基于新工科人才培養的電工學實驗教學改革研究

厲 茜，詹迪鈮，吳 微，徐卓君

當前，國家正積極推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。［1-2］與此同時，為了推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，教育部于2017 年印發了《關于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，通知提出：在普通本科高等學校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，［3］迫切推動實驗教學改革的步伐。另外，自從新冠肺炎疫情出現后，全世界都面臨著學生無法返校學習的難題，為了保證高等學校教學工作正常有序地進行，確保學生不在校能夠按時進行課程實驗，本科課程的實驗方式、實驗內容、實驗教學模式急切需要進行改革。

電工學是機械、汽車、材料、交通等多個專業領域的非電類必修專業基礎課，是電路、模擬電子技術、數字電子技術、電機拖動、可編程控制器等多門課程的融合，涉及的知識面廣，擁有廣闊的工程背景。依據培養學生解決復雜工程問題的能力和實踐創新能力的新工科人才培養理念與要求，電工學實驗教學改革成為電工學課程體系改革的重點。

一、電工學教學實驗改革的迫切性

目前，在新工科人才培養新要求+虛擬仿真實驗教學項目+新冠肺炎疫情大環境下，電工學實驗教學的改革迫在眉睫。首先，新經濟的蓬勃發展對工程技術人才提出新要求，現有的電工學教學實驗已經不能滿足人才培養的新要求。其次，虛擬仿真實驗項目的開展打破了傳統電工學的實驗模式，現代信息技術的介入要求電工學實驗必須改革。再次，全球新冠肺炎疫情的持續化，要求電工學實驗在足不出戶的情況下亦能完成正常的實驗教學，傳統的電工學實驗必須進行改革。最后，現有的電工學實驗存在如下的弊端：1.非專業課程，在后續的學習和工作中可能用不到，學生不夠重視，投入精力少；2.由于是多門課程的融合，知識面廣，但深度淺，不足以支撐“互聯網+”、電子大賽等項目開展；3.實驗學時少，動手能力和實踐能力的培養受限；4.學生多，實驗場地有限。

二、建立符合新工科人才培養理念和要求的教學實驗新模式

“新工科”更加強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通信、電子控制、軟件設計等新技術與傳統工業技術的緊密結合。實驗環節改革要突破傳統“講解-實驗-報告”的實踐形式，以提高學生學習效率和效果為目的，建立一個“線上+線下”、虛擬+實境”“獨立+主題”“多方式協同”融合的實驗教學新模式。

（一）“線上+線下”融合實驗模式

線下實驗模式，保留原有的傳統實驗內容（例如直流電路實驗、三相異步電動機電氣控制實驗），由原來的必做形式改為必做+自選的形式，學生可以根據自己的能力和興趣有選擇性地完成每一部分實驗內容，解決實驗能力強的學生“吃不飽”，實驗能力弱的學生“吃不了”的局面，有效地提高實驗質量和實驗效果。

線上實驗模式，一是將全部線下實驗設備認知教學轉移到線上，例如示波器、數字萬用表等必用設備；二是將線下實驗課堂進行的實驗內容、實驗操作、注意事項指導轉移至線上；三是基于線下傳統實驗內容開發新的線上軟件仿真實驗項目；四是指導學生認識形形色色的元件；五是開發適合非電專業的電工實訓。吉林大學電工電子教學中心邀請專業人員精心地錄制了常用設備指導、實驗內容指導、電工實訓等指導視頻，以及線上實驗指導書，并上傳至超星學習通線上學習平臺。在線實驗教學如表1所示。

表1 在線實驗教學

學生在進行實驗之前，需要預先觀看設備認知視頻、實驗內容指導或線上實驗指導書，進入實驗室后直接進行實驗，減少了學生進入實驗的教學時間，增加了進入實驗的獨立操作時間，既保證了實驗內容飽滿性和實驗時間的充裕性，又提高實驗的效率。在線教學的每個指導視頻時間控制在10-20分鐘左右，解決了學生長時間看視頻、容易溜號的問題。由于可以隨時隨地在線上平臺進行學習，解決了實驗教學的時域和地域限制。線上+線下融合模式既保留傳統實驗的優勢，又解決了傳統實驗的弊端。

（二）“虛擬+實境”融合實驗模式

實境實驗改革，保留現有基礎性、驗證性實驗作為必做實驗В類實驗，幫助學生更好地掌握、鞏固基礎理論知識，將一部分現有的設計性實驗（例如組合邏輯電路設計）以及新開發的設計性實驗作為機動性選做X類實驗，由學生自主選擇X類的實驗，在同樣的4 學時時間內，學生可以根據自身能力完成不同數量的、不同內容的實驗。有的學生只能完成В+X 實驗內容，而有的能夠完成В+2X，甚至В+4X實驗內容。

為了積極參與教育部在普通本科高等學校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目，同時解決由于疫情原因不能及時返回校園的學生能夠正常進行實驗，滿足學生無論何時、無論何地的自由實驗旅行，我校電工教學中心開發了“基于RLС 串聯諧振鑒別真假硬幣”的虛擬仿真實驗，仿真實驗如圖1 所示。實驗利用3D 技術逼真地再現了實驗場景，真實展現了實驗設備功能，通過教學互動環節幫助學生很好地鞏固RLС 串聯諧振基礎知識，學習鑒幣電路的工作原理，掌握實驗設備的使用方法，并且通過實驗獨立操作環節完成RLС 串聯諧振特性測量、真假硬幣的鑒別。

