電氣類專業學生創新素質培養的實驗教學特征研究與實踐

王魯云, 謝印慶, 黃　超, 劉　婷, 于海霞, 許少娟, 李美花, 刁立強

(大連理工大學 城市學院， 遼寧 大連　116600)

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電氣類專業學生創新素質培養的實驗教學特征研究與實踐

王魯云, 謝印慶, 黃超, 劉婷, 于海霞, 許少娟, 李美花, 刁立強

(大連理工大學 城市學院， 遼寧 大連116600)

從如何適應社會對國內高校加強創新教育的要求出發,提出了在實施創新教育中應對創新素質的培養予以足夠的重視,并提出了創新素質培養是隱性教育的概念,以及在創新素質培養中需充分利用好實驗教學這一最為有效的平臺,分析了實驗教學中針對創新素質培養具有的若干基本特征,并介紹了一些將這些基本特征融入實驗課的內容、過程及考核等方面的典型教學設計案例。

創新素質培養; 實驗教學; 基本特性

隨著當前國民經濟的發展,國內許多高校不適應社會對人才培養要求的矛盾愈發凸顯,國家迫切需要高校培養的大學生具有良好的創新精神和創新能力,能夠承擔起我國從發展中國家走向發達國家賦予的重任[1-3]。國務院辦公廳2015年下發的36號文件中明確強調“大學教育要著重引導學生強化創新精神、培養創業意識、訓練創造能力,形成推動創新創業的良好氛圍”。國家整體上的創新能力能否得到提升,已成為我國實現民族偉大復興的關鍵所在。創新需求無處不在,創新工作不分高低大小,創新表現出的是進取的精神+積極的行動[4]。如果我們有相當數量的勞動者已經把創新當成自覺的行為習慣,參與到每一個行業、每一項工作、生活的每一個細節的創新實踐中來,必將引發我們民族素質發生質的變化,我國才能成為真正意義上的強國,也將標志人民的文明水平上升到了更高層次。正因如此,國內高校積極響應國家政策導向,把創新創業教育納入教學課程體系中,其目標是培養具有創新創業的意識、思維、能力及人格特征的高素質人才[5-6]。但不可否認的是“強化創新精神、訓練創造能力”,這是許多高等學校面臨的新課題。創新能力如何提升,已有的教學模式和思維方式應如何改革,才能適應這一新的重大命題,這需要我們在思想認識和實施方法上開展積極的研究和實踐,以加速這一目標的實現。

1　創新能力的提升需要依賴于創新素質培養層面體系的構建

創新的過程可分為“發現問題”和“解決問題”兩個主要方面。就個人而言,對應解決上述兩方面問題應該具備兩個自身的基本條件,即創新的精神和創新的能力。

創新精神是意識層面對創新的認識問題[7],它可以通過對創新活動一般規律的總結,幫助人們認識到創新對于自我價值實現的重要意義,通過對客觀事物之所以能夠發生變化所具有的內在一般規律的認識,建立起獲得創新成果可能性的信心,從而形成創新精神的覺醒和建立[8],形成創新人才人格特征必備之一部分。創新精神的建立可以幫助我們實現創新中“發現問題”這個第一過程的實現。

創新能力的提升是比創新精神培養更復雜、更持久、更面廣的教育問題。創新能力是對學生培養效果的宏觀評價,而不是教學內容的對象。在教學實施中需要把創新能力培養轉化為創新素質的培養,它需要把以往教學中講授的知識、方法以及管理和訓練等諸多方面問題全都納入到創新素質培養的高度內進行再考慮,用創新素質培養這把更嚴格的標尺來考量教學各個方面是否適應這個命題。

創新素質的培養是實現創新中“解決問題”這個最為困難的第二個過程所需的必要條件,由此可見創新素質培養的重要性。創新素質的培養,必須是嵌入在日常教學的每一個細節中,在有精心準備的日常基本教學過程中以“潤物細無聲”的形式發揮其作用,創新素質培養不是專門的教授[9],它絕不需要冠以“創新教育”而顯性存在,它是基于一般意義的教育基礎之上層次更高的不可直接表現出來的隱性教育。

