淺論中美高校工科工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之差異

彭光金，侯世英，熊 蘭，韓 力

(重慶大學(xué)國家電工電子基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心，重慶400030)

美國辛辛那提大學(xué)(UC)成立于1819年，是該國第二古老的公立學(xué)府。該校工程學(xué)院目前采用的COOP(企業(yè)帶薪實(shí)習(xí))培養(yǎng)模式屬全球首創(chuàng)，自1906年至今已逾百年歷史，畢業(yè)生深受通用和寶潔等跨國公司歡迎。2014年我校與UC開展本科人才聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃，首次在中國高校引入COOP培養(yǎng)模式，全面引入U(xiǎn)C的工科專業(yè)培養(yǎng)模式和課程體系。

筆者根據(jù)在UC幾個(gè)月的學(xué)習(xí)、聽課觀摩和親身體驗(yàn)，感到我國和美國高校在工科專業(yè)的工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和方法上存在差異較大，借此從教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)效果四個(gè)方面對(duì)這些差異進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 教學(xué)大綱

UC的工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(College of Engineering and Applied Science)，針對(duì)所有工科專業(yè)一年級(jí)新生開設(shè)了一門2學(xué)分的“工程基礎(chǔ)”必修課程。這是一門引導(dǎo)學(xué)生了解多學(xué)科工程領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用信息的介紹性課程，偏重于介紹不同學(xué)科之間的相似性，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)課程。通過該課程學(xué)習(xí)，學(xué)生開始接受大學(xué)階段的工程倫理學(xué)和職業(yè)技能的培訓(xùn)教育。

“工程基礎(chǔ)”課程覆蓋的專業(yè)領(lǐng)域較廣，涉及物理、生物和化學(xué)等多門學(xué)科。這在國內(nèi)大學(xué)很難找到一門類似的課程。我們可從該課程教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)中看出美國大學(xué)存在以下特點(diǎn)[1，2]。

1)重視工科專業(yè)學(xué)生的職業(yè)道德倫理學(xué)教育

在UC的課程中有專門的教學(xué)環(huán)節(jié)講授工程倫理學(xué)相關(guān)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生如何以科學(xué)探索精神從事工科專業(yè)的知識(shí)學(xué)習(xí)，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)，認(rèn)識(shí)到抄襲和剽竊等學(xué)術(shù)不端行為的危害性。這是目前我國高等教育中普遍缺失的環(huán)節(jié)，值得我們?cè)谝院笳{(diào)整相關(guān)課程教學(xué)大綱時(shí)借鑒。

2)重視工科專業(yè)學(xué)生的通識(shí)教育

在UC的“工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)大綱的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，實(shí)作項(xiàng)目涵蓋了多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域:基本電路測量、橋梁設(shè)計(jì)及分析、太陽能電池、燃料電池和熱力學(xué)等。這些看似關(guān)聯(lián)度并不緊密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓不同專業(yè)的工科大一新生既可以初步涉獵到本專業(yè)的一些基本知識(shí)，也可以了解其他相關(guān)專業(yè)的基本知識(shí)，拓展視野，增進(jìn)學(xué)科交叉。國內(nèi)大學(xué)過于強(qiáng)調(diào)本專業(yè)知識(shí)與技能，鮮有涉及本專業(yè)與其他專業(yè)或?qū)W科的關(guān)聯(lián)性與合作研究成果。

3)重視工科學(xué)生職業(yè)技能和學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)

“工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)大綱提出的教學(xué)目標(biāo)包括團(tuán)隊(duì)合作精神、交流溝通能力、工程問題解決方案策略、工程知識(shí)綜合應(yīng)用能力和書面和口頭表達(dá)能力等多方面的能力培養(yǎng)。國內(nèi)大學(xué)目前已經(jīng)在理論教學(xué)中強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)的必要性，在各類國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心通過開展高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍和完備的實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)，創(chuàng)新管理機(jī)制，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)資源開放共享，強(qiáng)化大學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，取得了一些成績。但是根據(jù)筆者所在重慶地區(qū)的觀察和同行交流了解，國內(nèi)很多高校在各類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍然存在重知識(shí)與技能訓(xùn)練、輕能力培養(yǎng)的問題，沒有切實(shí)改變沿用多年的教學(xué)方法與手段。

4)實(shí)驗(yàn)課程的考核注重學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)

