新工科建設(shè)背景下電工電子技術(shù)實驗項目設(shè)計研究

0 引言

新工科建設(shè)是教育部于2017年啟動的工程教育改革行動計劃，旨在應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)多學(xué)科交叉融合的未來型工程科技人才，滿足社會對應(yīng)用型、技術(shù)型、創(chuàng)新型人才的迫切需求，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)對國際競爭提供智力與人才支撐。它不僅是國家對各高校提出的戰(zhàn)略改革計劃，也是高校適應(yīng)社會，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必然發(fā)展方向[。

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)C械、電氣、電子等相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生的需求量逐年增加，不僅要求工程類本科生掌握一定的專業(yè)技能，還要求他們具有一定的實踐與創(chuàng)新能力[2。電工電子實驗課程具有多重作用：幫助學(xué)生深入理解和掌握電工電子課程相關(guān)的基礎(chǔ)知識與技能；提升學(xué)生的實踐操作能力、團隊協(xié)作能力、解決復(fù)雜工程問題能力和綜合能力；幫助學(xué)生將理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合，將書本上的理論知識應(yīng)用于實際工作。該課程具有很強的實用性和工程應(yīng)用性，是促使學(xué)生將所學(xué)知識從感性認識轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇哉J識，融合所學(xué)知識增強創(chuàng)新意識，成長為應(yīng)用型、技術(shù)型、創(chuàng)新型人才的一個重要環(huán)節(jié)。

近幾年，為適應(yīng)新工科建設(shè)要求，結(jié)合工程教育專業(yè)認證，持續(xù)完善人才培養(yǎng)方案，且更加注重創(chuàng)新意識、動手能力的培養(yǎng)，在實驗項目設(shè)計中更加注重綜合性、創(chuàng)新性的實驗開發(fā)。機械電氣工程學(xué)院的機制、農(nóng)機等非電專業(yè)把電工電子技術(shù)實驗作為單獨設(shè)課教學(xué)項目，且課程學(xué)時數(shù)由原來的16學(xué)時提高到32學(xué)時，注重知識的轉(zhuǎn)化與創(chuàng)新。實踐證明：該教學(xué)改革效果突出，學(xué)生動手能力顯著提高，改變了以往學(xué)完理論過一個學(xué)期就把知識還給老師的不良狀態(tài)，參與科研、競賽與SRP項目的積極性也大幅度提升。

1電工電子技術(shù)實驗項目現(xiàn)狀與存在的問題

實驗教學(xué)是學(xué)生消化所學(xué)知識、開拓思維、培養(yǎng)分析解決問題能力、實現(xiàn)理論知識到能力提升的重要途徑。目前，電工電子技術(shù)實驗項目設(shè)計普遍存在指導(dǎo)思想滯后、教學(xué)主體不突出、教學(xué)內(nèi)容相對滯后、忽視學(xué)生個體差異等問題。

1.1指導(dǎo)思想滯后

電工電子技術(shù)實驗項目設(shè)計仍然采用傳統(tǒng)模式，以追求對書本知識的理解為主，雖然設(shè)置了開發(fā)性和綜合性實驗項目，但是創(chuàng)新思維的引導(dǎo)作用較小，實驗?zāi)Ｊ浇┗?，?nèi)容長期固定不變，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

1.2實驗項目設(shè)計中學(xué)生的主體作用不突出

不論是驗證性實驗還是綜合性實驗，學(xué)生都應(yīng)該帶著問題獨立完成，而不是按部就班地根據(jù)實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容一步一步機械地完成。通常根據(jù)實驗?zāi)康呐c實驗結(jié)果，將實驗劃分為驗證性實驗、綜合性實驗與創(chuàng)新性實驗，旨在培養(yǎng)學(xué)生的不同能力和素質(zhì)。但是，過分強調(diào)實驗性質(zhì)不利于知識的融合和創(chuàng)新思維的開發(fā)。在驗證性實驗中更多地加入一些可開發(fā)的內(nèi)容，在綜合性實驗與創(chuàng)新性實驗中加入理論驗證部分，不僅能夠促進知識融合，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，突出學(xué)生的主體作用，更有利于把所學(xué)的理論知識轉(zhuǎn)化為專業(yè)能力。

