高等學校工程專業實驗教學的設計與實施

殷瑞祥, 呂念玲, 賴麗娟, 李 磊, 李 斌

(華南理工大學 電子與信息學院， 廣州 510640)

0 引 言

工程教育是我國高等教育的主要組成部分，2003年我國開始試行工程教育專業認證并于2016年6月正式加入國際工程教育認證組織——華盛頓協議[1]，確定了以學生能力成長為宗旨的工程教育目標，明晰了12項工程專業教育畢業達成指標[2-4]。實驗與實踐教學是工程教育中不可或缺的重要教育教學環節，新工科建設則對人才工程能力的培養提出了更高的要求[5]，因此，科學有效地實施實驗教學是保障工程專業人才培養畢業達成的一項關鍵任務。

然而，高校工程專業實驗教學的設計和實施與學生能力成長的關聯性和匹配性問題一直沒有得到很好的解決，主要表現在以下兩個方面。

(1) 實驗教學內容設置的科學性。一直以來，高校實驗教學基本是由經驗豐富的教師和工程師根據自身或他人的經驗來規劃設計，由于經驗的局限性，實際的教學效果存在諸多不確定性，對于學生能力成長的達成貢獻往往具有一定的模糊性，不能從根本上確保實驗教學內容的科學性。

(2) 實驗教學實施過程的有效性。實驗教學的目標是通過成熟內容訓練學生的能力，因此，實驗的過程比實驗的結果更加重要。但實驗教學中結果檢測往往比過程檢測容易，造成了現實教學中重結果輕過程的現狀，使得實驗教學常常走過場、效率低。

要解決高校工程專業實驗教學的科學性和有效性問題，首先必須明確實驗教學的內涵，以及實驗教學與工程專業人才培養目標達成之間的關系，找出實驗教學內容與目標內涵之間的關聯，科學地設計實驗內容，并在教學過程中切實地實施監控。

1 實驗教學的內涵

實驗教學是工程專業服務于人才培養的一個重要環節，形式上是一個整體、流水線和多階段的綜合教學過程，每個階段緊密相聯，因此，科學整體規劃是決定實驗教學效果的重要因素[6-9]。實驗教學規劃設計的前提是明確教學目標與學生能力成長需求的匹配，因此，以工程背景深厚的電子信息學科為研究對象，開展國內電子信息產業用人單位對人才能力需求和畢業生自身工作體會的調查，調查樣本結構見表1。

表1 調查樣本結構表

在2006年的調查中，我們通過對電子信息產業相關企事業單位發放“用人單位對畢業生能力內涵指標調查表”和對畢業5年以上仍工作在技術一線的畢業生發放“學校實驗教學中能力內涵調查表”的方式展開信息收集，對收集到的反饋信息，會同產業界的企業家和工程師進行深入研討，分解出實驗教學的10項目標內涵。在此基礎上，進一步就10項目標內涵對處理復雜工程問題能力的貢獻率問題，發放實驗教學目標內涵指標對處理復雜工程問題的貢獻率調查表，經過數據歸納和統計得出各項內涵對學生畢業后5年處理復雜工程問題能力的貢獻率，如圖1所示。

圖1 實驗內涵對5年后處理復雜工程問題能力的

2 實驗教學與畢業達成的映射

實際教學過程中，實驗教學是由各個實驗課程承擔，而每門課程又有多個實驗項目，為了將能力需求與實際實驗教學相對應，并最終以此作為指導進行實驗教學設計，基于實驗教學內涵分解，建立各項內涵與畢業達成目標的關聯網絡結構，構造了實驗課程與畢業達成之間的網絡映射模型，基于神經網絡模型的反向傳播和調整原理，在多次閉環調整后，可趨近于模型參數的最佳調整結果[10]。模型結構如圖2所示。根據圖2，該網絡映射模型建立了各門實驗課程在工程專業人才培養過程中與畢業達成目標之間的量化聯系，為工程專業人才培養的質量認證提供支撐。

3 工程專業實驗教學內容的量化設計模型[11-12]

在完成實驗教學內涵指標與學生能力成長的12項畢業達成指標之間的映射基礎上，進一步對實驗課程中各實驗項目內容進行了量化建模，并構造量化設計模型，主要過程如下：① 根據實驗課程學時安排，定義了3類(層次)實驗項目。② 從教學目標出發，對每個實驗項目的教學內涵給出預期要求。③ 利用能力貢獻率Rn%和教學內涵預期要求，建立實驗項目類別的量化模型。④ 結合實驗項目層次權重，建立實驗課程性質(類別)的量化模型。

以“模擬電子技術實驗”為例，各個實驗項目設計的具體過程如下：

(1) 根據培養方案，確定課程定位和實驗項目預分類。模擬電子技術實驗課在信息工程和電子科學與技術專業培養方案中均屬于核心實驗課程，課程定位系數W為2；培養方案要求20學時，擬設置5個實驗項目，根據實驗課程學時安排的不同，將這5個實驗項目進行預分類(類別以P代表)，包括基礎實驗、設計實驗和綜合實驗，分別對應1,2及3的權重值。

