基于“開放互助”的基礎課實驗教學模式研究與實踐

郝國成， 王廣君， 王 巍

(1. 中國地質大學(武漢) 機電學院， 湖北 武漢 430074；2. 中國地質大學(武漢) 自動化學院， 湖北 武漢 430074)

基于“開放互助”的基礎課實驗教學模式研究與實踐

郝國成1， 王廣君2， 王 巍1

(1. 中國地質大學(武漢) 機電學院， 湖北 武漢 430074；2. 中國地質大學(武漢) 自動化學院， 湖北 武漢 430074)

針對目前通信電子類專業基礎課實驗教學存在的“學時壓縮”“填灌模式”和“內容固化”等問題，引入“開放”和“互助”實驗教學思想和措施。“開放”是給學生提供基于興趣、時間和資源的自由選擇，“互助”是獲取教輔人員的“軟技能”無障礙傳授。通過通信專業基礎實驗教學實踐證明，在實驗教學過程中，采用“開放互助”基礎課實驗教學模式改革，學生的實踐動手能力得到顯著提高，學生對專業的認知和興趣有了較大程度的提升。

基礎課實驗教學模式； 通信電子類專業； 開放互助

基礎課實驗教學是高校通信電子類專業非常重要的實踐環節，無論實驗大綱的設置、實驗內容的選取，還是具體的組織過程，都需要任課教師仔細斟酌和精心實施[1]。學生通過動手操作訓練，把書本中原本黑白的、靜態的、抽象的孤立知識點，通過計算機仿真和實驗儀器轉換為多彩的、動態的、形象的各種電路圖和波形，既可以學習基本的儀器操作，又串聯了書本的知識點，加深了對于本專業內容體系的理解，促進學生對專業基礎知識的轉化吸收[2]。目前通信電子類專業的基礎課實驗教學存在3個方面的問題：一是“學時壓縮”，把時間的選擇權交給學生的同時沒有提供可選的內容；二是“填灌模式”，學生按部就班“整齊劃一”，沒有充分考慮學生的學力差異；三是“內容固化”，選題單一、訓練不足，無法達到啟發思維、激活興趣的目的。本文提出“開放互助”的實驗模式，通過“開放”和“互助”措施，提高通信電子類專業學生的動手操作技能，嘗試解決由于“學時壓縮”及“填灌模式”所帶來的實驗訓練不足的問題。“開放”的實驗教學可以給學生提供基于興趣、時間和資源上的自由選擇，“互助”的模式可以有效地提高實驗過程中的“最大化收益”。教輔人員的 “軟技能”無障礙傳授是目前實驗教學環節中比較容易忽視的，而學生自選的“互助”模式可在一定程度上解決這個問題。

1 國內基礎課實驗教學現狀

國內高校在依托各自實驗中心的基礎上，分別采用了多種模式，強調基礎的同時意識到創新能力培養的重要性[3]。電子科技大學電子技術實驗中心實行 “理論基礎+工程訓練”，其核心理念是“知識能力、素質”并重，強調基礎課實驗的重要性，有意識地拓寬綜合性實驗的廣域開拓性培養。華中科技大學電工基礎實驗教學中心，采用教師指導為輔、學生“自學+自研”的基礎課實驗模式，讓學生盡可能獨立地、主動地完成實驗教學內容[4]。中山大學實驗中心突出學生是自我訓練的核心，設置2～3人為一組來完成實驗的整個流程，教師以講座形式加以輔導。由此可見，國內高校重視基礎課實驗的組織與實施，秉承入門級實驗夯實基礎、綜合性實驗提升能力、創新性實驗開拓思維的主流理念。

但國內高校目前普遍存在一些困擾問題，例如課程學時的壓縮、固化的實驗內容、對學生缺少貼近的言傳身教等，對于剛剛接觸專業基礎課的學生而言，很難通過套路化的實驗課來理解和消化課本知識。