1.3實驗項目設(shè)計知識面太窄，內(nèi)容相對滯后

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電工電子技術(shù)的教學(xué)水平、教學(xué)方式有了很大提高，但是在實驗教學(xué)中仍然存在新技術(shù)投入使用不足、內(nèi)容滯后等問題，制約著實驗教學(xué)的發(fā)展。新工科建設(shè)要求當(dāng)代大學(xué)生不僅要學(xué)會相關(guān)專業(yè)知識，還要能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識跨學(xué)科融合，開闊視野。因此，實驗項目的設(shè)計不僅要有教學(xué)要求的內(nèi)容，也應(yīng)該加入一些教學(xué)輔助資料供學(xué)生參考，助力學(xué)生對新知識、新技術(shù)的探索。

1.4實驗項目設(shè)計未充分考慮個體差異，難以因材施教

由于學(xué)生基礎(chǔ)不同，專業(yè)之間的進度不同、側(cè)重點不同，電工電子技術(shù)實驗項目設(shè)計沒有充分考慮不同層次的學(xué)生，導(dǎo)致教學(xué)效果較差。電工電子技術(shù)實驗項目的設(shè)計應(yīng)注重專業(yè)學(xué)習(xí)進度，增加相關(guān)聯(lián)實驗內(nèi)容，做到有一定的階梯難度，實現(xiàn)因材施教[3]。

2電工電子技術(shù)實驗項目設(shè)計思路

如何將電工電子技術(shù)教學(xué)中的理論知識與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)相結(jié)合，把所學(xué)知識轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)社會的能力？如何培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新意識，讓其利用所學(xué)知識分析和解決工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，做到學(xué)有所用？實驗項目的設(shè)計是一個逐步引導(dǎo)的過程，既要注重實驗技能的培養(yǎng)，也要注重工程素養(yǎng)、知識創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4。在實驗項目教學(xué)實施過程中，教師的作用主要是引導(dǎo)和解惑，應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，突出學(xué)生在教學(xué)實施過程中的主體地位。

2.1轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)思維，突出學(xué)生主體地位

如何讓學(xué)生從被動地學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鞯貙W(xué)，是轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)思想的關(guān)鍵，也是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的起點。熟知安全用電知識，熟練掌握實驗儀器和正確的處理數(shù)據(jù)方法，是大學(xué)生動起來的前提條件。應(yīng)將實驗儀器的測量與響應(yīng)范圍、精確度等級、正確使用方法、實驗數(shù)據(jù)處理和干擾因素排除等項目的培訓(xùn)作為重點，首先開設(shè)類似的實驗項目打牢基礎(chǔ)。電工電子類實驗離不開各種儀表儀器，儀表儀器的正確使用和熟練與否對實驗結(jié)果影響較大。因此，每一項實驗項目的設(shè)計都應(yīng)考慮學(xué)生對實驗儀器的掌握情況。

另外，實驗設(shè)備的選擇也應(yīng)避免集成度過高、功能單一的模塊。如驗證基爾霍夫定理的實驗，很多廠家把電路做好，學(xué)生在實驗過程中只需要把電源加在固定的位置插入插頭即可獲得實驗數(shù)據(jù)。這樣做雖然可以簡化實驗步驟，節(jié)省實驗時間，卻限制了學(xué)生發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力的空間，削弱了他們動手能力的培養(yǎng)。

2.2促進知識的融合與靈活運用，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

實驗設(shè)計應(yīng)注重知識融合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。通常將實驗分為驗證性實驗、創(chuàng)新性實驗、綜合性實驗等實驗類型，以此強調(diào)對學(xué)生不同能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，而筆者認為更應(yīng)該注重知識的融合與貫通，因為驗證原理的過程就是一個研究的過程和再學(xué)習(xí)的過程。在驗證性實驗項目設(shè)計中可以加入一些問題讓學(xué)生去驗證、探討，也可以要求學(xué)生自行設(shè)計一個電路加以驗證，不僅可以加強學(xué)生對理論知的理解，也能夠提升學(xué)生的開發(fā)設(shè)計能力。

同樣，在綜合性實驗設(shè)計中可以加入一些理論驗證的部分，讓學(xué)生說出該實驗項目的理論依據(jù)與相應(yīng)的計算過程。這樣設(shè)計雖然增加了實驗難度，但對學(xué)生知識融合能力的提升非常明顯。因此，筆者認為在實驗項目設(shè)計中更應(yīng)該注重多種能力的培養(yǎng)、知識的融合和創(chuàng)新意識與實踐能力的培養(yǎng)，而不是單一素質(zhì)和能力的提高。

