“新工科”理念下的電氣信息類專業(yè)實驗教學體系建設

王 華，吳桂清，劉紅霞，曹琳琳

（湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

工科在我國高等教育中占有極其重要位置，我國目前擁有全球最大規(guī)模的高等工程教育，工科專業(yè)占全國高校專業(yè)總量的1/3[1]。從新一輪全球科技變革和產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展的需求分析[2]，我國工程教育存在大而不強的問題，高等工程人才培養(yǎng)面臨嚴峻挑戰(zhàn)[3]。為此，教育部于2017 提出了“新工科”概念，旨在培養(yǎng)和造就一批又一批專業(yè)融合、創(chuàng)新力強、未來能夠引領行業(yè)技術與經(jīng)濟社會發(fā)展的高質(zhì)量新型工程技術人才[4]。教育部不僅批準設立了大數(shù)據(jù)、機器人工程、人工智能、網(wǎng)絡空間安全等新工科專業(yè)[5]，而且鼓勵產(chǎn)學研協(xié)同育人為傳統(tǒng)工科專業(yè)發(fā)展開辟新途徑，促進傳統(tǒng)工科通過多專業(yè)融合、產(chǎn)學研融合進入“新工科”建設歷程，快速邁向“新工科”專業(yè)。

電氣信息類專業(yè)是我國高等教育的傳統(tǒng)工科專業(yè)，我校電氣與信息工程學院是“機電土化”4 大工科院系之一。長期以來，電氣工程及其自動化作為強電專業(yè)，而測控技術與儀器、自動化、電子信息工程作為弱電專業(yè)，在生源質(zhì)量、辦學方向、培養(yǎng)目標、培養(yǎng)計劃、教學體系、師資保障、實驗課程等各方面形成了具有各自專業(yè)特色的辦學模式。但隨著智能電網(wǎng)、全球能源物聯(lián)網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的大力推進，以及交通運輸、電力電子等行業(yè)的高速發(fā)展，對電氣與信息結合的復合型人才的需求增長迅速[6-7]。

我校電氣與信息工程學院于21 世紀初提出并實施了電氣與信息融合的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略。在2011 年，獲批教育部首批卓越工程師培養(yǎng)計劃后，修訂形成了2012 版培養(yǎng)計劃，進一步加大了專業(yè)融合步伐，開展了有利于培養(yǎng)電氣與信息融合的復合型人才的實驗課程體系改革。針對專業(yè)特點和學生的學習情況，構建電氣與信息交叉融合的實驗課程體系，突破傳統(tǒng)實驗體系演示性、驗證性實驗居多的局限性，以學生為中心，以工程能力、綜合能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)為主導，加強學生的自主研究性實踐訓練，加大綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，著力培養(yǎng)學生理論結合實踐的應用能力、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，提升電氣信息類人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 實驗教學體系建設思路

近年來，電氣、信息技術與產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)、IT 行業(yè)對復合型人才需求越來越明確，要求畢業(yè)生需具備良好的專業(yè)交叉能力，解決本專業(yè)及相關領域工程復雜問題的能力。作為“新工科”建設單位，我院主動布局面向未來電氣與信息技術產(chǎn)業(yè)，將培養(yǎng)“滿足行業(yè)發(fā)展要求的高級工程技術人才”為“引領未來行業(yè)科技發(fā)展的高層次工程技術人員”；一方面深入開展電氣、信息專業(yè)的交叉復合，另一方面積極申請開辦新的工科專業(yè)。2018 年，獲批建設機器人專業(yè)，2019 年獲批教育部首批“新工科”研究與實踐項目，2020 年獲批湖南省“新工科”研究與實踐項目。結合電氣信息類專業(yè)實踐教學的實際情況與發(fā)展需求，改革工程教育，強化實踐培養(yǎng)，制定并完成了以下實驗教學體系建設。

（1）“三位一體”實踐培養(yǎng)模式構建。在學校現(xiàn)代工程訓練中心的基礎上，系統(tǒng)建設了學院實驗平臺和校外實踐基地。“嵌入式系統(tǒng)”“電氣測量”等課程實施“口袋實驗室”計劃，“口袋實驗室”普及到每位學生并貫穿專業(yè)教育全過程，形成了課程實驗、“口袋實驗室”、校外實踐相結合的“三位一體”實踐培養(yǎng)模式。