圖2 實驗課程、內涵與畢業達成目標的網絡映射模型

(2) 建立實驗內涵與實驗層次分析表，設置實驗項目與各內涵的關聯度。將5個實驗項目的預分類類別標注在表2最后1列。再根據教學目標，對各實驗項目制定預期的10項內涵分解系數knj，如表中陰影部分各行所示，每個實驗項目的內涵分解系數和為100%。

表2 《模擬電子技術實驗》實驗內涵分解與實驗類別分析表(kij%)

(3) 確定實驗項目性質。針對各實驗項目制定預期的10項內涵分解系數knj，結合實驗內涵對學生能力成長貢獻率Rn，確定各實驗項目類別權重系數(基本實驗權重為1，設計性實驗權重為2，綜合性實驗權重為3)：

(1)

j=1，2，…，N

式中，N為實驗項目數。

以基本放大電路實驗項目為例，其權重系數計算如下：

所以P1=1，依次算出權重系數：

實際計算出的5個實驗項目類別權重值Pj與預分類定位一致，表明該實驗項目制定的預期內涵分解系數knj設置滿足教學目標的要求。

(4) 確定實驗課程性質。在確定了各實驗項目類別后，利用實驗項目類別權重系數，統計整門實驗課程在10個實驗內涵的分解系數：

(2)

n=1,2,…，10

以K1的計算過程為例

依次算出的K2～K10見表2課程綜合統計的最末1行。

最后，根據表2最末1行的統計數據，確定實驗課程的定位系數(基礎實驗課程W=1，核心實驗課程W=2，關鍵實驗課程W=3)：

(3)

本例中

對照式(3)確定課程定位系數W=2，與培養計劃要求的課程定位相一致。

當課程定位系數不符合培養方案的要求時，說明實驗項目預期設置不合理，應根據要求的系數范圍，利用反向調整并修改實驗項目設計，最終匹配培養方案對實驗課程的定位要求。

(5) 內容載體的選擇和實驗方案設計。在確定預期的實驗內涵分解系數knj滿足教學目標，確定實驗課程性質滿足教學計劃的基礎上，結合理論課教學，選擇與實驗內涵C1～C1010項指標相匹配的實驗內容載體并制定實驗方案，落實實驗教學過程中的各項觀測點。圖3以模擬電子技術單元實驗—兩級放大電路設計實驗項目為例，列舉該實驗內容和實驗方案與實驗內涵指標的具體對應關系。

綜上所述，實驗課程的設計過程包括了：設定實驗課程的預設目標；分解各實驗項目的設定；將目標量化落實到具體的內涵；利用量化模型，檢驗實驗內容設計的合理性，形成閉環修改的設計流程，如圖4所示。

圖3 實驗內容和實驗方案與實驗內涵的對應關系舉例

圖4 實驗設計的閉環設計流程

4 實驗教學的過程控制[13-15]

(1) 將一次考試方式轉化為實驗項目考評。將實驗課程一次考試分解為多項目全過程全面評價，細化了教學過程，使每個實驗項目具備明確的評價標準，提高整體的教學效果。

(2) 按各實驗項目設計的預期內涵目標制定考核評價標準，注重過程考評。根據實驗項目的設計，制定基于內涵指標的考核評價體系，對每項實驗實行全過程評價考核。表3給出“模擬電子技術實驗”兩級放大電路項目的評價內容與觀測點。

(3) 利用實驗在線共享平臺，嚴控實驗預習與過程認證兩個關鍵環節，有效解決實驗過程管理中身份認證和能力認證的難題。開發了電類實驗室電源智能管理系統，通過實驗臺工作啟動與預習達標的方式推動學生做好課前預習，從源頭上保證實驗的教學質量；同時結合互聯網技術，研制了“實驗在線共享平臺”，該平臺具備學生刷臉登陸、實驗現場關鍵實驗數據上傳、錯誤提醒、實驗成績自動評價、學情信息統計分析以及學生個性實驗方案定制等功能；并且還具備對實驗教學實施狀態的數據采集功能，通過大數據分析技術，實現了動態反饋調整機制，從而保證實驗教學的持續改進。

表3 兩級放大電路設計實驗項目評價表

5 結 語

以教學目標與學生能力成長需求的匹配為導向，在實驗教學的內涵分解基礎上提出了一套實驗教學內容的閉環量化設計方法，從2010年在“電路實驗”課等實驗課程中開展了教學改革的試行，共347名學生參與改革的實驗課；至2014年，對全部32門專業基礎及專業實驗課完成實驗設計，先后8屆4500多名本科學生參與了改革的實驗教學。教學改革成果表明，該教學改革方法使得學生參與實驗學習的興趣得到提高，激發了學生參與實驗的積極性，實踐能力得到顯著提升，實驗教學效果明顯改善；且對其他工程專業實驗教學有著較好的可移植性，具有較好的參考價值。