北方工業大學：以學科競賽促工科實踐能力培養

大學工科實踐教學承擔著培養大學生實踐動手能力、工程創新能力、團隊協作能力的職責，是大學工科專業培養應用型人才不可或缺的培養環節。大學工科專業培養學生的主要目的，是為社會輸送具有實際工作能力的創新型專業人才，為相關工業行業的發展注入活力。工科實踐教學應該有一套適合自身特點的培養方式，以達到較好的培養效率。因此，實踐教學的教學方法研究一直是大學工科實驗教師關心的教改方向。

隨著網絡時代的到來，我們的生活和學習方式發生了翻天覆地的變化，高校的教學方式也發生了許多變化，工科實踐教學要適應時代的變化，必須進行深入的教學方法改革。北方工業大學綠色能源與電源實驗室長期從事實踐教學工作，指導學生參加以大學生電子競賽為代表的各種學科競賽，取得了優良的成績。在工作過程中，總結出一套適應于電子信息專業的實踐教學方法，以學科競賽為抓手，在競賽中培養學生的理論付諸實踐能力、創新能力和團隊合作能力。同時還發現，參與學科競賽活動不僅有利于學生的培養，還有利于實驗教師隊伍的培養，有利于實驗室的建設，極大地促進了實踐教學環節。

大學工科實踐教學的現狀和問題

實踐教學設立之初，很大程度上是課堂教學的輔助環節。長期以來，實踐教學自主性較差，驗證性實驗占據了實踐教學的主旋律。課堂教學依賴于課本，而課本內容都是經過多年考驗已經被作為定論的知識，必然滯后于工業界現狀至少5-10年，乃至更多，所以很多的課堂教學與工業界脫節。課堂教學側重經典理論、創新不足的特點也直接體現于實踐教學。以課堂教學為指導的實踐教學也必然滯后于工業現狀，造成培養出的學生進入用人單位不能立刻進入角色，需要二次培養的現象。

重課堂教學，輕實踐教學的現狀，也必然造成實踐教學在教學中占有的比例較少。同時，實踐教學受制于實驗設備，完成一個實驗教學環節，學生常常需要分批次進行實驗，實驗教師要付出數倍甚至數十倍的時間和精力，也制約了實踐教學在教學環節中所占比例的增加。然而，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，沒有充足的實踐環節，掌握所學知識終歸不夠牢靠。因此，探索更高效的實踐教學方法勢在必行，我國高校工科的實踐教學處在一個亟需改革的階段。

大學教改的目的是最大限度地調動師生的積極性，營造更加利于出人才和出成果的良好環境。目前的實踐教學因上述原因，使得學生對之沒有足夠的興趣，實驗老師的積極性也陷于重復勞動的陷阱不能得到充分的發揮。因此，尋找能夠充分調動師生積極性的實踐教學方式，成為當前工科實踐教學改革的重要一環。

學科競賽有利于培養學生的實踐創新能力

學科競賽在結合專業知識教學的基礎上，通過競賽的手段，能夠激發學生的自主能動性，培養學生理論付諸實踐的能力、科研探索的精神和創新能力，同時也培養了學生的團隊合作精神。從根源上看，學科競賽與實踐教學具有一致的目的，是實踐教學的有力補充；從形式上看，學科競賽更加注重系統地分析和解決具體問題，更接近于實際；從效果上看，學科競賽更能調動學生的自主能動性，有利于學生的培養。最終，學科競賽通過一個系統的過程，訓練和培養學生，使學生能夠站在人文與自然科學的交叉點創新，增強了學生的社會競爭力。

學科競賽的題目與工業界聯系緊密，一般都來自于目前關心的具有廣泛應用背景的課題，內容比較復雜，有較高的甚至是苛刻的指標要求。學生在參與競賽過程中，需要綜合所學的專業知識，查找相關的較新的技術文獻，深入分析設計，才能得到較好的設計方案；之后還要把設計方案通過實踐手段制作出來。在此過程中，不僅培養了學生理論付諸實踐的能力，同時培養了學生敢于面對困難、勇于解決困難的精神；不僅要學生能運用已學的知識，還要學生能主動查閱資料，學習、理解和應用新知識，培養了科研探索的精神和創新的能力。