2 國外基礎課實驗教學模式

2.1 美國麻省理工學院(MIT)課程實驗模式

國外優秀高校非常重視基礎課程的實驗教學,無論從課程設置、學時安排、實驗室開放的時間、指導人員、評分模式、題目選擇等都精心設計。注重基礎，兼顧提高。以美國MIT為例，其“電路與電子學”課程的實驗教學模式值得借鑒[5]，如圖1所示。

圖1 麻省理工學院“電路與電子學”實驗模式

(1) 實驗內容。共4次實驗, 3個基礎實驗加1個綜合實驗，可在學期內間隔完成。

(2) 實驗組織形式。開放實驗，實驗時間學生可以自由安排。實驗室有償提供基礎元器件和簡單實驗工具，學生可選擇購買或找高年級學生借用。

(3) 助教輔導。實驗室確保每天下午都有教學助理TA(teaching assistant)或者實驗助理LA (lab assistant)在實驗室輔導實驗。

(4) 實驗步驟。分預習、現場實驗數據記錄、實驗數據整理與分析3個部分進行并評分。

(5) 實驗評分。4個等級3 分制(3，2，1，0)。

(6) 實驗成績的作用。如果有未完成的實驗或實驗結果不合格，則該門課程不通過。

2.2 MIT基礎實驗模式的討論

MIT對于基礎實驗的安排較為細致，基礎與提高并重。如圖1所示，開放的組織形式可使學生進行充分的準備，能夠主動地安排好時間。實驗內容既注重基礎，也兼顧綜合。每天下午都有TA或者LA來指導，能夠及時地處理實驗學生的各種突發性問題和困惑。3分制的成績評定也值得借鑒。該模式的優勢在于充分利用多種人力資源，比如研究生和高年級本科生，既可使高年級本科生溫故而知新，也可在一定程度上成為低年級的榜樣。面對面的交流，強化了實驗效果，可以提升學生的學習動力。MIT基礎實驗課的“開放”和“互助”模式可以最大限度地提高學生的參與度，并且可以最大限度地發揮各種有效資源的利用，提高學生動手實驗的效果。

該模式依然存在2方面的問題：

(1) 實驗過程中缺乏模擬仿真的參與。實驗學生可以攜帶筆記本電腦，現場采用電路仿真軟件(如Multisim)進行對比分析，尋找實驗過程中誤差出現的原因，便于改進，加強對比分析和研究。

(2) 實驗教師與任課教師剝離。二者合二為一可更有效地促進教師了解學生對課堂內容的掌握程度，及時調整課程進度和采取針對性的輔導。

由上述分析可以看出，國內外高校在基礎課實驗教學中，普遍存在一些問題，如“課程學時減少”“實驗內容固化”“缺少模擬仿真”“指導教師參與不夠”和“忽略學生需求”等。本文采用“開放互助”的實驗改革模式來嘗試解決這些問題。

3 “開放互助”實驗模式的設計

3.1 重在基礎，著眼創新

“創新是一個民族進步的靈魂, 是國家前進永不衰竭的動力”[6]，而創新的源泉除了獨立豐富的思維，更扎根于牢固厚實的根基。高等教育新形勢下，對基礎課實驗教學的認識也逐步更新和完善。我國最新的基礎教育課程標準提出了素質教育的課程理念：“三維教學目標”,即“知識與技能”“過程與方法”“情感、態度與價值觀”[7]。高校基礎課教學，既要注重基礎，又需兼顧綜合，同時引入創新，盡可能地培養學生優秀的專業素質和激發學生探索未知世界的興趣與潛能。

3.2 明確目標，強化責任

基礎課實驗教學的根本目標是培養學生的實驗能力、基本實驗儀器操作能力和培養創新思維。通過開展有效的基礎課實驗教學模式，循序漸進地培養學生過硬的基本功，“熟能生巧”，促進“創新”靈感和“原創”意識植入學生思維，實現育人的根本，達到教育的本源。教師需要充分認識實驗教學的重要性，將實驗教學與課堂教學擺在同等重要位置，增強責任和使命感，不應付了事，也不故步自封、因循守舊，能緊扣實驗課程的培養目標，加強基礎訓練、增加自主環節，扎扎實實地打好實驗基礎[8-9]。

