新工科电工电子创新实验教学改革探索

1、新工科电工电子创新实验教学改革探索刘波 毛先柏 刘曼玲（中南大学 自动化学院 湖南 长沙 410083）摘要：针对提升大学生创新能力培养的问题，在深刻剖析电工电子基础实验教学存在问题的基础上，提出在实验课程中开展创新实验教学的改革方案，构建多层次、模块化实验课程教学体系，开展多元化的实验教学方式和多样化考核方式，将创新理念融入整个实验的教学实施过程，通过改革使电工电子实验课程承担起创新能力培养的责任和义务，从而培养出符合国家需要的创新型人才。关键词：电工电子；创新实验；教学改革中图分类号：G642 文献标识码：AExploration on Teaching Reform of Electri

2、cal and Electronic Innovation Experiment under the Background of Emerging EngineeringLIU Bo, MAO Xian-bai, LIU Man-ling(School of automation, Central South University)Abstract: Aiming at the problem of improving the innovative ability of college students, this paper deeply analyzes the problems exis

3、ting in the basic experiment teaching of electrical and electronics, puts forward the reform scheme of innovative experiment teaching in the basic experiment course, constructs a multi-level and modular experiment teaching system, and develops diversified experimental teaching methods and methods. T

4、hrough the reform, the electrician and electronic experiment course assumes the responsibility and obligation of cultivating innovative ability, so as to cultivate innovative talents that meet the needs of the country.Key words: electrical and electronic; innovation experiment; reform in education.基

5、金项目：2018jy059，新工科背景下的电工电子开放式创新实验教学研究，中南大学2018年校级教改项目作者简介：第一作者：刘波（1978）女，博士，中南大学自动化学院副教授，主要从事电工电子基础理论教学和科研工作。Email:cocoaliu0 引言创新是民族进步的灵魂，也是经济竞争的核心1。提高大学生的创新能力是高校实施素质教育的核心，也是近年来国家倡导的理念。电工电子系列课程作为工科专业学生的重要基础课程, 对理论性和实践性的要求比较强，要求学生既要掌握电工电子技术的基础理论，同时又要具备一定的实践操作技能。而电工电子实验是学习理论知识的重要组成部分，是提高学生的动手能力，培养学生的创新

6、思维的有效途径。1 电工电子实验目前教学现状目前，电工电子实验是包含在电工电子系列课程里的，称为课内实验。实验教学仅视为理论教学的附属品，没有建立专门的教学体系。这种附属品的地位，导致学生在学习过程中“重理论，轻实践”，对实验教学缺乏足够的重视2，总觉得课堂讲授的知识才是学习的根本。在实验内容的选择和设计上，以验证实验为主，实验内容陈旧，无法让学生得到“创新”。实验教学采用灌输式的教学模式，即实验开始时，老师在前面进行示范性演示，学生纯粹模仿完成实验。学生在实验过程中只是被动的动手操作，缺乏思考，无法将进行的实验内容与曾经学过的理论知识相结合，没有达到实验该有的目的3。同时，目前实验课的考核方

7、式过于单一，通常老师仅仅根据最后的实验结果来评定成绩4。“重结果，轻过程”，这样不但无法真正体现学生的操作水平，而且很多学生为了追求更好的实验成绩而采取抄袭等捷径。这种实验教学体系，完全没有学生独立思考的过程，不能培养学生解决问题的能力和创新能力，无法适应当今社会对人才培养的需求。2 电工电子创新实验教学改革不同于以往的只对实验内容进行教学改革，我们打算将培养“创新能力”的理念融入整个实验教学环节，针对实验教学的每一个步骤，切实落实创新实验教学改革。设计专业性与实用性兼顾的实验教学内容，按照学生的专业要求将实验内容进行模块化划分5，分成不同层次，构建课程教学体系。实验教学内容以提高学生的工程创

8、新能力为主导，用工程应用实例来激发学生的创新意识6。在教学方法改革中引入多元化的实验教学方法，对实验教材，实验课堂的设计和实验教学模式中都引入创新理念。在教学手段的改革中，充分利用信息化手段，可采用软件仿真模拟，还可通过虚拟实验平台来操作，最后才是动手实现实物电路的过程，将实验内容与新技术和新方法结合。2.1 专业性与实用性兼顾的实验教学内容设计1）实验内容模块化、层次化对于实验教学内容的设计，采取模块化、分层次的实验教学模式7。针对不同专业不同阶段的学生，应开展的不同的实验项目内容，对于学生在实验中动手能力、分析设计电路的能力、创新能力的要求应当逐步加深。将实验内容分为以下四个模块：在第一模