（2）校企深度融合的協(xié)同育人體系建設。與杭州海興電力科技股份有限公司、威勝儀表集團、湘電集團等17 家企業(yè)合作建立校外優(yōu)質(zhì)實踐基地。美國NI、杭州海興電力等14 家企業(yè)在學院捐建、合建了實驗室。聘請了67 位企業(yè)導師參與指導學生實踐實訓、畢業(yè)設計等。此外，培養(yǎng)計劃的制訂、修訂充分聽取企業(yè)專家意見，其中實驗教學計劃的審定邀請校企聯(lián)合培養(yǎng)人才的企業(yè)專家把關。

（3）“新工科”背景下的實驗教學內(nèi)容更新與教學方法改進。結合工程實踐，更新實驗教學內(nèi)容，大幅度減少演示性、驗證性實驗，增加綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，開展基于工程問題的探究式實驗教學、基于工程案例的討論式實驗教學、基于工程設計訓練的參與式學習，著力培養(yǎng)學生的工程實踐能力與創(chuàng)新意識。

（4）以學生為中心的實驗室運行保障。建立開放實驗室管理新模式[8]，引進高水平實驗設備，鼓勵專業(yè)課教師介入實驗教學；根據(jù)實驗教學的實際需要建設電氣信息類專業(yè)實驗教學體系；將虛擬仿真與真實實驗相結合，“口袋實驗室”與開放實驗室相結合，進一步提高學生的實踐興趣；對設計性實驗、創(chuàng)新性實驗的成果集中展示、評獎，激勵學生崇尚實踐、崇尚創(chuàng)新；通過大學生創(chuàng)新性實驗計劃（SIT）、學科競賽訓練等，有效提高開放實驗室的利用率。

2 遞進式實驗教學體系構建

實驗教學是“新工科”建設的重要保障[8]。針對“新工科”建設要求，以提高學生電氣、信息專業(yè)交叉融合的復合能力、工程能力、發(fā)現(xiàn)問題與分析解決問題能力、創(chuàng)新能力為原則，確定面向“新工科”的實驗教學體系的建設思路，建立了電氣信息類專業(yè)遞進式實驗教學體系（見圖1）。該體系包括三個層級，第一層級是電類基礎課程實驗，主要包括演示性、驗證性實驗和部分操作性實驗；第二層級是電氣、信息融合的專業(yè)平臺課程實驗，主要包括操作性、綜合性、設計性實驗；第三層級屬于專業(yè)課程實驗，主要包括部分綜合性、設計性實驗和創(chuàng)新性實驗。

圖1 電氣信息類專業(yè)遞進式實驗教學體系

2.1 電類基礎課程實驗教學改革

傳統(tǒng)的電類基礎課程實驗教學方式通常是教師按照實驗內(nèi)容進行講解和演示，之后學生仿照教師的操作、按照規(guī)定的步驟進行實驗，完成實驗接線、實驗操作、實驗記錄等。這一實驗教學方式能夠促進學生對相關理論知識的理解，實驗過程易于掌控。但傳統(tǒng)的演示性、驗證性實驗只重視學生外顯行為，不太關注學生實踐訓練的內(nèi)在規(guī)律[9]，實驗過程強調(diào)統(tǒng)一性，實驗內(nèi)容重在演示和驗證，實驗教學基本作為課堂理論教學的輔助內(nèi)容，課程與實驗之間、實驗與實驗之間容易割裂，學生缺乏主動權，不利于后續(xù)綜合性、設計性實驗的開展，不利于學生綜合能力的培養(yǎng)與創(chuàng)新意識的訓練[10]。

針對“新工科”建設要求，以綜合能力培養(yǎng)為目標，在開放實驗室建設的基礎上，進行了以下教學改革。

（1）提出了課上課下實驗相結合、真實與虛擬實驗相結合的電類基礎課程實驗，實驗成本高、有一定安全要求的實驗內(nèi)容通過虛擬實驗入門，增強感性認識。

（2）盡管電類基礎課程的知識體系已成熟完善，實驗內(nèi)容、實驗結果比較明了，但對于低年級學生仍然是新知識、新方法，因此加強基礎課程實驗的啟發(fā)式教學，變過去考核實驗結果為考核實驗過程，讓學生主動參與實驗過程的設計。

