基于創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

鄭林鋒 張新征 周曙

［摘 要］ 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科專業(yè)課程體系的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力方面具有重要作用?；趧?chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)，研究全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建，以“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程為例，構(gòu)建從電子元器件認(rèn)知到系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促使學(xué)生從電子元器件認(rèn)知到系統(tǒng)應(yīng)用、虛擬實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)驗(yàn)證到綜合設(shè)計(jì)等全過(guò)程、多層次地參與實(shí)踐與創(chuàng)新，全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)卓越工程科技人才打下牢固基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)；全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)；卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）08-0034-04

引言

教育部、工業(yè)和信息化部、中國(guó)工程院聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》中的改革任務(wù)和重點(diǎn)舉措之一是樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育理念，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品和系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和服務(wù)能力。在此背景下，以培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐型人才為導(dǎo)向，積極探索和構(gòu)建全周期、多層次的實(shí)踐教學(xué)模式勢(shì)在必行。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科專業(yè)課程體系的重要組成部分，進(jìn)一步鞏固和加深了學(xué)生對(duì)理論課程知識(shí)的理解，是對(duì)理論課程教學(xué)的補(bǔ)充、繼續(xù)和深化，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力方面有著極其重要的作用。為加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作。譬如，國(guó)內(nèi)的教研結(jié)合、實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目和虛實(shí)結(jié)合等模式［1-5］，讓本科生走進(jìn)科研實(shí)驗(yàn)室，旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，參與實(shí)際項(xiàng)目，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)組成的跨國(guó)研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)立了CDIO教學(xué)模式［6-8］，包含構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），該模式是面向產(chǎn)品、過(guò)程、系統(tǒng)生命周期的工程教育方法。

基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程存在的諸多問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)方法，結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0”的建設(shè)要求及內(nèi)涵，本文以“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程為例，研究構(gòu)建從電子元器件認(rèn)知到系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促使學(xué)生能夠全過(guò)程、多層次地參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與創(chuàng)新，以期全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)卓越工程科技人才打下牢固的基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程中存在的問(wèn)題

（一）學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有局限性

“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程一般是利用實(shí)驗(yàn)箱或電路板開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，按照指導(dǎo)書按部就班地完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生被動(dòng)開展實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)效果不理想，部分學(xué)生對(duì)于模擬電子電路的認(rèn)識(shí)還局限于電路原理圖。比如，有的學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后仍不認(rèn)識(shí)所用的電子元器件，這對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有明顯的局限性。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏與工程實(shí)際結(jié)合

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通常只包含課程主要知識(shí)點(diǎn)的電路實(shí)驗(yàn)，但各知識(shí)點(diǎn)電路較獨(dú)立，綜合性不強(qiáng)，無(wú)法與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合。由于缺少對(duì)學(xué)生綜合性、工程性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，以及解決復(fù)雜綜合問(wèn)題能力的培養(yǎng)，學(xué)生面對(duì)實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)往往難以應(yīng)對(duì)。

（三）實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏創(chuàng)新性和層次性

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程局限于理論課程中主要電路原理的驗(yàn)證，學(xué)生一般按照指導(dǎo)書步驟操作完成實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有創(chuàng)新的空間，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。另外，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的層次性，比如從基礎(chǔ)到設(shè)計(jì)再到應(yīng)用等不同層次的訓(xùn)練。

（四）考核以終結(jié)性評(píng)價(jià)為主

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核指標(biāo)以考勤、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，特別是實(shí)驗(yàn)報(bào)告所占比例偏高，導(dǎo)致學(xué)生把精力主要放在完善實(shí)驗(yàn)報(bào)告方面。而教師往往忽略了對(duì)學(xué)生平時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的能力培養(yǎng)，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力訓(xùn)練的目標(biāo)。

二、基于創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的諸多不足，本文以創(chuàng)新實(shí)踐型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，研究全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐。以“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程為例，構(gòu)建從電子元器件認(rèn)知到系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（如圖1所示），主要包含電子元器件認(rèn)知、電路設(shè)計(jì)與器件選型、電路模擬仿真、實(shí)際電路操作、系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用等5個(gè)環(huán)節(jié)，具體各環(huán)節(jié)內(nèi)容如下。