2　注重創新素質培養在實踐教學中基本特征的研究

實踐教學環節是創新素質培養的主戰場。對于電氣類專業的學生來說,創新的對象主要是形形色色的電氣電子設備,創新能力的表現就是不斷地改進提升這些設備的性能和質量。學生需要在實際的設備和電路的接觸中,不斷地遇到問題、研究問題、找到理論依據、尋求解決辦法、設計實驗方案、評價解決效果。通過這樣一系列完整過程的不斷循環和升華,形成創新素質的培養和積累。可以說實踐性是創新性不可或缺的基本條件之一,實踐是創新之母,創新能力的提升,離不開創新素質的培養,而創新素質的培養,則離不開實踐教學的平臺。

注重電氣類專業學生在實驗教學環境下創新素質的培養、應該是重任務提出、重實驗能力和方法的培養[10]、重透過現象探究本質的精神的培養。在教學實踐中把它總結歸納為以下一些基本特性:

(1) 趣味性:興趣是最好的老師,培養學生熱愛實踐活動一定要從趣味性入手,盡可能把實驗過程設計得富有趣味性。

(2) 不求一致性:允許并鼓勵學生就學習中感興趣的問題,做一些其他實驗。同時,對實驗中出現的問題,重要的是看學生是否能對存在的問題提出一些自己的分析看法,找出一些解決問題的思路,這樣才能體現出實驗最本質的意義。

(3) 研究性:在實驗項目的設計上不是以完成某些實驗過程或得到實驗結果為目的[11],而是把實驗中會出現什么樣的問題事先拋出來,把本次實驗課變成一個研究性的實驗,讓學生研究怎樣通過本次實驗課來得到問題的答案。

(4) 本真性:保留一些非集成的、有“質樸”感的電路實驗,讓學生感受到某些功能電路最本質的東西,管窺到問題的核心,有利于抓住本質以小見大。

(5) 啟發性:在實驗教材中給出實驗任務的同時,更加重要的是對相關原理的充分介紹,目的是啟發學生學會運用基本原理解決實際問題,在實驗中對問題能有更深入、更本質的理解。

(6) 能動性:在一些實驗項目的操作過程上,不要都給學生鋪墊得很到位。在足夠的相關理論介紹的基礎上,主要提出實驗任務要求,縮略操作介紹,發揮學生的能動性,通過自己的思考,完成實驗方法的設計和實驗測試過程。

(7) 不滿足性:永不滿足是創新人的基本人格特征[12],在日常的實驗結果中就存在著許多不盡如人意的地方,啟發學生關注這些問題,研究問題的生成原因和解決之道,這本身就是創新,也是對創新素質的培養,在創新中學習創新，這是創新素質培養應遵循的基本規律之一。

(8) 推理性:在培養“解決問題”能力的環節上,離不開邏輯推理的思維訓練。利用實驗現象,培養學生善于運用邏輯推理的思維方法來取得成果。

(9) 學習性:牢牢把握“用理論引領實踐不斷深入,用實踐激發理論學習熱情[8]”的依存關系,不可單純地為了實踐而實踐,使實踐變成無源之水,激發了理論學習熱情,就是創新素質培養取得的最大收獲,兩者的辯證關系不可偏廢。

(10) 總結性:“編筐窩簍全在收口”,良好的總結是實驗成功的標志。避免實驗課 “虎頭蛇尾”,讓學生能夠直觀、簡潔、全面地總結出實驗現象和數據揭示的重要結論,是實驗教材編者需要高度重視的問題。

(11) 參與性:實驗實踐教學要隨著技術進步不斷更新,教師因工作繁忙往往顯得力不從心。一個很好的辦法就是教師放手發動學生,請參加各種競賽的學生參加到實驗課程建設的研討中來,學生具有了一定的競賽經驗,又是實驗課的親歷者,經過充分交流溝通,往往可以搞出很多很好的附加性實驗。學生參加這個活動本身就是一個很好的創新實踐。

3　典型實驗教學案例介紹

我們在電氣類專業實踐教學中,遵循學生創新素質培養的基本規律,在各門實驗課中努力向創新素質培養的需求靠近,不求華麗的形式,不好大喜功,但求正確的方向和學生得到有效的激勵,在實驗課的內容、過程及考核方法等方面不斷地改革和探索。以下是一些比較典型的案例介紹:

3.1數字電路實驗

因為數字電路對預修課程要求不高,所以我們將其調整到第一學期開課。一方面是為單片機早些開課,為培養學生應用能力做些鋪墊；另一方面就是要利用VHDL語言可以進行豐富的功能電路設計的特點,在實驗課中開展數字鐘、搶答器、電子琴、音樂播放器、密碼鎖、自動售貨機等10余種豐富多彩的應用設計,目的是讓學生盡快地感受到學習和實踐的快樂,擺脫大一、大二學習基礎理論的枯燥感,用興趣和實踐成果把學生吸引到學習中來。

為了降低學生學習VHDL語言的困難,我們采取“用”“學”分開,邊用邊學的教學辦法,先通過“用”讓學生看到數字電路的奇妙,然后再按照把程序按功能和概念分成若干個教學子模塊,一次實驗課講一塊或幾塊的辦法,化整為零、各個擊破。這種教學安排可以很好地體現出創新素質培養中應遵循的 “興趣性”之規律特征。

3.2模擬電路實驗

模擬電路實驗課是我們較早和較多的注意滲透創新素質培養的實驗課程之一,通過一些實驗內容和教學方法的設計,取得了較好的效果。如在做了觀察二極管開關特性的實驗后,立即介紹把一只二極管串聯在直流電源線中,用來防止電源極性接反造成燒壞設備的工程應用案例,讓學生分析此案例的優缺點,再進一步讓學生利用二極管設計在任意極性接法下,均可正確供電的極性保護電路。然后再讓學生分析改進后的電路還有什么缺點,接下來再提供繼電器,要求設計任意極性接法均可正常工作且無線路壓降的極性保護電路,并實測工作效果。通過這樣一類的實驗讓學生感受到創新無止境,創新的過程就是眼睛盯住問題并積極思考解決方法的過程。它體現了在實驗教學設計中創新素質培養的“不滿足性”的特征。

在基本共射極放大電路實驗中,當學生完成靜態工作點設計調試,觀察了放大波形后,讓學生分析被放大的波形有何缺陷,并依照放大器實現信號放大的機理過程,逐步地推論分析,是什么環節造成了“縮頂失真”問題,經過這樣一步步的推理,最終認識到造成縮頂失真的主要根源來自于PN結的非線性,這個過程體現了創新素質培養中“推理性”的特征。

對于分壓偏置共射極放大電路,幾乎所有的教材都不介紹在有射極旁路電容的情況下靜態工作點的設計方法必須要予以修正的問題。為此,我們在設計該電路的實驗中,首先在預習環節的實驗原理介紹中就明確說明在實驗中會發現該電路輸出信號的最大不失真幅度會變小,并讓學生研究產生這種現象的可能原因,以及思考應進行怎樣的實驗觀測、需要拿到那些關鍵數據來證明你對這一現象分析結論的正確性,進而得出設計該電路靜態工作點的修正方法。這個實驗依賴于“推理性”,但又高于推理性,它是在基于問題基礎上,對如何開展研究工作的綜合能力的培養,具有創新素質培養中“研究性”的特征。

3.3通信電子線路實驗

在通信電子線路實驗中,考慮到教學效率和實際電路調試中分布參數帶來的困難性,實驗項目都是利用仿真或實驗箱進行。由于考慮到創新素質培養中“本真性”的教學需求,在一些實驗項目中我們有意恢復了一些分立元件實驗。如調頻電路的實驗中,采用分立件進行調頻電路實驗。這樣的實驗電路從電路原理上看雖然簡陋,產生的調頻信號線性度有所下降,動態范圍也不夠寬。但是電路的每一個環節都是“透明的”,元件參數都是可調的,電路的狀態和參數都需要進行一番分析思考,都可進行人為調整,效果的真實性是可以切身感受的。當學生在走廊里用智能手機收聽到自己設計的調頻信號時,其喜悅和成就感是不言而喻的。

3.4射頻識別實驗

實驗過程中應避免只讓學生去“死”學知識或去學習“死”的知識。在以往的射頻識別實驗教學過程中,學生只是根據實驗指導書中實驗步驟,在實驗箱上插線、拔線、測量、計算,雖是完成了實驗內容,驗證了理論知識,但這樣把實驗模式化、一致化、過程化,把實驗做“死”了。根據創新素養培養“不求一致性”的基本特征要求,在射頻識別實驗教學改革過程中,重新編寫了實驗指導書,把總體目標從上往下層層分解,再從下往上層層設計。這個過程以啟發引導為主,而不去“定死”。以“125 kHz讀卡器”為例,先分析其需要哪些部分組成,把其分解成電源模塊、編解碼模塊、調制解調模塊、互感耦合天線模塊、放大電路、濾波電路、存儲模塊、控制器模塊、軟件模塊。學生2～3人自由組成一組,根據自己的基礎,從設計、選件、仿真、畫圖、布線、制板、直到實物調試,自由選擇在小組中要完成的任務,各取所長、相互學習,充分調動了學生的學習積極性。

