新工科貫通式實(shí)踐教學(xué)方法探究

曹磊 張亞楠 荊娟娟 顏少波

摘 ?要：在新工科背景下，針對(duì)如何培養(yǎng)適應(yīng)新形勢(shì)的工程技術(shù)人才，本研究提出了貫通式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的新理念。學(xué)生通過(guò)貫穿不同學(xué)習(xí)階段的設(shè)計(jì)產(chǎn)品為載體，接觸其他學(xué)科的專業(yè)知識(shí)并實(shí)現(xiàn)融合。以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為動(dòng)力，學(xué)生轉(zhuǎn)換角色成為學(xué)習(xí)的主角，由被動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)向主動(dòng)思考、主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的新方式轉(zhuǎn)變。本研究以此為主線，闡述了貫通式實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)計(jì)、實(shí)施方法、教學(xué)效果、教材建設(shè)與考核方法以及與其他教學(xué)環(huán)節(jié)的關(guān)系等。

關(guān)鍵詞：新工科;貫通式;創(chuàng)新實(shí)踐;實(shí)踐教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：曹磊，河南科技大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心主任，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理;張亞楠，荊娟娟，顏少波，河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院。（河南 洛陽(yáng) 471000）

基金項(xiàng)目：本文系河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（項(xiàng)目號(hào)：19A510001）和河南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開發(fā)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：SY1718021）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1671-0568（2019）15-0042-03

當(dāng)前，國(guó)家為推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“中國(guó)制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。該趨勢(shì)對(duì)科技人才提出了更高要求，迫切需要高等學(xué)校加快工程教育的改革創(chuàng)新。面對(duì)這種趨勢(shì)，諸多高校從不同角度對(duì)如何培養(yǎng)學(xué)科交叉融合、新工科環(huán)境下的工程技術(shù)人才進(jìn)行了探索。本研究通過(guò)分析新工科的內(nèi)涵、特征、規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程教育改革的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，提出改革創(chuàng)新的理念和思路。

一、國(guó)內(nèi)知名高校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革情況?

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電類專業(yè)重要的基礎(chǔ)平臺(tái)課之一，國(guó)內(nèi)幾所知名高校的教學(xué)改革具有典型的示范作用。清華大學(xué)開設(shè)針對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，采用綜合論文的方式培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，通過(guò)4個(gè)層次的課程教學(xué)促使學(xué)生開展創(chuàng)新。[1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)構(gòu)建了以技術(shù)基礎(chǔ)、科技創(chuàng)新、專業(yè)實(shí)驗(yàn)3個(gè)并列子平臺(tái)組成的教學(xué)體系，采取“分時(shí)”共享實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)資源[2]。華中科技大學(xué)構(gòu)建了責(zé)、權(quán)、利統(tǒng)一的課外科技創(chuàng)新教育管理機(jī)制，制定循序漸進(jìn)的課外科技創(chuàng)新教育培養(yǎng)方案，實(shí)施全方位的課外科技創(chuàng)新教育實(shí)踐。[3]吉林大學(xué)提出了基于“主題實(shí)驗(yàn)”的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新模式并取得了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。[4]

河南科技大學(xué)從2014年開始對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革和探索，經(jīng)過(guò)多年的努力與積累，在不斷總結(jié)與完善的基礎(chǔ)上，形成了“貫通式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的新理念。

二、貫通式實(shí)踐教學(xué)改革

秉承“以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)”的指導(dǎo)思想，明確未來(lái)工程人才的能力體系。構(gòu)建面向“新工科”的實(shí)踐教學(xué)新理念、新模式、新方法，實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)。工程教育的目標(biāo)是培養(yǎng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工程技術(shù)人才，而產(chǎn)品本身就是多個(gè)學(xué)科交叉融合的成果，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程，則能滿足上述多種能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)需要。

基于此，河南科技大學(xué)建立了圍繞產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制作為主線的貫通式實(shí)踐教學(xué)模式，在教學(xué)中進(jìn)行了探索與嘗試。

1.設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題。在第三學(xué)期開始，學(xué)業(yè)導(dǎo)師給學(xué)生提出問(wèn)題：一是你為什么選擇這個(gè)專業(yè)，與這個(gè)專業(yè)相關(guān)的哪些成果吸引了你;二是你在大學(xué)期間，完成一個(gè)什么樣的產(chǎn)品，就能認(rèn)為專業(yè)學(xué)習(xí)是成功的。