養(yǎng)殖疾病的重視程度不足極易引發(fā)多種疾病。充分考慮未來發(fā)生的各種情況，隔離區(qū)可以有效避免疾病進一步蔓延；對于外來人員要及時做好消毒工作；攜帶病菌的外來人員不得入內(nèi)。另外，更新觀念，樹立科學的疾病防治觀念， 實行動態(tài)關注與了解，一旦發(fā)現(xiàn)病情及時進行治療。

（3）在剛接觸電類基礎課程實驗時，不收回三位半數(shù)字萬用表，讓每位學生有時間、有機會動手測試，培養(yǎng)其實驗興趣與信心。

（4）開展多元化實驗教學，提前布置實驗思考，組織課堂討論實驗方案，實驗后總結實驗方法，實施多元化實驗教學新模式。

（5）電氣技術、信息技術日新月異，教學資源與教學手段愈加豐富，基礎課程實驗不斷引進電氣信息新技術，采用新的教學資源和教學手段，豐富實驗教學內(nèi)容。

（6）對電類基礎課程涵蓋的實驗內(nèi)容提出引導性、啟發(fā)性參考方案。學生有較充分的選擇余地和發(fā)揮空間，可以在完成實驗指導書給出的驗證實驗方案基礎上，探索、設計新的實驗項目。這一方式打破了傳統(tǒng)電類基礎課程實驗演示性、驗證性的局限，能夠提高學生對電類基礎知識的興趣，加深其對理論知識的理解與掌握。

2.2 平臺課程實驗教學改革

此前，電氣與信息工程學院各專業(yè)設有專業(yè)實驗室，實驗室管理各自為政，導致實驗設備、實驗人員的重復多、浪費大。為此，成立了學院實驗中心，統(tǒng)籌管理所有的實驗課程。在各專業(yè)制訂培養(yǎng)計劃時，學院教學委員會確定了信號與系統(tǒng)、微機原理、嵌入式系統(tǒng)、傳感與檢測技術、自控原理、電力電子技術、電機與控制等有利于電氣信息類專業(yè)基礎知識融合的學院平臺課程。

平臺課程由教學經(jīng)驗豐富、熱心教學的教授牽頭，在學院教學辦、實驗中心配合下，建設面向4 個專業(yè)的平臺課公共實驗室。平臺實驗課程由院教學辦負責管理，學院實驗中心負責實施，所有平臺任課教師均參與平臺課程實驗室建設與實驗教學。平臺課程實驗促使學生深入理解和綜合運用所學電氣信息類專業(yè)基礎課程理論知識，培養(yǎng)其在電氣和信息領域相關的工程實踐基本能力。

（2）結合電氣與信息工程技術發(fā)展熱點，平臺加入了嵌入式系統(tǒng)、電力電子技術兩門課，增加了相應的實驗內(nèi)容等。

（3）在電路設計、PCB（印制電路板）設計、系統(tǒng)分析、軟件設計、焊接裝配、外協(xié)加工、調(diào)試校準等環(huán)節(jié)更貼近工程實際。

（4）在學習嵌入式系統(tǒng)課程過程中，由每位學生自制“單片機口袋實驗室”，讓學生可以隨時隨地開展相關實驗。

（5）將電氣、信息學科教師的先進科研成果適度、適量轉移到平臺課程實驗，擴充創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，彌補創(chuàng)新性實驗缺少的問題，引導學生加速進入后續(xù)專業(yè)知識學習。

平臺課主要是操作性、綜合性、設計性實驗項目，為創(chuàng)新性實驗預留了一定空間。8 門平臺課程實驗指導書的每個實驗均只給出框架性要求，不提供詳細的實驗方案。學生可根據(jù)自己興趣自由分組，依據(jù)實驗要求自行設計實驗過程，開展實驗，完成實驗結果分析。此舉不僅給予學生充分的自主性，有利于個性化培養(yǎng)，更有利于培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，鍛煉其綜合運用電類基礎課程和平臺課程知識分析問題、解決問題的能力。

2.3 專業(yè)課程實驗教學改革

專業(yè)課程實驗結合電氣、信息類專業(yè)課程內(nèi)容的先進性進行科學規(guī)劃、合理設計，由專業(yè)責任教授召集本專業(yè)教授、骨干教師和實驗人員對實驗內(nèi)容、實驗設備等開展討論，確定綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗。