UC的“工程基礎(chǔ)”課程成績的組成比例是:實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)和課后報(bào)告占50%，作業(yè)和操作占10%，分組報(bào)告占25%，測驗(yàn)占15%。目前雖然國內(nèi)部分大學(xué)通過開展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)等多環(huán)節(jié)分段考核以改變傳統(tǒng)主要依據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定成績的方式，但是課程成績考評(píng)過于單一的現(xiàn)象仍然普遍存在。美國大學(xué)注重課前預(yù)習(xí)、平時(shí)測驗(yàn)、布置大作業(yè)和團(tuán)隊(duì)講解演示等全方位成績考核的方法，值得國內(nèi)高校借鑒。

2 教學(xué)內(nèi)容

國內(nèi)大學(xué)工科專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要涵蓋“大學(xué)物理”、“電工基礎(chǔ)”、“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”和“大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)”等課程。

“工程基礎(chǔ)”作為一門概述性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，課程的教學(xué)內(nèi)容選擇和設(shè)計(jì)獨(dú)具一格，富有創(chuàng)造性。首先其兼顧了電氣、機(jī)械和建筑等多個(gè)工科專業(yè)的專業(yè)背景，介紹專業(yè)相關(guān)的基本概念和基本原理，提高學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣;其次，充分顧及到低年級(jí)學(xué)生幾乎不具備專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以及沒有專業(yè)交叉融合思想的實(shí)際情況。這種設(shè)計(jì)思路和方法在目前中國高?；臼遣豢上胂蟮摹Ｗ鳛榻梃b，我們?cè)诖税言撜n程的主要教學(xué)內(nèi)容做一個(gè)簡單介紹?！肮こ袒A(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容分為兩大部分:基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。

2.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

包括5個(gè)內(nèi)容，分別是關(guān)于基礎(chǔ)電氣實(shí)驗(yàn)、橋梁實(shí)驗(yàn)、熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)和太陽能電池和燃料電池實(shí)驗(yàn)等。

(1)基礎(chǔ)電氣(Basic Electricity)實(shí)驗(yàn)，主要是學(xué)習(xí)使用電表測量電阻、電壓、電流的方法，驗(yàn)證歐姆定律、基爾荷夫電壓電流定律、電阻串并聯(lián)的分壓與分流原理，觀察RC電路中電容充電和放電現(xiàn)象。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括電表、圖1(a)所示的專用電路實(shí)驗(yàn)板、電阻、電容和圖1(b)所示的模擬設(shè)計(jì)套件等。

圖1 基本電氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(2)橋梁(Bridge)實(shí)驗(yàn)，主要學(xué)習(xí)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力測試。驗(yàn)證力的平行四邊形法則、力的傳遞性原理、牛頓三大定律以及萬有引力定律。使用的主要設(shè)備有橋梁專用實(shí)驗(yàn)箱，包括橋梁模塊、組裝聯(lián)接部件和應(yīng)力傳感器，如圖2(a)所示。另外學(xué)習(xí)使用Data Studio軟件來仿真觀察應(yīng)力變化曲線，如圖2(b)所示。

(3)熱力學(xué)(Thermodynamics)實(shí)驗(yàn)，通過觀察珀?duì)柼?yīng)驗(yàn)證熱力學(xué)第一定律即能量守恒原理，測量電能與熱能之間相互轉(zhuǎn)化的速度、規(guī)模和效率。主要設(shè)備有珀?duì)柼b置、電源和電壓電流傳感器等，如圖3(a)所示。實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)通過Data Studio軟件顯示，如圖3(b)所示。

圖2 橋梁實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件

圖3 熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

(4)太陽能電池(Solar Cell)和燃料電池(Fuel Cell)實(shí)驗(yàn)使用同一套專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如圖4所示。太陽能電池實(shí)驗(yàn)通過測量太陽能電池對(duì)電阻負(fù)載的輸出功率，估算太陽能電池的利用效率。燃料電池實(shí)驗(yàn)通過水的電解產(chǎn)生氫氣，輸入到燃料電池中驅(qū)動(dòng)小風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，觀察燃料電池驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的時(shí)間。

圖4 太陽能電池和燃料電池實(shí)驗(yàn)

2.2 綜合實(shí)驗(yàn)

在上述基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬定了電路、橋梁和燃料電池驅(qū)動(dòng)小汽車三個(gè)備選綜合實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生分組進(jìn)行資料查閱、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)測量和分析。

3 教學(xué)手段

近年來，國內(nèi)大學(xué)工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件環(huán)境建設(shè)進(jìn)展較快，但是教學(xué)手段等軟件環(huán)境的建設(shè)進(jìn)展并不明顯，普遍存在重教師講授、輕學(xué)生實(shí)踐現(xiàn)象[3]。比較而言，美國大學(xué)教育更重視培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力?！肮こ袒A(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)手段與方法充分體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。