3.3 “開放”視域，自由選擇

當前的教育環境發生了較大的變化，對學生的培養教育也面臨新的挑戰。面對的選擇與誘惑太多，造成學生精力分散、注意力不集中。可采取增加課程吸引力、設置好實驗的演示，而教學PPT需要豐富多彩及能更多地結合學生的體會。

(1) 時間的自由選擇。選修課程與實驗課沖突，學生難以兼顧。在提倡素質教育的當前，學生需要完成相當數量的輔修課學分才能達到畢業要求，因此幾乎每次實驗都有近乎1/3的學生時間有沖突。針對這一問題，采用“開放”的實驗是非常必要的選擇，公布實驗地點、實驗題目、實驗器件、實驗儀器等，由學生根據自身興趣和時間安排進行選擇。

(2) 題目的自由選擇。目前的實驗模式存在題目單一且內容固化的問題。教師需要細致考慮課程特點，對現有的實驗教學內容進行改革，通過研究提出新模式下的實驗流程，針對傳統模式中存在過多的演示性、驗證性、單一性的題目進行優化，設計開發出基礎性、啟發性和創新性漸進的實驗，增多應用性較強的實驗項目。也可將傳統的實驗項目進行篩選和優化，將本科基礎電子實驗劃分成驗證性、綜合性、設計性及研究性4個不同層次的實驗項目類型，循序漸進地培養學生的科學研究能力，挖掘其探索精神。

(3) 學力差異的錯峰選擇。在實驗教學開展過程中，學生的學習能力或學習進度存在較大差異，注意將題目分門別類，給學生提供選擇性多樣的實驗題目，兼顧基礎與提高、驗證與設計并存。鼓勵學習能力強的學生選擇更具挑戰性的題目，充分發揮能力裕度；鼓勵學生創新實驗內容，促進學生能力的深度挖掘。

3.4 “互助”共贏，深度培養

圖2為“開放互助”實驗模式的實施框圖，重點在于“開放”和“互助”。

圖2 “開放互助”的實驗教學模式

“開放”較容易，更多地涉及“硬環境”，學生根據實驗內容和自身的課程安排，合理地安排時間，做好預習準備和實驗具體操作。而“互助”則相對困難，需要從幾個方面考慮。

(1) 嚴格挑選“助教”，把關“互助”能力。“助教”的質量決定了輔導的效果。選擇助教時注重動手能力和責任心，主要從硬件方向的研究生和高年級本科生中挑選，著重考慮有過全國大學生電子設計大賽經歷的學生。作為同齡人的低年級學生，與這些年齡相近的“助教”更易打成一片，減少由于年齡差距帶來的交流隔閡，能更好地促成“軟技能”的無障礙傳授。“互助”的含義還包括參加實驗的學生之間的互相幫助和啟發，鼓勵相同題目的學生以PPT匯報的方式進行實驗過程與心得體會交流。

(2) 組建專題小組，開展團隊培訓。需要對參與輔導的人員進行集中培訓，講解實驗內容、步驟、實驗儀器、元器件特點、電路搭建過程等細節，同時要強調實驗過程中的注意事項以及安全問題等。對于本專業的研究生、高年級本科生、參加過全國大學生電子設計競賽的學生，鼓勵他們將個人的經驗無私地傳教給學弟學妹，有意識地帶動他們成長。教師在前期開展硬件、軟件技能集中培訓的時候，同時組建輔導人員的系列專題小組，以培養具有傳承性質的學生興趣團隊，在實驗中以團隊的形式指導實驗。

(3) 教師全程參與，評教指導結合。指導教師須全程參與整個實驗教學過程，以便掌握現場第一手資料，及時應對各種突發問題。這些問題不僅指學生實驗或“互助”指導環節，還有可能源自實驗室的保障，如電力、儀器損壞、元器件燒毀、實驗箱故障等。同時，在實驗過程中，教師不僅只是驗收評分，需要更多地細致講解和耐心引導，啟發學生不局限于完成即可，而是盡量去思考問題解決背后的原因或原理。