環(huán)節(jié)一“電子元器件認(rèn)知”是要求學(xué)生對(duì)常用電子元器件的分類、封裝、識(shí)別規(guī)則、性能特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合等進(jìn)行學(xué)習(xí)調(diào)研，特別是對(duì)模擬電路里常用的電子元器件，如晶體管、二極管、電阻、電容、集成運(yùn)算放大器等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，其主要目的是鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，提高學(xué)生對(duì)電子元器件的認(rèn)識(shí)?！澳M電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程一般是在學(xué)生大一或大二期間開設(shè)的，學(xué)生沒(méi)有太多電子元器件的實(shí)踐基礎(chǔ)，因此有必要完成電子元器件的認(rèn)知調(diào)研，對(duì)電子元器件有比較全面的了解，為后續(xù)電路設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)操等打下牢固的基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二“電路設(shè)計(jì)與器件選型”是學(xué)生根據(jù)所學(xué)模擬電路實(shí)現(xiàn)的功能要求，運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行電路原理設(shè)計(jì)，并進(jìn)行電路參數(shù)的計(jì)算與電子元器件的選型。該環(huán)節(jié)的電路設(shè)計(jì)主要圍繞理論課程核心知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的電路開展，其主要目的是提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

環(huán)節(jié)三“電路仿真模擬”要求學(xué)生采用模擬電路仿真軟件平臺(tái)如Multisim、PSpice等對(duì)環(huán)節(jié)二設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行模擬仿真和驗(yàn)證分析，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)和交互式設(shè)計(jì)，其主要目的是提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化軟件工具的運(yùn)用能力和對(duì)模擬電路的理解分析能力。

環(huán)節(jié)四“實(shí)際電路操作”是對(duì)前面兩個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和仿真的電路在面包板上采用電子元器件和跳線進(jìn)行實(shí)際搭建、調(diào)試、測(cè)試等操作，并力求學(xué)生在調(diào)試過(guò)程中遇到問(wèn)題要學(xué)會(huì)思考分析問(wèn)題，找到問(wèn)題的緣由，從而解決問(wèn)題，不僅提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，而且提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生從虛擬仿真到實(shí)際實(shí)操能力的綜合培養(yǎng)。

環(huán)節(jié)五“系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用”與工程實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)模電知識(shí)，結(jié)合其他課程知識(shí)，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)解決方案。該環(huán)節(jié)旨在提高學(xué)生的綜合能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，也是實(shí)現(xiàn)學(xué)生從基礎(chǔ)知識(shí)驗(yàn)證到綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)全過(guò)程的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。

全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)有利于學(xué)生充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，從全過(guò)程、多層次參與實(shí)踐與創(chuàng)新，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的不足。

（二）“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐

“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和實(shí)操為主，教師實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)答疑為輔。在第一次實(shí)驗(yàn)課之前，要求學(xué)生提前完成電子元器件的認(rèn)知調(diào)研，對(duì)電子元器件，特別是實(shí)驗(yàn)課程中用到的模擬電子元器件，有比較全面的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試等奠定基礎(chǔ)。同時(shí)在每次實(shí)操實(shí)驗(yàn)課之前，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求，圍繞理論課程的重點(diǎn)電路和主要知識(shí)點(diǎn)，如三種基本放大電路（共射、共集、共基）、多級(jí)放大電路、負(fù)反饋放大電路、差分放大電路、信號(hào)運(yùn)算電路、有源濾波電路、波形發(fā)生電路等，完成電路設(shè)計(jì)與器件選型及模擬仿真等工作，掌握實(shí)驗(yàn)電路的工作原理。在實(shí)操實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，要求學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題和安全操作規(guī)程，通過(guò)查看學(xué)生設(shè)計(jì)的電路圖及其實(shí)際搭建、調(diào)試等情況，及時(shí)掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的熟悉程度。同時(shí)，激勵(lì)學(xué)生通過(guò)小組討論、協(xié)商、互助的方式，自我檢查與排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障與問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)完成后，教師檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，鼓勵(lì)小組成員討論解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映出的理論現(xiàn)象，或與理論有較大出入時(shí)，找出引起較大誤差的原因，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最后要求學(xué)生獨(dú)立撰寫完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在完成課程主要知識(shí)點(diǎn)電路實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生以小組或小組聯(lián)合的方式共同解決與實(shí)際工程應(yīng)用緊密聯(lián)系、相對(duì)復(fù)雜綜合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用題目，給出電路設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行仿真模擬和實(shí)操。