學科競賽的組織形式是競賽，有完整的獎勵機制，學生在努力做出好的作品時，也能得到更具象化的肯定——獲得競賽獎勵，使學生在日后的評優、評定獎學金、升學、找工作中獲益，物質上的獎勵之外，學生更能夠獲得精神上滿足，因此更能激發學生的自主能動性。此外，學科競賽一般都是學生組隊參加，在比賽過程中，參賽學生需要互相配合，協調分工，盡可能發揮自己的強項，出現意見分歧時，需要求同存異，形成統一的意見。在這個過程之中，培養了學生的團隊合作精神和溝通能力。

總之，學科競賽將師生從相對死板的教學形式中解放出來，遠文試而就實戰，以實戰檢驗學生的創新實踐能力。這種實踐教學方式適應了當前的社會現狀，能夠為社會培養具有創新能力的工程技術人才。北方工業大學綠色能源與電源實驗室長期指導學生參加大學生電子競賽、“挑戰杯”競賽等多種學科競賽活動。以全國大學生電子競賽為例，自2001年以來，共指導學生參加7屆，獲得全國一等獎3次，全國二等獎5次，24名獲獎同學均已畢業，有19人考取研究生或出國深造，其他5名同學就業狀況良好，在相關行業的知名企業中成為技術骨干或項目負責人。

學科競賽有利于實驗教師隊伍的培養

學科競賽過程中要求指導老師基于模型進行理性思維，基于仿真數值進行特例驗證，是一種典型案例教學方式。目前，歐洲形成了以實驗為基礎的模型方法；美國人形成了以計算機為基礎的仿真方法；中國人文學科是典型案例方法，而我國理工科教學尚未形成自己的思維模式和方法。在學科競賽中探索典型的理工科思維方法，也是理工科教學改革的研究方向。在學科競賽的過程中，不僅學生得到培養，指導學生參賽的實驗教師也能得到提高和培養，并逐漸形成穩定的指導團隊，為學科和科研團隊建設奠定基礎。

學科競賽的題目一般工業背景較強，難度較高。為了適應這個特點，實驗教師需要不斷地跟蹤新知識、新技術的發展動態，才能游刃有余的指導學生參加比賽。競賽期間，面對題目苛刻的指標，往往需要使用一些之前不熟悉的技術。此時，需要迅速學習相關技術，根據自己的需要進行知識的再構造，指導學生設計出滿足題目要求的方案，可以說是一個典型的研發過程。在此過程中，實驗教師的知識水平得到了提高，與工業界的聯系逐漸緊密起來，科研能力也得到了提高。以正在進行的“2015國際未來能源挑戰賽”為例，題目要求制作一種500W的無線電動車充電器，引入了無線輸電技術這個目前極為熱門的研究方向，整機效率要求達到92%，體積、重量、成本以及電磁兼容性能也都有嚴格的要求。目前我們已經引入了無線輸電這個研究方向，投入大量的人力物力，并組織了數名研究生和本科生參與項目，經過幾個月的努力，初步掌握了無線輸電技術的設計方法，制作出一臺實現基本無線充電功能的實驗樣機。

競賽進行的過程中，時間緊，任務重，難度高，學生心理也相對脆弱，任務難以全部完成，實驗指導老師面臨著眾多的抉擇，既要保證參賽隊伍的正常運轉，又要盡可能取得較好的成績，如何取舍，對教師的整體把握能力也是一個考驗。經過指導競賽，對實驗教師的組織協調能力有很好的培養效果。

為取得較好的競賽成績，賽前培訓必不可少。在競賽前的培訓工作中，實驗室老師總結以往競賽的經驗，將典型的電路功能結構列出清單，逐個為參賽的同學講解，類似于進行專題講座。在此過程中，教師的歸納、講解能力都得到了鍛煉，增強了教師的培訓能力。每年暑假期間，我們都會組織學生進行電子競賽基礎能力的培訓，在總結競賽經驗過程中，找到了較為系統的培訓方法，從而得到了良好的培訓效果。每年經過培訓的學生都在各種開放式或非開放式的電子競賽中獲獎。