學(xué)生經(jīng)過(guò)慎重思考，提出想做的產(chǎn)品，如無(wú)人飛行器、潛艇模型、無(wú)人駕駛汽車、功能機(jī)器人，還有人想做智能設(shè)備的大腦，設(shè)計(jì)控制芯片等。部分沒(méi)有想法的學(xué)生，由老師提供選題。然后把全校選題相近的學(xué)生組織到一起進(jìn)行深入的討論，再由目標(biāo)最接近的3-5名學(xué)生自由組成項(xiàng)目學(xué)習(xí)小組，項(xiàng)目小組可以由不同專業(yè)的學(xué)生組成。如2014級(jí)電氣工程專業(yè)和機(jī)械制造專業(yè)都有選擇無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的學(xué)生，其中，電氣專業(yè)23人，機(jī)械制造專業(yè)14人，經(jīng)學(xué)生充分交流和專業(yè)分屬的兩個(gè)學(xué)院協(xié)調(diào)，將學(xué)生混編分成8個(gè)組，每組4-5人不等，每個(gè)組都有兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生。兩個(gè)學(xué)院各安排2個(gè)指導(dǎo)老師。每個(gè)老師指導(dǎo)2組學(xué)生，兩個(gè)專業(yè)的指導(dǎo)老師分別負(fù)責(zé)全體項(xiàng)目小組本專業(yè)學(xué)生的學(xué)業(yè)規(guī)劃和督促指導(dǎo)。

2.設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施。學(xué)生在設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題完成后，圍繞設(shè)計(jì)題目開展學(xué)習(xí)。除了正常的課程外，課余時(shí)間通過(guò)分工合作，借助圖書館、網(wǎng)絡(luò)等渠道，查找學(xué)習(xí)與產(chǎn)品相關(guān)的技術(shù)資料。課堂上，學(xué)生帶著在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的疑問(wèn)聽(tīng)課，學(xué)習(xí)變得積極主動(dòng)。學(xué)習(xí)有了方向，在選擇選修課時(shí)也有了目標(biāo)。

老師首先引導(dǎo)學(xué)生制定設(shè)計(jì)規(guī)劃，明確每個(gè)學(xué)期要做到哪一步，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)哪些功能等。以無(wú)人機(jī)項(xiàng)目為例，第三學(xué)期做整體規(guī)劃和方案設(shè)計(jì)，查閱相關(guān)案例，選擇最優(yōu)的方案;第四學(xué)期做框架，完成電機(jī)、控制模塊等的定制或選型;第五學(xué)期完成裝配、編程和試飛。完成后，產(chǎn)品可以再增加一些功能，如空中懸停、負(fù)重等，未完成的同學(xué)可以通過(guò)項(xiàng)目組商議是否對(duì)目標(biāo)或方向做出調(diào)整;第六學(xué)期完善和細(xì)化基本功能，調(diào)試機(jī)械手的抓取和釋放功能;第七學(xué)期增加攝像頭，調(diào)試控制攝像功能。有可能的話還可以增加識(shí)別系統(tǒng)，聯(lián)機(jī)控制機(jī)械手。不同小組根據(jù)自己的情況來(lái)調(diào)整進(jìn)度，設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程由老師做跟蹤與督導(dǎo)。

進(jìn)入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作階段，學(xué)院為每個(gè)項(xiàng)目小組安排固定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)位，配備直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、示波器等基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通用的元器件如電阻、電容、晶體管、集成運(yùn)放等器材由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一供應(yīng)，特殊器件和模塊，學(xué)生自己選型購(gòu)買。開放實(shí)驗(yàn)室和器件庫(kù)由學(xué)生自己管理，做好記錄，及時(shí)補(bǔ)充。這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)很明確，在課余時(shí)間就會(huì)主動(dòng)待在實(shí)驗(yàn)室。

3.教材建設(shè)與實(shí)驗(yàn)考核。學(xué)校基于這種教學(xué)模式學(xué)校編寫了一套實(shí)驗(yàn)教材，包括《電路實(shí)驗(yàn)》《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是在學(xué)生完成儀器的使用和實(shí)驗(yàn)方法訓(xùn)練后，針對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)安排的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容遵循循序漸進(jìn)的原則，前面的實(shí)驗(yàn)要求適當(dāng)具體，后面的實(shí)驗(yàn)中采用項(xiàng)目設(shè)計(jì)型教學(xué)。在做“晶體管放大電路”實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)阻容耦合的單級(jí)共射極放大電路，具有靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定特性，并提出具體設(shè)計(jì)參數(shù)。學(xué)生設(shè)計(jì)好電路后，利用Protues軟件完成仿真調(diào)試，然后自取元件在面包板連接電路，調(diào)整好靜態(tài)工作點(diǎn)，按要求完成各參數(shù)的測(cè)試。在單級(jí)放大電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的兩級(jí)放大器，要求閉環(huán)電壓放大30倍，1+AF=10。連接電路測(cè)試負(fù)反饋對(duì)放大電路不同參數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)論要通過(guò)數(shù)據(jù)給出充分論據(jù)。以此來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練。學(xué)生也可以結(jié)合自己的項(xiàng)目制定自己需要的實(shí)驗(yàn)方案。教材中包含啟發(fā)與創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。還有一些操作方法和技巧，讓學(xué)生掌握科學(xué)研究過(guò)程中實(shí)際操作的基本方法。