（三）學(xué)生考核

在學(xué)生考核方面，全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式側(cè)重平時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的評(píng)價(jià)，提高平時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的成績(jī)占比。比如，平時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程考查占80%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占20%，力求實(shí)現(xiàn)從“以終結(jié)性評(píng)價(jià)為主”到“以形成性評(píng)價(jià)為主”轉(zhuǎn)變的目標(biāo)。這與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)方式——“以終結(jié)性評(píng)價(jià)為主”有明顯的區(qū)別，要求教師更關(guān)注學(xué)生在平時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，更有利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的養(yǎng)成。全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式各環(huán)節(jié)成績(jī)所占比例應(yīng)適當(dāng)分配，其中，平時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程包含全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的5個(gè)環(huán)節(jié)，電子元器件認(rèn)知調(diào)研占10%、電路設(shè)計(jì)與器件選型及模擬仿真占30%、實(shí)際電路操作占30%、系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用占10%。另外，為培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，鼓勵(lì)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作，可適當(dāng)考慮團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作的成績(jī)占比，其包含在實(shí)際電路操作和系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用成績(jī)中。最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占20%，主要考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的掌握程度，能否正確地記錄數(shù)據(jù)、合理地分析解釋數(shù)據(jù)和誤差原因以及給出恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論，并規(guī)范地撰寫完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（四）教學(xué)實(shí)踐效果反饋

為驗(yàn)證“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)效果，針對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化兩個(gè)工科專業(yè)的部分學(xué)生開展教學(xué)實(shí)踐。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，收集參與學(xué)生的反饋意見，得到以下積極信息：（1）對(duì)實(shí)際應(yīng)用的電子元器件有更深入的了解；（2）能有效提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，相比直接在實(shí)驗(yàn)箱接線，這種方式能有效加深學(xué)生對(duì)電路的理解；（3）可以發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，使得實(shí)驗(yàn)更具趣味性和實(shí)用性。從初步的教學(xué)實(shí)踐效果上看，全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)改革目標(biāo)，即提升學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。但是，該教學(xué)模式在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些弊端，比如：（1）實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，學(xué)生須要提前去完成電子元器件調(diào)研和電路設(shè)計(jì)與仿真，若這些環(huán)節(jié)沒(méi)做好，對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)影響較大；（2）學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路與器件選型，所采用的電子元器件參數(shù)不同、型號(hào)繁多，不利于電子元器件的統(tǒng)一采購(gòu)。這些問(wèn)題將在后續(xù)教學(xué)中持續(xù)改進(jìn)，形成更加科學(xué)合理的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的諸多問(wèn)題，以“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0”的教學(xué)理念為指導(dǎo)，研究全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建。以“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程為例，設(shè)計(jì)了包含電子元器件認(rèn)知、電路設(shè)計(jì)與器件選型、電路模擬仿真、實(shí)際電路操作、系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用等5個(gè)環(huán)節(jié)的全周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及對(duì)學(xué)生的考核方式。從初步的教學(xué)實(shí)踐效果上看，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

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Research on the Cultivation of Innovative and Practical Talents Oriented Full Cycle Experimental Teaching model： Taking Analog Electronics Laboratory as an Example

ZHENG Lin-feng1，2， ZHANG Xin-zheng2， ZHOU Shu2

（1. Sino-German College of Intelligent Manufacturing， Shenzhen Technology University， Shenzhen， Guangdong 518118， China; 2. International Energy College， Jinan University， Zhuhai， Guangdong 519070， China）

Abstract： Experimental teaching is an important part of engineering curriculum system and plays a vital role in cultivating students practical and innovative ability. Oriented by the cultivation of innovative and practical talents， this paper focuses on the research of the construction of full cycle experimental teaching model. Taking Analog Electronics Laboratory as an example， a full cycle experimental teaching model from electronic component cognition to system design and application is designed， which allows student to practice and innovate with the whole process and multi-level from electronic components cognition to system application， from virtual experiment to real experiment， and from basic verification to comprehensive design. The aim of this work is to comprehensively improve students engineering practice and innovation ability， laying a solid foundation for cultivating outstanding engineering talents.

Key words： cultivation of innovative and practical talents; full cycle experimental teaching model; Analog Electronics Laboratory; excellent engineer education and training program 2.0