3.5 硬件實現與軟件仿真結合

在實驗教學過程中，要求學生預先使用軟件進行仿真，進入實驗室搭建電路前做到心中有數。同時，引入計算機電路軟件進行輔助設計和分析，也為后續專業課程和一些實習打好基礎，做好準備。常用軟件包括Altium Designer、OrCAD和Multisim等。目的是培養學生將電腦仿真、科學分析和實驗室現場操作融于一體的動手實踐模式，避免盲目實驗和成功靠運氣的僥幸心理，有利于端正學生參與實踐訓練的態度。

3.6 設置有效評分模式

實驗總評成績采用百分制，由3個權值累加構成：教師驗收成績50%，“助教”輔導成績30%，實驗報告10%，結題驗收PPT匯報成績10%。由相同題目的其他學生打分。在實驗過程中，鼓勵學生及時地對比、分析仿真結果和實驗結果，在分析過程中發現問題，探討異常出現的可能原因，并制訂可行的解決方案，完善實驗。實驗結果首先自評，然后“助教”打分，最后指導教師驗收。實驗成績出來后，學生若對成績不滿意，可以補做一次實驗，若有較大改進或指標顯著提高，則可更改一次成績，最后以高分的實驗成績為準。

3.7 及時總結和反饋

實驗教學過程中和實驗結束后，指導教師要根據輔導研究生、高年級本科生和參加實驗學生的反饋，及時地總結。總結內容包括題目的難度是否合適、實驗方案是否達到了實驗目的、元器件是否充分且能達到測試指標、實驗結果與仿真結果的誤差是否在合理區間、學生的疑惑與所提的問題是孤立的還是大面積的、課堂教學的相關知識點學生是否已經掌握、有哪些學生提出了不同的方案、存在困難的學生是哪些、完成實驗的學生占比是多少等。指導教師通過收集問題反饋，靈活調整后續實驗的有效開展以及決定是否有必要在課堂教學中有針對性地對某些問題加以詳細講解。

4 基于“開放互助”模式的課程實踐

4.1 課程特點

該實驗模式在我校通信專業本科基礎課程“電路分析”教學過程中實施。“電路分析”所涵蓋的內容較廣，既有較容易理解的基礎部分，也有難度較大的“一階電路”“二階電路”“阻抗和導納”“正弦穩態”“耦合電感和理想變壓器”等內容。實驗內容須具有多樣性的特點，既有簡單的經典定理驗證性內容，也有復雜電路模型的求解設計內容；既有根據指標要求自行設計電路的提高部分，也有根據功能需求設計原理框圖、選擇元件及獨立搭建電路的發揮部分。內容多、題目多，要求也不同，授課對象為大一學生，多數學生的專業基礎非常薄弱。

4.2 實施效果

針對“電路分析”課程特點，采用基于“開放互助”的實驗教學模式。教師除了課堂內外的細致講解，還增加了學長的幫扶和經驗傳授，實行由易到難、循序漸進的策略。鼓勵學生之間討論、方案論證、相互幫助與大膽質疑，秉承“開放”的心態和“互助”的精神，由“學會”到“學透”。

在實驗開展過程中，“互助”團隊的輔導起到了預期效果。進行實驗的低年級學生對學長或學姐，敢于提問，可以無阻礙地進行交流和學習，大大提高了效率，學生的收獲大。而參與指導的高年級學長坦言，這樣的臨場發揮絕不是已掌握知識點的無效重復，更多的是獲得了“舊”知識的新感悟。有些學生“猝不及防”的提問，使原本沒有考慮過的問題暴露了出來，激發了思考和興趣，促進了對實驗內容及對應知識點的再理解，增加了對知識體系的融會貫通和更深的認識，堪稱雙向的“指導”，彼此的收獲都被放大。