圖1 仿真實驗

鑒別真假硬幣的虛擬仿真實驗增強了虛擬的實驗交互性、趣味性，增加了學生對理論知識中數學模型的理解，使枯燥的理論學習有了鮮活的生命力。

目前，我校電工教學中心設計了新的虛擬仿真實驗，并正在進行開發。新開發的虛擬仿真實驗很好地解決了傳統實驗涉及高危，或高成本、高消耗、不可逆操作，或項目條件不具備，或受時間和空間的限制導致實際運行困難的問題。［4］通過身臨其境的虛擬操作幫助學生積累實踐經驗，提高動手能力。

（三）“獨立+主題”融合實驗模式

現有部分實驗屬于獨立式實驗，此類實驗內容僅實現了對某個知識點的驗證、鞏固、加深，與其他知識點沒有關聯性，實驗之間毫無延展性，不利于知識的融會貫通。因此，在獨立實驗的基礎上開發了“主題實驗”教學模式。［5］根據實驗教學的目標與要求，圍繞某一個教學主題開發多個具有知識關聯性的教學實驗，比如電動機控制就是其中一個主題。

電動機、繼電器-接觸器、可編程控制器3 部分理論知識有很好的模塊關聯性，從而使電動機控制實驗、物料運送電氣控制虛擬仿真實驗和電動機PLС 控制實驗，圍繞“電動機控制”這一主題形成很好的遞進性、延展性、開放性。采用接觸器等低壓電器設備控制電動機是現有的經典實驗，以它為基礎，正在開發的物料運送電氣控制虛擬仿真實驗將經典實驗中未用到的時間繼電器、物料小車、行程開關等設備應用其中，很好地拓展了實驗內容，節約了實驗成本。電動機PLС 控制實驗采用PLС 軟件程序代替接觸器等低壓電器硬件，實現電動機的控制，完美地實現了由硬件向軟硬件結合的遞進和延展，促進學生在實驗的過程中建立了系統的概念并構建控制系統結構，為多技術融合的綜合系統設計奠定良好的基礎。

（四）多方式協同實驗模式

多方式協同的實驗模式是指將學生的課后作業、線上教學平臺的分組設計任務、軟件仿真、實境實驗有機結合起來。以采用PLС 控制電機為例，首先，建立若干學習小組，每個學習小組2-3 名成員；其次，準備多個不同功能的PLС 電機控制設計題目，布置成課后作業或在線發布成分組任務，學生以小組為單位，從設計題目任選至少2個設計題目，由學生分工合作完成設計和軟件仿真；再次，將設計好的電機控制電氣原理圖以及經過軟件仿真的控制程序上傳至超星學習通教學平臺，由教師進行批改；最后，學生分批進入實驗室，以PLС 為核心搭建硬件電路，通過計算機上傳控制程序至PLС，進行在線調試，實時修改控制程序直至完成設計題目要求的控制任務。

多方式協同實驗的進一步延伸是把一部分對設計有興趣的學生集中起來，成立興趣小組，以完成實際工程的思路繼續深入學習。學生根據不同系統功能按照課程中搭建的工程體系，完成材料的選擇、硬件圖的設計、硬件的安裝、軟件的編程及整個項目的調試。多方式協同實驗模式既提高了學生的動手能力和解決實際工程問題的能力，增強知識的融會貫通，又培養了學生團隊合作意識，為將來步入工作崗位奠定良好的實踐基礎。

三、“線上+線下”實驗同步雙向考評機制

建立合理的科學實驗考核機制是實驗教學改革主要研究內容之一。經過電工中心教師們的實踐探索，電工學建立了線上實驗考核機制。線上實驗考核模式包括實驗室安全考核和實驗操作考核。為保障實驗的安全進行，吉林大學建立了線上實驗室安全考核機制，只有在線上吉林大學實驗室安全教育考試系統中通過考試，才能進入實驗室。另外，在線上學習通教育平臺建立實時實驗操作考核，在線上學習實驗操作指導視頻后，學生可直接進行實驗操作考核，并由系統實時給出考核成績，根據考核結果，學生可以及時了解自己對實驗操作的掌握情況，方便進行實驗操作的再學習。線上考核如圖2所示。

圖2 實驗操作考核

線下考核主要從實驗操作的規范性、實驗連線的正確性、實驗結果的準確性、解決實驗中出現的問題等方面考察學生的實驗操作技巧。根據不同實驗制定不同的考核細則，再進一步可根據連線數量、實驗數據的數量、解決問題的數量等數量做細致的量化標準。比如根據實驗結果制定的量化考核標準如表2所示。

表2 實驗結果量化考核

“線上+線下”的考評機制可以幫助教師及時掌握學生線上學習實驗指導的動態情況，對于線上實時考核不合格者可以給予及時的線上指導，還可以及時發現學生實驗中的問題，準確掌握學生實驗操作技能，糾正學生錯誤，使其更好地完成實驗。

四、結語

在近3 年的改革實踐探索中，我們不斷修正已有實驗的內容、實驗形式，開發新的實驗內容、實驗形式，建立、健全實驗考評機制，推動電工學課程的發展，為國家級金課的申報奠定堅實的路基。同時采用多種形式調動學生的主觀能動性，使更多的學生積極投入到實驗中，通過實驗改革使學生在實驗的各個環節都能得到錘煉，積累實戰經驗，提高自身解決實際工程問題的能力和科技創新能力，力爭成為符合新工科培養要求的國際復合型科技人才。