9、块，对于刚刚接触到电工实验的初学者，实验内容的设计以验证型实验为主，如直流电路基础实验。要求学生通过这些实验能熟悉实验仪器的用法，学会观察实验现象，对实验数据能进一步分析，掌握基本实验技能。在第二模块，实验内容的设计应以综合型实验为主。综合型实验要求在实验内容设计上要覆盖多个知识点，实验的电路原理和连接方式都有了一定的难度和复杂性，对学生的动手能力有了更高的要求。如在数字电子技术部分设计血型匹配电路的实验，在组合逻辑电路部分主要包括两个方面的知识：组合逻辑电路的分析和设计，常用中规模组合逻辑电路的应用。在常用中规模组合逻辑电路中，重点有两个：一个是译码器74LS138芯片，还有一个是数据选择器

10、74LS151芯片。这两种电路加上适当的门电路都可以实现任意的组合逻辑电路。如果直接验证芯片会显得内容太枯燥，不容易提起学生的兴趣，因此设计一个工程应用实例的题目，将学生代入具体的问题情境，通过发现问题、分析问题、最后解决问题这一过程，巧妙的将两种电路应用在设计之中。同时，该实验内容还可以进行扩展。在常用中规模组合逻辑电路中，我们还讲到了显示译码器、优先编码器等等，在实验的扩展部分将这些内容加入进来。用一个实验，让尽可能多的组合逻辑电路部分的知识都得到应用。在第三模块，实验内容以设计型实验为主。设计型实验没有既定的解决方案，要求综合使用多种实验方法和技巧实现电路设计和解决问题。在设计的过程中，

11、训练学生发现问题，分析问题和解决问题的能力8。如在模拟电子技术部分设计数控直流稳压电源的实验。该实验主要包含数字控制部分、D/A变换器及可调稳压电源三大部分。其中既涉及到模拟电子技术又涉及数字电子技术部分的内容。三大部分都没有既定的设计方案，可以有多种实现手段，需要同学们综合运用所学知识来设计电路，同时还可以创新设计多种附加功能。第四模块实验内容的设计为创新型实验。创新型实验是具有研究性、探索性和创造性的大型实验项目。需要综合运用各种实验设备、仪器和模块来完成实验。实验内容的取材既可以来自现有的工程应用实例，也可以从指导老师的科研项目中提取，还可以从全国大学生电子设计竞赛中获得。如设计一个温度

12、的测量与控制电路的实验，在这个较为完整的工程项目实现过程中，引导学生了解传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、数据显示、参数设定、反馈控制、PID控制及参数设定等相关知识与技术方法，并涉及测量仪器精度、线性度，硬件及软件反馈，仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法。通过交叉学科知识培养学生的自主学习和系统分析的能力。为了完成实验，学生需要完成查阅文献、电路设计、软件仿真、动手搭建电路、撰写实验报告和答辩审核等一系列步骤，在整个解决问题的过程中，学生能体会电工电子实验的价值和意义，为以后走上工作岗位积累实践经验，获得创新思维。分层次则是指对每个模块的实验课程的教学内容要求也进行任务分级，包括必

13、做的基本部分，选做的拓展部分和自主创新部分。分层次的目的是为了照顾到所有学生，一个班级中，既有学习或者动手能力一般的学生，也有学习或者动手能力很强的学生，设计任务分级，能满足不同学生的不同需要，也便于老师来划分成绩。2）实验内容设计具有工程背景实验教学设计的核心应围绕“通过该实验，想让学生掌握什么？”而出发。对于一个实验中包含的几个知识点，应设计通过怎样的环节将这些知识点巧妙结合并逐一呈现，同时考虑学生如何将书本所学理论知识应用于动手设计过程。如果直接将几个知识点揉在一起进行实验会显得内容太枯燥，不容易提起学生的兴趣，因此对于设计性和创新性实验在实验内容的设计上需要具有工程环境和背景，实验目的