該實驗模式經過幾屆學生的實踐，效果較為理想，達到了預期，提高學生對課程知識內容掌握的同時，大幅度減少了懶、抄、混等不良現象。絕大部分學生能夠針對自身的時間、精力安排，選取難度適合、覆蓋必修內容要求的題目，完成度達到課程考核要求。有部分優秀的學生在完成課內要求的內容后，自行改進實驗方案，采用獨立新穎的實驗電路，提高了性能指標。更有部分學生表現出了濃厚的專業興趣，自行組建團隊，積極要求參加教師的科研課題。

4.3 重視3個實施環節

開展“開放”和“互助”的實驗模式過程中，需要遵循科學性、可行性、先進性、整體優化的指導原則，合理設置通信電子類專業基礎課實驗教學模式，切實根據自身條件和資源，設計科學的、符合自己特色的方法和方案，培養學生嚴謹的科學思維和獨立的創新精神，提高學生實踐能力和綜合素質，促進學生早日成為學業精專且有思辨能力的獨立個體[10]。該模式需要重視3個實施環節。

(1) 實驗的組織要充分。采用面向學生的開放實驗平臺模式，做好實驗室管理、器材保障、網絡提前預約、題目預先公布等一系列無縫鏈接。

(2) 實驗的分類要明確。從基本的驗證性認知實驗到高層次的設計、研究性實驗，留給各層次的學生必要的選擇余地，激發部分優秀拔尖且學有余力的學生進一步鉆研的興奮點。

(3) 實驗的過程要嚴謹。修訂或選用有針對性的實驗教材，設計新穎有吸引力的實驗內容或電子課件，引入對內容熟悉的“互助”人力資源，制定有效的評分制度，提高實驗的成效，使學生獲得最大的教學內容的理解和動手能力的培養。同時，利用好電路設計軟件進行預先的仿真和科學分析，是完成好實驗內容和加深知識點理解的有效方式。

5 結語

基于“開放互助”的基礎課實驗教學模式亦可推廣至其他課程。該模式可有效地促進學生主動思考問題，增加了與教師、學長的探討機會，客觀上也能夠幫助學生的性格培養，克服部分大學生不善表達和交流的缺點，萌發平等探討科研問題的嫩芽。因而，對學生而言，它不僅可以幫助他們加深領悟理論知識、熟練實驗環節、提高硬件或程序的設計能力等。更重要的是，通過“開放”與“互助”，可以在一定程度上緩解由于課程學時的減少所帶來的對教學內容的理解不充分，通過主動的選擇達到多層面弱化被動填灌式僵化思維的禁錮，有利于培養具有高端思維素養的創新型人才，達到高等教育培養學生的目標。

References)

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[10] 蘇中,曹榮敏,吳迎年.創建真實工程實踐環境 培養創新實踐卓越人才[J].實驗技術與管理,2013,30(4):4-8.

Research and practice on experimental teaching mode of basic courses based on “Openness and mutual-assistance”

Hao Guocheng1， Wang Guangjun2， Wang Wei1

(1. Faculty of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences, Wuhan 430074,China；2. Experimental Teaching Center of Information Technology, China University of Geosciences, Wuhan 430074,China)

In order to solve the problems of “Class hour compression,” “Filling pattern” and “Content solidification,” the teaching ideas and measures of “Openness” and “Mutual-assistance” are introduced in the experimental teaching of basic courses of communication and electronic specialty. “Openness” is to provide the free choices for students based on interest, time and resources. “Mutual-assistance” is to obtain “Soft skills” by barrier-free teaching from teaching staff. By adopting the reform of “Openness and Mutual-assistance” basic course experimental teaching mode, the students’ basic experimental practical ability, subject interest and innovative thinking can be significantly improved.

experimental teaching mode of basic courses; communication and electronics majors; openness and mutual-assistance

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.047

2016-12-22

中國博士后科學基金資助項目(2015M582293)；中國地質大學(武漢)教學改革項目 (2016B10)

郝國成(1975—)，男，山東冠縣，博士，講師，碩士生導師，現為美國杜克大學訪問學者，研究方向為信號處理和時頻分析.

E-mail：haogch@cug.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2017)06-0187-04