實(shí)驗(yàn)考核方法充分考慮不同學(xué)生的情況，針對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、操作過(guò)程、數(shù)據(jù)處理等按照比例給出優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五檔綜合成績(jī)。

4.競(jìng)賽和產(chǎn)品展示。在項(xiàng)目實(shí)施的不同階段，由社團(tuán)和學(xué)生管理部門組織各種設(shè)計(jì)大賽和產(chǎn)品展示活動(dòng)，對(duì)優(yōu)勝者給予表彰和獎(jiǎng)勵(lì)。將學(xué)科競(jìng)賽引入實(shí)踐教學(xué)，作為實(shí)踐教學(xué)的補(bǔ)充。[5]通過(guò)競(jìng)賽交流，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生展現(xiàn)自我的欲望，使學(xué)生不斷產(chǎn)生新的想法，對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能提出更高的要求，持續(xù)推陳出新。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示，往往對(duì)低年級(jí)學(xué)生有強(qiáng)烈的吸引力。在他們的選題和產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了老師的指導(dǎo)，還會(huì)主動(dòng)向項(xiàng)目相近且水平較高的高年級(jí)學(xué)生求教，有了示范作用和經(jīng)驗(yàn)積累，設(shè)計(jì)成果會(huì)越來(lái)越好，逐步進(jìn)入了良性循環(huán)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)競(jìng)賽中遴選出的優(yōu)秀項(xiàng)目組，經(jīng)過(guò)集訓(xùn)，參加全國(guó)的各種創(chuàng)新實(shí)踐設(shè)計(jì)競(jìng)賽。參與競(jìng)賽可以訓(xùn)練學(xué)生查閱資料、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。[6]實(shí)踐證明，這些學(xué)生在競(jìng)賽中，無(wú)論是在產(chǎn)品的調(diào)試，還是應(yīng)對(duì)不同設(shè)計(jì)題目的變化上，經(jīng)驗(yàn)更加豐富。

5.課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。在課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生的選題可以根據(jù)自己產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要來(lái)擬定，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容可以是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一部分。設(shè)計(jì)題目由學(xué)生提出來(lái)，提出設(shè)計(jì)目標(biāo)和具體參數(shù)，由指導(dǎo)老師總體把關(guān)。這樣，課程設(shè)計(jì)題目就會(huì)更加豐富，每屆學(xué)生的設(shè)計(jì)題目更新率可以達(dá)到30%以上。由于設(shè)計(jì)成果和自己的項(xiàng)目直接相關(guān)，功能可以直接在產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)，學(xué)生的參與積極性和認(rèn)真程度都有了明顯的提高。

有了前期的產(chǎn)品積累，到畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目與項(xiàng)目小組設(shè)計(jì)的產(chǎn)品一脈相承，學(xué)生的任務(wù)就是完善和優(yōu)化產(chǎn)品的功能，整理測(cè)試數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖紙等技術(shù)資料，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和撰寫心得體會(huì)，以此為基礎(chǔ)撰寫論文并完成畢業(yè)答辯。

“貫通式”實(shí)踐教學(xué)方法是實(shí)踐教學(xué)的一次革新。工科學(xué)生的學(xué)習(xí)成果表現(xiàn)就是產(chǎn)品，而產(chǎn)品本身就是多個(gè)學(xué)科知識(shí)融合的結(jié)果。通過(guò)這個(gè)載體，形成了“跨領(lǐng)域整合，自主設(shè)計(jì)，實(shí)踐創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)理念和“產(chǎn)、學(xué)、研”合一的課程體系[7]。完善產(chǎn)品功能的過(guò)程為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)提供了持續(xù)的動(dòng)力，也為學(xué)生了解其他學(xué)科打開了一扇門。

在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品的工作始終貫穿其中，學(xué)生在此過(guò)程中有了學(xué)習(xí)的目標(biāo)和方向。圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)，促使教師、學(xué)生精力投入到位[8]。知識(shí)能變成產(chǎn)品，理論知識(shí)點(diǎn)不再抽象，這種模式使工程教育真正回歸到了工程[9]。

通過(guò)貫通式實(shí)踐教學(xué)方法培養(yǎng)的學(xué)生，在各類創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，學(xué)生表現(xiàn)出了良好的心理素質(zhì)和應(yīng)變能力。這批學(xué)生掌握的專業(yè)知識(shí)綜合性強(qiáng)，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)好，自學(xué)能力和知識(shí)轉(zhuǎn)化的能力都很強(qiáng)，深受用人單位的青睞。

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責(zé)任編輯 ?程 ?哲