14、不再是某一理论的验证或复现，而是实现某产品开发或工程目标。将学生代入具体的问题情境，通过发现问题、分析问题、最后解决问题这一过程，让学生体验到现代工业的需求，同时够激发学生的参与兴趣和动力。实验设计方法以工程项目和产品开发为背景，从根本上打破以理论知识点为主线的传统实验教学模式，以产品和项目的构思、设计、实施和运行为主线，转变教师和学生在实验过程中的地位和作用，要求学生参与构思、自主设计、独立或协作实施，实现从被动接受教育到学生自主学习、创新的转变，实现具有现代工程素质的创新人才的培养。2.2 多元化实验教学方式1）创新实验教材目前使用的实验教材，实验方案都是已经设计好的，在实验教材上有完整的

15、实验实现方法和具体的每一个步骤。学生只要按照教材上的实验步骤接线测量数据即可交差，整个实验过程中完全不用思考。直到实验完成，学生也不清楚这个实验到底涉及到理论中哪一部分的原理，使用了哪些方法。因此，对实验教学方式的改革应该先从实验教材的编写入手。将实验教材设计为基础、综合和创新三个部分，其中基础部分以验证型实验为主，内容紧跟相关理论知识，实验步骤会介绍得比较详细；综合部分以综合型实验和设计型实验为主，选取学生身边经常接触到的一些工程应用实例，比如说门铃电路，的士计价器，红绿灯电路等等；创新部分以创新型实验为主，选择的实验更多的能促进发散思维，有多种解决办法，而且能加以改进，比如智能家居，音乐喷

16、泉等等，让学生有更多的发挥空间。这种层级式的实验教材只是给出参考案例和实验说明，并没有给出该实验的做法。因此学生在做实验时需要自己动手动脑来完成。通过实验教材的改革，让学生做实验时无本可宣，迫使他们必须自己设计实验方案和实验电路，从而真正提高学生的思维能力和动手能力，让他们在实验中能有所收获。2）自主性实验课堂教学模式在实验课堂中，打破以老师演示学生模仿的传统以教师为主的教学模式，采取以学生为主的教学模式。在实验课堂中，老师只是简要介绍实验仪器的使用方法，而实验方案的选取，元器件的选择，实验线路的搭建，故障的排除，实验结果的展示都由学生来自主设计完成。老师只在旁边记录和观察。这样学生没有了依赖

17、，会最大限度发挥他们的主观能动性，整堂实验课会在紧张有序中进行。从而使学生由以往的被动接受知识逐步转化为主动思考、分析和解决问题。更好地调动学生的积极性和创造性，而且也让学生有更多的自主发挥的空间。3）开放式实验教学平台因为实验课时非常有限，仅用实验的一点点课时，无法很好满足学生的实验需求。为了解决这个问题，首先，在学校的实验教学网站上建立仿真实验平台。仿真实验平台将实验室需要用到的仪器设备都做仿真处理，实验过程和接线方式用鼠标操作。学生可以在这个平台上将要做的任何一个实验用虚拟仪器来实现9。这个平台有两个用处：一是可以让学生提前预习实验。在做任何一个实验之前，学生可以通过这个仿真实验平台在宿

18、舍的电脑上先操作一次。当真正进入实验室时，能做到心中有底。二是对于一些爱动手操作的学生，给他们一个动手的平台。其次，建立开放实验室。开放实验室24小时对外开放，学生可以提前在网上预约，来实验室亲自动手完成自己的实验项目。多元化的开放实验教学平台，不但可以满足学生更多的爱动手的需求，同时也让学生有更多施展自己创意和想象的空间，能让学生的动手能力有更多展现的舞台。2.3将创新理念融入整个实验的教学过程实施对于实验教学的实施分为以下几个过程：1）起课堂理论讲解和实验思路引导在课堂教学中，老师先讲解理论知识，老师可以举几个偏实际应用的例子，带领所有学生感受一下从客户提出要求到实现电路的全部过程。然后，

19、引入实验内容与任务，引导学生比较发现该实验与课堂例题的相似与不同之处。引导学生分析和推导出实验的输入和输出，以及正确的思路。最后，布置学生课后完成实验预习和仿真工作。2）承实验预习和仿真在明确实验设计基本规则和内容后，学生需要进行实验资料的收集和整理。学生通过多种途径在图书馆和网络上查找相关理论和技术资料，并就所需元器件等进行市场调研，还要到开放性实验室里学习和了解仪器设备的技术参数和性能，最后将收集的资料进行分析和整理，为最终确定设计方案做好充分准备。在分析参考资料的基础上，学生提出实验的设计方案，并进行方案的论证分析。包括确定实验方法、理论计算和仿真等。然后教师和学生一起就设计方案进行讨论

