们查阅了相关高校电工电子中心网站及2020 年国家级实验教学示范中心建设报告[2-4]，总体来看，在电子类相关学科竞赛上我校学生还处于比较好的水平，主要原因是近几年学校非常重视，教师投入也比较大，学生的参与度比较高。但是，在师资队伍数量、参与科研项目等方面还存在比较大的差距。

一 实验教学示范中心实验教师队伍建设面临的主要问题

构建一支高水平、高素质具有创新能力的实验教师队伍，是高等学校培养创新人才的基础和重要保障。实践教学作为高等工程教育承担培养学生创新实践能力的重要环节，实践环节的实施和质量主要依靠实验教师，因此，要想提升实践教学质量，最关键的还是实验教师的能力和水平。培养和提升实验教师的工程实践能力，既是理工科高校提高人才培养质量的重要途径，也是实验教师个人职业发展及提高自身职业素养和能力的立足点。因为实验教师是实验教学实施的主体，只有不断提高其创新工程实践能力，才能保障教师在实验教学中不断开发新的实验项目、引入前沿新技术、应用先进教学方法和多媒体等信息手段，不断提高实验教学质量和管理水平，进而提升人才培养质量[5]。另一方面，实验教学是理论联系实际、培养学生实验能力、创新工程实践能力的重要途径。实验教师是实验教学设计和实施的主体，实验内容设计即要能够巩固和应用理论知识，又要培养学生实际操作能力，还能引导学生综合应用理论知识解决实际问题，并最终培养学生创新设计能力。电学能力又是所有工科专业本科生必备的基础能力，因此学院特别重视电工电子中心实验教学队伍的建设，作为学校基础性实验教学队伍之一，是支撑我校工科专业教学改革，特别是电类相关4 个国家级一流专业建设不可或缺的重要力量。因此，构建电学创新实践能力培养体系，培养一支参与科学研究、教学能力强、具备创新实践项目开发能力的实验教学团队势在必行。

目前实验教学示范中心（以下简称“中心”）实验教师队伍建设面临的问题主要以下几个方面。

1）实验教师教学工作量大，投入工程实践和科研的精力比较少，参加校外培训和企业交流的机会也有限，造成教学内容设计、实验项目开发中表现出来工程实践和创新能力不足。实验教师通常主要负责实验室管理和实验教学，高校现在更加重视学科建设和科研工作，因此在实验教师队伍人才引进和教师培养上投入不足，而现有教师队伍建设不足又直接导致在职教师工作量大，总结和提升的精力不足。实验教师参加各种师资培训、学术交流活动、科研项目合作的机会比较少，直接导致教师在实验项目开发和内容的设计上也多为理论教材对应的验证性实验，显少有向高水平研究的创新综合实践类项目，总体来看实验教师的创新经验稍显不足，不能更好地支撑与培养学生创新实践能力。

2）实验教师在教育教学方法上创新不足，主要表现是授课形式、方法单一，授课形式和方法与理论课授课区别不大，依托实验教材，没有充分利用各类多媒体平台，授课方式以平铺直叙的“保姆式教学”为主，直接导致学生实验积极性不足，未能较好地体现出引导、发散、设计然后验证回归工程的实践教学特点。

3）实验室共享程度低，实验内容较为封闭。从管理上电子类基础实验室属于电工电子教学实验中心，专业实验室属于学院实践平台，由于管理形式造成电子类基础实验室欠缺与后续专业实验室教师之间的交流，一方面导致实验内容的衔接、各实验室信息资源共享困难，局限性较大；另一方面缺少相关专业工程背景的交互，实验内容和实验目标未能充分体现工程化思想，或对相关思想解释引导不足。

如何建设一支理论基础扎实、有工程实践经验和实验项目开发能力、具有创新性思维的实验教师队伍是实验室建设的重要工作之一，本文主要以实验案例设计为抓手，探讨提升实验教师工程实践能力的方法和主要举措。

二 以实验案例设计为抓手提升教师工程实践能力的举措

实验教师是实验教学的一线力量，要想培养学生的创新实践能力，要求实验教师具备创新项目的设计和工程实践能力，本文从以下四方面开展工作持续改进提高实验教师的工程实践能力和教学水平。