（1）專業(yè)課程實驗教學強調(diào)培養(yǎng)專業(yè)相關知識學習基礎上的實驗技能和發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題等工程能力，將解決復雜工程問題意識的培養(yǎng)貫穿于所有專業(yè)課程實驗。

（2）專業(yè)課程實驗指導書只給出實驗對象、實驗目標、實驗要求、主要技術指標、完成期限和驗收方式，而具體組隊、實驗實現(xiàn)方案、實驗技術路線、元器件與零部件選擇、設計制作與調(diào)試、指標測試等，均由學生自主完成。

（3）加大專業(yè)教師科研新成果向專業(yè)實驗教學的轉化，科研反哺實驗教學，形成創(chuàng)新性實驗內(nèi)容；部分學生可結合教師的科研項目開展創(chuàng)新性實驗。

（4）面向本專業(yè)領域新技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱點，開設專業(yè)綜合實驗。以測控技術與儀器專業(yè)2016 級為例，其電氣測量核心課程在開課伊始，即結合教學進度開展單相防竊電電子式電能表綜合設計，在課程學習階段完成基本原理、方案論證、電路設計、算法研究、軟件設計、焊接調(diào)試、通電老化、校準標定等全過程。

（5）以開放實驗室為基地，鼓勵學生結合所學專業(yè)、根據(jù)市場需求自選實驗課題，進行實驗設計開發(fā)，使專業(yè)開放性實驗不局限于教學大綱內(nèi)的實驗內(nèi)容。

（6）鼓勵和引導學生參加“挑戰(zhàn)杯”、電子設計、機器人設計、虛擬儀器設計等學科競賽，結合競賽訓練開展專業(yè)創(chuàng)新性實驗。學科競賽有基本要求和自主發(fā)揮要求，對大學生的實踐能力與創(chuàng)新意識培養(yǎng)具有不可替代的作用。

專業(yè)課程的綜合性實驗和設計性實驗的實施方法與平臺課程實驗類似，但這兩類實驗面向電氣與信息類專業(yè)前沿，只給出實驗內(nèi)容簡介，由學生通過自行組隊后，檢索文獻資料、撰寫文獻綜述、形成實驗方案，在獲得教師認可后形成實驗內(nèi)容，再自行確定實驗時間、實施實驗過程、分析實驗結果、探討實驗成效、形成實驗報告。在此期間，授課教師、實驗教師和研究生助管對學生提出的實驗方案進行建議性指導，在實驗結束后幫助分析實驗結果。這一方式進一步鍛煉和培養(yǎng)了學生對本專業(yè)領域新技術的思考、應用與創(chuàng)新。

3 實驗教學體系改進的實施效果

通過實驗教學體系的改進，電氣信息類專業(yè)建設以及學生培養(yǎng)取得了比較好的成效。如電氣工程及其自動化、自動化、測控技術與儀器、電子信息工程等4 個專業(yè)全部通過兩輪中國工程教育專業(yè)認證；電氣工程及其自動化、自動化兩個專業(yè)獲評全國一流本科專業(yè)；測控技術與儀器新技術專業(yè)獲評湖南省一流本科專業(yè)；電子信息工程在湖南省專業(yè)綜合評估中評為 A 類專業(yè)。學院近5 年獲得了包括全國“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽金獎、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽一等獎、全國電子設計競賽一等獎等在內(nèi)的102 項國家級學科競賽獎勵和141 項省級學科競賽獎勵。學院保研、讀研升學率連年超過50%；改革與建設成效在新華社、人民網(wǎng)、《中國教育報》《光明日報》等媒體上多次報道[11]。

4 結語

“新工科”建設是我國高等工程教育主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略行動。我校電氣與信息工程學院面向“新工科”建設，提出了電氣信息類專業(yè)實驗教學體系的建設新思路，以學生為中心，虛擬實驗與真實實驗相結合，開展了以驗證性實驗與綜合性實驗為基礎、以設計性實驗與探索性實驗為導向的多元化、層次化實驗教學改革，形成了電類專業(yè)基礎課程實驗、學院平臺課程實驗、專業(yè)課程實驗的遞進式實驗教學體系，為提高電氣信息類專業(yè)學生的綜合能力與創(chuàng)新意識、確保電氣信息類專業(yè)“新工科”建設發(fā)揮了保障作用。