課程主要分為教師課堂講授、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、學(xué)生陳述報(bào)告三個(gè)環(huán)節(jié)。

(1)教師講授和實(shí)驗(yàn)交叉進(jìn)行，基本實(shí)驗(yàn)大概10周完成:每周有1小時(shí)講授和2小時(shí)實(shí)驗(yàn)，每兩周完成一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，基本實(shí)驗(yàn)之后的綜合實(shí)驗(yàn)安排兩周時(shí)間，最后兩周由學(xué)生做分組陳述報(bào)告。教學(xué)形式的多樣化有助于培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，尤其綜合實(shí)驗(yàn)和學(xué)生報(bào)告環(huán)節(jié)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與，效果尤佳。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件環(huán)境很好，教師講授教室配備有全方位的投影設(shè)施，講臺(tái)在教室中間，講臺(tái)的實(shí)物投影設(shè)備可以兼顧手寫、打印材料和電子多媒體材料多種方式的使用。學(xué)生可以從四周的投影屏幕觀看講授的內(nèi)容。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件環(huán)境也非常完善。UC有一套用于教學(xué)管理的BlackBoard軟件系統(tǒng)，學(xué)生通過該系統(tǒng)選課，教師通過系統(tǒng)發(fā)布課程材料，收集學(xué)生電子文檔作業(yè)和報(bào)告。教師和助教通過系統(tǒng)布置作業(yè)、發(fā)布作業(yè)答案和學(xué)習(xí)答疑討論，該系統(tǒng)為教學(xué)質(zhì)量提供了一個(gè)重要的平臺(tái)保障。實(shí)驗(yàn)采用分組形式，2-3位學(xué)生一組，有助于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流溝通的能力。每3-5組學(xué)生配備一位助教，全程跟蹤和指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)情況，這一點(diǎn)是國內(nèi)多數(shù)高校目前很難做到的。

4 教學(xué)效果

國內(nèi)大學(xué)工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目標(biāo)包含驗(yàn)證課程學(xué)習(xí)中的理論知識(shí)，通過融合綜合性知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，以便加深學(xué)生對(duì)知識(shí)與技術(shù)的理解與掌握。但因?qū)W生人數(shù)過多，實(shí)驗(yàn)教師的知識(shí)水平有限，實(shí)驗(yàn)題目通常數(shù)量較少并且常年固定不變學(xué)生選擇題目的余地小，興趣不夠高。

美國大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重視學(xué)生自己擬定題目動(dòng)手實(shí)踐、交流溝通和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力的培養(yǎng)。學(xué)生的創(chuàng)造性思維會(huì)得到教師積極的鼓勵(lì)和幫助，他們?nèi)〉玫某晒３３鼋處煹南胂?。“工程基礎(chǔ)”課程有一組學(xué)生利用橋梁組件在綜合實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一個(gè)迷你過山車模型，其實(shí)物展示效果令人驚嘆。

5 結(jié)語

根據(jù)筆者幾個(gè)月在美國UC觀摩學(xué)習(xí)的體驗(yàn)，感覺美國大學(xué)工科專業(yè)的工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件條件雖然比國內(nèi)略好一些，但是國內(nèi)大學(xué)的不足更多體現(xiàn)在軟件環(huán)境建設(shè)和教學(xué)模式設(shè)計(jì)，因而取得的教學(xué)效果無法媲美。國內(nèi)大學(xué)在工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面應(yīng)該吸取美國大學(xué)的一些寶貴經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國國情和學(xué)?，F(xiàn)狀，建設(shè)一種崇尚實(shí)踐性、自主性和創(chuàng)造性的教學(xué)環(huán)境。只有這樣，才能形成一大批業(yè)務(wù)精良、具有國際視野和重視學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師隊(duì)伍，才能通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)更多思維活躍、實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)和自主學(xué)習(xí)素質(zhì)高的優(yōu)秀學(xué)生。

[1]李靜，王祖源.中美大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比較與分析[J].北京:中國大學(xué)教學(xué)，2008年第2期

[2]于文睿，李佩芝，程艷娟.從美國大學(xué)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得的啟示[J].長春:吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，23(02)，2002.06

[3]李詩明.中美高校課堂教學(xué)模式中教師角色的比較研究(D)，哈爾濱:哈爾濱師范大學(xué)，2012.06