2.3貫徹OBE理念，持續(xù)更新實驗教學(xué)內(nèi)容

貫徹OBE理念，持續(xù)更新實驗教學(xué)內(nèi)容，積極協(xié)調(diào)實驗設(shè)備廠商加強產(chǎn)學(xué)合作，改進實驗設(shè)備。同時，在實驗內(nèi)容中適當(dāng)加入一些學(xué)術(shù)觀點供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。如在三相交流電路分析實驗中提供一些與“三表跨相測量三相無功功率實驗設(shè)計”“三相電壓不平衡的原因分析和改進”“低壓配電網(wǎng)三相不平衡的危害及解決措施”等相關(guān)的期刊文章，通過閱讀這些文章，學(xué)生自然會在實驗中重視其中提到問題，不僅可以加深對所學(xué)知識的理解，還能夠開闊視野，增強學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新能力和參與科研的積極性。

2.4實驗設(shè)計要充分考慮學(xué)生的能力、基礎(chǔ)與所學(xué)專業(yè)，做到因材施教

由于專業(yè)、基礎(chǔ)和授課進度不同，學(xué)生之間在能力方面存在一定差異[5。因此，一方面在實驗項目的實施過程中，項目內(nèi)容應(yīng)有所側(cè)重，充分考慮學(xué)生所學(xué)，結(jié)合其就業(yè)方向相應(yīng)改變項目內(nèi)容，做到因材施教；另一方面注重專業(yè)學(xué)習(xí)進度，增加相關(guān)聯(lián)實驗內(nèi)容的設(shè)置。如在非電類專業(yè)的電工電子技術(shù)課程開展的同時，開展PLC與電力傳動等課程，它們之間的內(nèi)容并不是完全脫節(jié)的，適當(dāng)融入相互之間的知識內(nèi)容，不僅能夠拓展學(xué)生的思路，而且能夠促進他們對知識的融合和工程能力的培養(yǎng)。

2.5實驗設(shè)計中理論與實際相結(jié)合，多方面引導(dǎo)，更有利于開發(fā)創(chuàng)新思維與知識融合

在綜合性實驗中加入驗證項目可以加深學(xué)生對理論的理解。如采用不同的控制方法和接線方式，雖然結(jié)果相同，但在某些方面產(chǎn)生的效果卻不一樣。下面以三相異步鼠籠式電動機星一三角降壓啟動實驗為例加以說明。

2.5.1在綜合性實驗中加入理論驗證內(nèi)容，加深學(xué)生對知識的理解

如圖1所示，在主電路中加入一個電流表，通過觀察電流表讀數(shù)，學(xué)生不僅可以了解啟動電流的變化，而且可以驗證前面章節(jié)學(xué)到的三相交流電的理論知識，即三相負載在星角兩種接法的情況下電流之間的關(guān)系，加深對三相交流電路的理解和星一三角降壓啟動的意義。

2.5.2實驗項目設(shè)計應(yīng)從實際出發(fā)，不能僅以完成實驗內(nèi)容為目的

圖1

如圖2所示，在此主接線圖中，當(dāng)電機做星型連接啟動時，電機X、Y、Z三個接線柱是用KM2交流接觸器的輔助觸點連接的，這樣做雖然能減少一個交流接觸器，在實驗室用功率相對較小的三相異步鼠籠式電機（實驗中大多用的是100W左右的電機）也可以看到控制現(xiàn)象，實現(xiàn)功能。但在實際生活中，這樣接線必然會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果，在實驗項目設(shè)計中應(yīng)杜絕這種脫離實際的案例內(nèi)容。

圖2

2.5.3實驗項目設(shè)計中通過參數(shù)、電路圖的變化激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生從實踐中發(fā)現(xiàn)問題、用所學(xué)知識解決問題的能力