（一）建立实验教师阶梯式培养机制促进青年实验教师成长

由学院和中心共同努力建设阶梯式教师能力培养机制，开设青年教师训练营加深电工电子教学中心实验教师与各个专业教师的交流合作，按照课程组建教学团队，老教师、工程经验丰富的教师与年轻教师、工程经验不足的教师共同负责实验项目的开发和教学，共同完成教学研究和教学改革工作，各项工作遵循“以学生为中心、以能力培养为导向”的工程教育理念。信息科学与技术学院每学期开展实验教学竞赛、教学示范和交流，利用全校每周五下午没课的时间讨论，定期组织教学项目的立项，并邀请校内外专家对实验教师的教学改革工作进行指导。终身学习、自主学习的理念不应仅用于学生，也应该融入教师培养的过程中。通过这种阶梯式的培养机制将实验教师培养工作与教学改革工作有机结合，真正发挥“学、帮、带”的作用，增强实验教师自主学习的积极性，有效提升实验教师综合能力。仅2022—2023 学年中心就组织电工电子实验教学中心的教师与信息工程、测控技术及自动化专业的教师交流活动3 次，专业教师从后续科研和发展的角度，对电子类实验教学提出了要求，对实验教师设计的实验内容进行指导并提出建议，组织教学名师为青年教师传授教学经验，讨论如何设置实验内容和改革实验教学模式，让学生更有兴趣做实验，同时设置问题和小“故障”，让学生在实验过程中接受挑战，提升完成实验的获得感。

（二）开发工程背景实验，创建立体化实验教材，培养教师综合能力

引导青年教师参与开发具有工程背景的配套实验项目，一方面可以锻炼实验教师的工程实践能力和科研水平，另一方面又能将科研转化成实验案例项目运用在实验教学中，提升教师能力和水平的同时，也培养了学生的工程实践能力，教师与学生共同受益。

在教育信息化建设推动下，实践教学方法与实践教学内容也在不断地变革与扩充，实验教材早已不再局限于纸质书籍，在线教学资源非常丰富，包括MOOC、实验视频及其他线上教学资源，与传统实验指导书一起形成了立体化的实验教材资源。立体化实验教材和数字化的教学资源，为学生随时随地采用多种方式、多形态的自主学习创造了条件，激发了学生学习的兴趣，还能帮助学生快速学习并掌握实践技能，学生的工程应用能力也得到显著提升[6-7]。实验教师可以总结教学经验，开发有特色的立体化的实验教材及其他数字化的实验课程资源，既能够满足当前多样化、个性化、实用化的实践教学需求，又能够锻炼实验教师的业务能力，促进教师职业发展。2021—2023 年中心实验教师每年持续开发新实验，保证实验内容每年的更新率达到20%，出版了3 本实验教材。中心自2021 年至今从实验内容的数字化、实验管理过程的数字化两方面开展实验课程数字化资源建设。

电工电子实验教学示范中心以实验案例设计为抓手开发新实验项目，安排教师参加实验案例研讨会，学习实验案例设计的成功经验和先进教学理念、内容、技术和方法。鼓励实验教师积极开发新实验，包括综合性和设计性实验，教师可以根据科研项目或者和企业一起选择具有工程背景的实验项目，既可以拓宽学生科研视野，同时设置开放性的实验项目为学有余力的学生提供更多提升的机会，为培养创新人才奠定基础。经过实际教学应用的实验项目总结形成实验案例参加全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计比赛[8-10]。2021—2023 年中心教师开发新实验17 项，其中有9 项参加全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛，其中3 项获全国一等奖，1 项全国三等奖，1 项华北赛区一等奖，2 项华北赛区二等奖，1 项华北赛区三等奖。这些奖项证明了实验教师具备了良好的工程实践能力，开发的实验项目能够培养学生的工程创新能力。

（三）加强教师培训与对外交流合作，拓展实验教师视野空间

电工电子基础课程实验教师队伍结构的调整和完善是一个持久的过程。特别是中心新引进的青年教师，大多是高校应届毕业生，没有到企业工作过，工程经验明显不足，同时也存在个人发展规划不明确的问题，中心安排经验丰富的老教师一对一地指导和帮助青年教师，创造机会让青年教师参与到科研团队，提高自身科研水平。同时通过参加教学比赛、教师训练营等活动提高教学能力。目前，北京化工大学和北京交通大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京邮电大学等京内电类教学实力雄厚的国家级实验室建立联系，派青年教师参观学习。同时请京内外教学名师、企业专家入校指导或者专家讲座等方式，帮助青年教师提升科研和教学能力[8-10]。此外，还鼓励教师通过网络查找学习引进国内外先进的教学资源提高课程教学质量；鼓励教师积极对外交流、沟通，向兄弟院校学习先进经验，开阔建设思路，取长补短，通过与国内相关高校同行学习交流解决课程建设、教学方法改革、工程实践能力提高等问题。