目前學科競賽題目復雜程度越來越高，單個指導教師難以全方位有力指導，指導教師組隊，分工合作越來越必不可少。合作指導過程中，指導教師以老帶新，形成了穩定的指導團隊，有效地促進了教師隊伍發展，并逐步發展為教學、科研團隊。

學科競賽促進實驗室建設

學科競賽活動必須在實驗室進行，這對實驗室提出了更多的要求，從而促進了實驗室建設的現代化。北方工業大學綠色能源與電源實驗室是以科學研究為主的實驗室，開展學科競賽，也為實驗室增添了新的功能。

實驗內容現代化

學科競賽有助于更新實踐教學的內容，將已經或接近成熟的、被工業界采用的技術和研究成果轉化為學生的實驗內容，以此作為實踐內容更新的源泉。我們強調學生的實踐教學要與科研和生產相結合，進行以系統為主的實驗，提高學生解決工程實際問題的能力。為此，我們建設了多個功率電子系統實驗平臺（如交錯PFC電路實驗平臺），開設了數個高級演示實驗（如風光互補發電實驗，傳遞干擾測試實驗），深受學生的歡迎。

實驗設備現代化

學科競賽題目指標要求很高，需要一些品質精良的新設備才能滿足競賽的需要。學校對競賽活動給予了大力支持，增添了高檔數字示波器、頻譜儀，電子負載，大功率直流電源等十多種新設備。可以說學科競賽促進了實現室設備的更新，有助于實驗設備的現代化。這些更新的設備，在滿足競賽需求之余，還能夠滿足綜合性、設計性、創新性等現代化實驗教學、研究生培養、科學研究和適量的社會服務等多功能需要，推進了相應的教學科研工作。

實驗手段現代化

單以實際實驗為手段的設計過程一旦發生指標與設計不符，往往需要往復的推倒重來，耗費大量的時間進行裝置的制作，同時浪費大量的人力物力，無法滿足學科競賽的要求。為了減少重復制作，學科競賽中需要引進仿真技術，使學生在設計或實驗前充分利用現有的仿真軟件得到相應的仿真結果，做到心中有數，再進行相關實驗。仿真技術是依托于計算機技術發展起來的新技術，近年來取得了非常大的突破，可以實現十分逼真的模擬仿真，仿真結果與實際結果具有極高的吻合度。引入仿真技術，并將之推廣到日常實驗中去，使學生掌握仿真的能力，可以增強學生對專業知識的認知，提高學生專業能力。實驗室為此專門配備了電腦和實驗器材，購買了ORCAD10、PSIM等多款仿真軟件，鼓勵學生在實驗室中先仿真再實驗，取得了較好的教學效果。對實驗室來說，引入仿真技術，是引入了新的實驗手段，促進了實驗手段的現代化。

實驗管理現代化

學科競賽要求實驗室提供靈活的實踐時間，同時實驗場地和實踐內容的需求也有很大的不確定性，是典型的開放性實踐教學。為了保證實驗室常規實踐教學和科學研究的正常運行，必須建立以網絡信息平臺為基礎的智能化的計算機管理系統，促進實驗管理的現代化。

經過良好建設的實驗室逐步改變了單一作為實踐教學場地的功能，還可以承擔科學研究、設備研發、研究生培養、學生或外來人員的培訓等工作，使實驗室能夠跟蹤新技術的發展趨勢，教學與科研相結合，培養出高質量的學生。充分發揮能力，承擔更多社會責任，為社會的科技進步提供動力。

作為一種行而有效的實踐教學培養方式，學科競賽在對學生創新能力培養上具有普通實踐教學難以企及的優勢；能夠有力的促進實驗教師的自我提高，引領并形成獨特的工科教學思維方式；能夠全方位推動實驗室建設，賦予實驗室新的社會功能。北方工業大學綠色能源與電源實驗室在十余年的指導學生參加學科競賽過程中，初步形成了一套培訓體系，取得了較為豐碩的成果。（作者劉元超系北方工業大學試驗教師；張衛平系北方工業大學研究生部主任）