20、和评价，找出不足点，明确努力方向和目标。教师在科学引导的同时，要充分调动学生的学习积极性和创造性，鼓励学生独立思考问题和解决问题的能力。学生则充分发挥其主观能动力和潜能，进行开拓性思维，形成自主学习，研究性学习和探索式学习模式。3）转实验操作和故障排除学生就确定的实验方案在开放式实验室内进行电路仿真和调试。开放性实验室对学生实行实验时间开放，实验器材开放，突出了实验教学以学生为中心的开放模式。学生根据选取的实验项目完成实验内容，测试电路的性能指标等参数。对于实验过程中出现的问题，引导学生自己通过现有的仪器设备检查排除。对于进展比较顺利的学生，激励他们完成扩展部分以及自主开发部分。指导老师需要因

21、材施教，灵活指导。对基础较差的学生，引导他们尽量实现基础部分功能，而对于基础较好的学生，激励他们自主开发更多的功能。4）合实验总结学生完成实验方案的设计和测试后，对实验结果进行整理和分析，并撰写实验报告。在实验课堂上教师就学生实验电路测试结果并提问，考察学生对电工电子基础理论知识、实验和设计技能等知识的综合运用，以及总结表达等方面的能力。整个实验教学实施过程，新知识、新技能的学习渗透其中，在实验整个过程中融入创新意识、创新思维，将基于“创新能力”培养的教学理念贯穿到整个电工电子实验课程教学的过程中。2.4 多重性的考核方式对于实验的考核节点设在三个不同阶段：（1）实验开始前。电路设计验收（10

22、%），仿真实验验收（20%）。（2）实验进行中。实验完成质量（40%），回答老师提问（10%）。（3）实验完成后。实验报告（20%）。 新型考核评价体系是对整个实验过程考核，学生从准备实验到实验结束的整个过程，围绕实验能力、态度、创新素质等多个方面来进行综合评定。实验能力主要考核学生在实验课堂上的动手能操作仪器的能力，主要评价要素有电路设计方案的优良、能否独立准确的完成实验、能否排出故障、对实验现象和结果的分析和判断等等。实验态度主要考核学生对待实验的重视程度，主要评价要素有对实验内容的熟知程度、有无提前预习实验、有无通过仿真软件设计电路、对人身和设备安全的重视程度、实验完成有无整理实验仪器等

23、等。创新素质主要考核学生在实验过程中的创新能力，主要评价要素有实验方法是否有创新、实验手段是否有创新、实验结果是否有创新等等。特别是为了鼓励学生能打开思路，多做创新，在考核上面会加大奖励力度，只要是好的创意，都有额外的附加分。改革后的考核方式能全方位考核学生的实验能力，并激励学生的创新意识。3 试点教学中南大学电工电子实验课程从教学内容、教学方式和教学实施过程等几个方面对基础实验课程创新实验教学进行了大胆的尝试。电工电子基础实验由原来的课内实验改为独立课程，同时教学内容也由原来的验证性实验改为四个模块化实验，针对不同的专业选择不同模块和课时。教学方式由原来的老师示范学生模仿改为学生自主设计实验

24、方案，教学实施过程也改为虚拟仿真实验平台和开放性实验室相结合。改革面向全校电类和非电理工类、文经管类多个专业学生开设的电工电子实验课程，能够满足不同专业的基础、综合以及创新等多层次的实验教学需求。同时，在电工电子基础实验课程中开展“创新”实验教学的探索拓展了“创新教育”的内涵和外延3，将“创新”的理念贯穿于整个实验教学中。在新工科的背景下，开放式创新实验教学不仅使学生能运用电工电子理论知识来完整地实现工程项目，同时还促使学生将电工电子学科知识与本专业知识相结合，在交叉学科人才培养上进行了有益的尝试。目前改革教学推行了一年，获得了良好的教学效果，学生对该门课程的网评成绩一直名列前茅，学生的动手能力也有大幅度提高，并且培养的学生在全国大学生电子设计竞赛中获奖。同时，电工电子教学中心的老师设计的实验也在全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛中取得