（四）加深与行业企业的联系，参与或参观产品生产流程，聘请企业导师参与课程建设

积极推动与企业的交流合作，企业在高校人才培养过程中起到了越来越重要的作用，加强实验教师与企业的交流和合作，邀请企业参与到人才培养过程有助于培养学生工程实践能力。目前，开展校企合作主要通过联合申请并完成教育部产学研合作项目、支持实验教师参加企业培训、新建校企联合实验室等举措，提升实验教师的工程实践能力。北京化工大学电工电子实验教学示范中心和教学设备研发企业包括深圳市易星标技术有限公司、北京梦之墨科技有限公司合作建立的联合实验室，企业到学校对实验教师进行培训，为教师开发新实验提供支持和帮助。特别是在北京化工大学-深圳市易星标技术有限公司智能在线共建实验室，依托远程实境实验平台，自主开发实验，在新冠病毒感染疫情期间发挥了重要的作用，弥补了仿真实验的不足，加深了学生对实际电路的认识和了解、培养了学生调试电路的能力。

另一方面，高校主要依托校企协同建设实验室平台，教科融合；随着信息技术的快速发展，实验实践教学体系和实验教学内容只有不断地更新才能更好地服务于学生创新实践能力的培养，实验室硬件建设特别是实验设备和仪器的选择要更合适的教学内容和实验项目，才能更好支撑实验教学开展服务人才培养。所以，实验室的仪器和设备不能完全依赖于成套购买，自制实验设备既能够根据各专业人才培养的需求，开发更多综合性设计性实验，提供更多的开放性实验内容，也是对商用仪器设备的良好补充。根据学校各专业人才培养和实践教学的具体需求，结合实验教师自身的工程经验和科研资源，研制自制设备或者实验板卡，既能够提高教师的工程实践能力，同时随着自制实验设备和板卡的开发、使用并不断升级，也能够有效地锻炼青年实验教师队伍，提高实验教师业务能力和工程能力，调动教师工作积极性。自制实验设备和板卡在拓宽实验实践教学内容、促进教材建设、加强实践教学改革等方面也发挥着积极作用。

中心在全面推行上述四个举措提升实验教师工程实践能力的水平基础上，积极推荐实验教学方法改革。在实验教学上，改变往常布置实验任务，学生按步骤完成的习惯，教师先抛出问题，引导学生思考，并通过自行查阅文献，了解实验项目相关背景知识及可能遇到的实际工程问题；在实验教学过程中，教师不限制实验方法和实验步骤，目标导向，要求学生通过分组讨论设计实验方案，教师审核确定可行后安排学生实验；最后，学生进行实验总结。

结合北京化工大学的办学方针和特色，不断对实验教师综合培养体系进行改造和完善。中心通过提高实验教师实验水平，进一步提高了学生人才培养质量，高质量完成10 门实验课程的教学工作外，培养的学生在2021—2023 年开展大学生创新训练项目31 项，在电子类相关竞赛包括全国大学生电子竞赛、全国大学生嵌入式系统竞赛、蓝桥杯电子类竞赛等赛事中累计获国家级一等奖3 项，其他国家级奖项4 项，省部级奖129 项，参与竞赛的学生读研深造率达到95%以上。

三 结束语

本文以实验案例设计为抓手，促进教师工程能力提高；推动自制实验仪器研发，锻炼教师综合能力；规划立体化实验教材编写，凝练教师工程教学经验。为教师提供培训和交流的机会、增加企业实训和合作丰富教师工程背景、举办交流研讨会提升教师教学水平，构建一支兼具工程实践能力和创新能力的电工电子实验教师队伍，2021—2023 年的不断深入改革，通过多举措提升实验教师水平，服务于工科专业电学基础设计能力和创新实践能力培养，提升本科生人才培养质量，更好地支撑了学院一流本科专业建设。