3.5做好實驗課的總結

在一些實驗課程的講義中,我們對實驗課的總結形式進行了一些改革,具體講就是放棄寫大而全的總結報告形式,而是在講義的實驗數據記錄表格中增加一個數據分析和總結的欄目。將需要分析、計算、總結的問題以題目的形式按照內在的邏輯關系歸納出來,讓學生在其中直接給出答案。這樣做的好處是簡化了許多繁瑣的、重復性的工作,引導學生把精力直接用于需要關注的問題上來,能夠比較系統完整地一步步把實驗現象、數據和相關道理分析清楚,取得高質量的總結效果,這種形式體現了創新素質培養中“總結性”的特性要求。

3.6實驗教材中加大實驗課原理介紹

我們正不斷地在一些實驗課程中加大實驗原理介紹部分的編寫力度,其目的是要通過對實驗原理和相關理論的充分介紹置換出實驗過程與實驗步驟的介紹,抓住理論知識這個龍頭,讓學生盡可能多地發揮自我能動性,自行分析研究一些實驗開展的具體方法和操作,體現“用理論引領實踐不斷深入”的培養理念,克服學生只“機械”實驗、為實驗而實驗的消極行為,這種措施體現了創新素質培養中“啟發性”和“能動性”的特性要求。

4　結語

創新培養既不是為了針對優秀學生將來搞什么重大發明而進行的培養,也不是只有那些有創新潛能的學生才需要創新培養。必須要深刻地認識到在我國高等教育中倡導創新培養,更本質的意義是要徹底扭轉目前教育中的僵化、眼光僅僅盯著“知識”和考試的教育現狀,是要讓我們的教育更加具有科學性,讓我們的學生更加具有科學精神和科學素養。就創新能力培養來說,歸根到底是創新素質的培養,而創新素質的培養是運化于日常教學的每一個細節中隱形存在的,這就像我們期望得到酸甜的紅蘋果,卻不能每天把注意力放在青澀的小蘋果上,我們對它做不了任何直接的事情,我們需要做的就是每天施肥、澆水、殺蟲和讓它照射充分的陽光。因此我們在平常的教學中,尤其是在實踐教學中,要充分認識到創新素質培養的豐富內涵所在,不斷向各環節中融入創新培養的基本理念和教學要素。

沒有涓涓細水就沒有滔滔江河,不好大喜功,從一些細小的事情做起,離開了細節的宏大終歸是空中樓閣。注重保護學生的學習積極性,學生有了興趣和信心,就可以自發能動地做出很多讓你驚喜的事來,就說明你的教育是有成效的,反之則需要引起思考。那些沒有創新精神和創新素質的培育,而僅僅是知識“傳遞”的教育是可悲和無用的,這正是需要我們在教學細節中研究對策加以解決的重大課題。

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Research and practice of innovation quality education for electrical engineering major in experimental teaching

Wang Luyun,Xie Yinqing,Huang Chao,Liu Ting,Yu Haixia, Xu Shaojuan,Li Meihua,Diao Liqiang

(City Institute, Dalian University of Technology,Dalian 116600 ,China)

From how to adapt to the society to universities, it should strengthen the requirement of the innovation education, Enough attention should be paid to the cultivation of innovative quality in the implementation of innovative education, this article puts forward that the innovation quality cultivation is the concept of implicit education, and is should make full use of experimental teaching in the cultivation of innovative quality,Some basic characteristics of the cultivation of innovative quality in experimental teaching are analyzed,It also introduces some typical teaching design cases,such as the content,process and evaluation of these basic features into the experimental teaching.

innovation quality education； experimental teaching； basic characteristics

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.006

2016-01-25

遼寧省普通高等學校本科教育教學改革研究項目(UPRP20140750)

王魯云(1959—)，男，云南騰沖，學士，副教授，大連理工大學城市學院電子與自動化學院副院長，研究方向為教學管理和電子技術應用.

E-mail：wangluyun9@163.com

G642.0

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1002-4956(2016)7-0020-04