從圖 3～ 圖5可以看出，交流接觸器KM3主觸點的前端接線位置發(fā)生變化，形成實際中常用的三種主電路接線方式。針對這三個圖，提出問題：圖4、圖5中熱繼電器FR能放在圖中的位置嗎？如果這樣放置，整定電流如何調(diào)整？熔斷器和熱繼電器的位置可以互換嗎？在實際中很多電工使用圖5所示的接線方法，在這種接線方法下，流經(jīng)KM1的電流是KM3的多少倍？如何根據(jù)電路中電流大小選擇相應(yīng)的交流接觸器？

實驗實踐中，發(fā)現(xiàn)圖3到圖4的變化讓學(xué)生產(chǎn)生很多問題，例如：熱繼電器放在這里合適不合適？整定值應(yīng)該按銘牌上標(biāo)注的電流值的多少倍來確定？熔斷器的位置是不是也可以改變？等等。

以一臺7.5KW（額定電流約為15A）三相異步鼠籠式電動機為例，如圖4接線電機正常運轉(zhuǎn)達到額定功率時，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識知道此時流經(jīng)熱繼電器FR的電流只有銘牌上的 倍，這時如果將熱繼電器整定值調(diào)整到 15A ，那么熱繼電器將起不到保護作用。通常情況下，根據(jù)電機額定電流即銘牌上標(biāo)注的電流值來確定熱繼電器的整定值，因此，非特殊情況通常不用圖4和圖5所示的方式來放置FR的位置。同樣道理，F(xiàn)U和KM1的位置也可以變動，只是流過熔絲的電流值和流過KM1主觸點的電流值發(fā)生變化，選擇元件時也要做相應(yīng)改變。

圖3

通過以上問題分析，可以看出這種電路的改動和元件參數(shù)的整定都和所學(xué)的理論知識緊密相連，學(xué)生可以運用所學(xué)知識判斷電路和整定值是否正確，然后通過實驗加以驗證。這樣做不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進一步理解所學(xué)知識，而且能拓寬思路，激發(fā)創(chuàng)新思維。

圖4

3 教學(xué)效果

自2021年起，教學(xué)團隊對電工電子技術(shù)實驗項目內(nèi)容進行持續(xù)改進，在驗證性實驗中加入部分探究問題與一些提高操作能力的實驗題目，以加深學(xué)生對知識的理解與掌握，增強他們的實驗動手能力。在綜合性實驗項目設(shè)計中更多結(jié)合實際生產(chǎn)中的案例，在創(chuàng)新性實驗項目設(shè)計中加入新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計案例等內(nèi)容。自2022年起，新的實驗項目設(shè)計先后應(yīng)用于2021、2022級機制、農(nóng)機專業(yè)的電工電子技術(shù)實驗課程，學(xué)生考核成績優(yōu)良率較2020級（使用舊版實驗項目）有明顯提升，教學(xué)效果顯著。

表1為實驗項目設(shè)計改進前后成績統(tǒng)計情況，可以看出實驗項目設(shè)計的持續(xù)改進加深了學(xué)生對理論知識的理解，拓寬了學(xué)生的知識面，提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與實際問題解決能力，促進了學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。實驗項目設(shè)計注重動手能力與學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，實現(xiàn)理論與實踐、新技術(shù)與新方法的結(jié)合，通過實驗項目內(nèi)容的改進，達到新工科建設(shè)對工科學(xué)生提出的時代要求。

圖5

4結(jié)束語

讓學(xué)生通過實驗進一步加深對理論知識的理解，并運用理論知識指導(dǎo)和判斷事物的正確性，這種運用知識開發(fā)創(chuàng)新、服務(wù)社會創(chuàng)造價值的過程是教學(xué)的重要目的之一。實驗項目設(shè)計對促進學(xué)生能力培養(yǎng)和創(chuàng)新思維啟迪，以及充分適應(yīng)新工科建設(shè)需求，具有至關(guān)重要的作用。本文基于新工科建設(shè)要求，從當(dāng)前實驗項目中存在的問題出發(fā)，圍繞指導(dǎo)思想、優(yōu)化實驗內(nèi)容、注重理論與實際結(jié)合、開闊視野等方面，結(jié)合筆者多年的實驗教學(xué)經(jīng)驗，闡述實驗項目設(shè)計的一些觀點，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)課程實驗教學(xué)改革提供幫助和參考。

表1實驗成績優(yōu)良人數(shù)統(tǒng)計

注：90分及以上，優(yōu)秀； 80～89 分，良好； 60～79 分，及格。

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