基于“新工科”背景下的電工學(xué)課程的工程教育模式研究

劉曼玲+彭衛(wèi)韶+吳顯金

【摘 要】 國(guó)家“一帶一路”、“中國(guó)制造2025”與“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)高等院校的工程教育提出了改革創(chuàng)新的要求，“新工科”也由此應(yīng)運(yùn)而生。本文以電工學(xué)課程為例，對(duì)“新工科”中的新型工程教育模式進(jìn)行研究，將在電工學(xué)課程與現(xiàn)代信息教育技術(shù)相結(jié)合、電工學(xué)課程與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合及電工學(xué)課程與工程實(shí)際相結(jié)合三個(gè)方面進(jìn)行探索與實(shí)踐，為現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型的卓越工程科技人才。

【關(guān)鍵詞】 新工科；工程教育信息化；電工學(xué)

【中圖分類號(hào)】 G642.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2095-3089（2017）17-0-02

1.引言

全球共經(jīng)歷了19世紀(jì)、20世紀(jì)與20世紀(jì)70年代的三次工業(yè)革命，21世紀(jì)世界正處于第四次工業(yè)革命（也稱工業(yè)4.0）的浪潮中。工業(yè)4.0的概念與計(jì)劃，由德國(guó)于2011年首次提出、2013年正式通過(guò)并納入高技術(shù)戰(zhàn)略2020。隨后，其他國(guó)家也紛紛出臺(tái)了類似的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃，如美國(guó)《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》、《日本再興戰(zhàn)略》、《法國(guó)新工業(yè)》、韓國(guó)《制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略實(shí)施方案》和《中國(guó)制造2025》等[1]。歷史證明：任何一次工業(yè)革命都有力地推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了教育、尤其是工程教育的大變革。實(shí)施工業(yè)4.0需要工程教育4.0，需要卓越的教育家和工程師。

2015年3月5日，李克強(qiáng)在全國(guó)兩會(huì)上作《政府工作報(bào)告》時(shí)首次提出《中國(guó)制造2025》的宏大計(jì)劃，它是中國(guó)政府實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)?！吨袊?guó)制造2025》提出，堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，實(shí)現(xiàn)新中國(guó)成立一百年時(shí)，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)前列。2015年3月28日，國(guó)家發(fā)革委、外交部、商務(wù)部聯(lián)合發(fā)布了《推動(dòng)共建絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和21世紀(jì)海上絲綢之路的愿景與行動(dòng)》。一帶一路旨在積極發(fā)展與沿線國(guó)家的經(jīng)濟(jì)合作伙伴關(guān)系，共同打造政治互信、經(jīng)濟(jì)融合、文化包容的利益共同體、命運(yùn)共同體和責(zé)任共同體。

為進(jìn)一步貫徹國(guó)家戰(zhàn)略部署要求，2017年6月16日，《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》（教高廳函[2017]33號(hào)）中提出：為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，主動(dòng)服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和“一帶一路”“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略實(shí)施，加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，經(jīng)研究，我部就推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的相關(guān)工作安排通知如下。其中通知中推薦了一批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目共計(jì)21項(xiàng)，主要涵蓋：國(guó)際工程教育改革經(jīng)驗(yàn)的比較與借鑒、我國(guó)工程教育改革的歷程與經(jīng)驗(yàn)分析、多學(xué)科交叉復(fù)合的新興工科專業(yè)建設(shè)探索與實(shí)踐及新型工程教育信息化的探索等亟待研究的課題。“新工科”的主要研究?jī)?nèi)容可歸納為“五個(gè)新”，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系[2]。我校積極響應(yīng)教育部“新工科”的倡議，在全校組織開(kāi)展“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的申報(bào)，為高等教育應(yīng)對(duì)第4次工業(yè)革命的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。

為了助力學(xué)校“雙一流”建設(shè)及大類招生、大類培養(yǎng)改革，構(gòu)建“新工科”人才培養(yǎng)模式，本文以電工學(xué)課程為例，對(duì)新型工程教育模式進(jìn)行研究，將在電工學(xué)課程與現(xiàn)代信息教育技術(shù)相結(jié)合、電工學(xué)課程與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合及電工學(xué)課程與工程實(shí)際相結(jié)合等三個(gè)方面進(jìn)行探索與實(shí)踐。

2.電工學(xué)課程與現(xiàn)代信息教育技術(shù)相結(jié)合

“電工學(xué)A”、“電工學(xué)B”課程是我校面對(duì)非電工科類專業(yè)開(kāi)設(shè)的電類公共基礎(chǔ)課，包含電路、電機(jī)控制、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等內(nèi)容。它集電工電子和其它學(xué)科理論和技術(shù)于一體，覆蓋面廣，實(shí)踐性強(qiáng)。我校礦物、生物、測(cè)繪、材料、土木等十幾個(gè)專業(yè)均開(kāi)設(shè)了此課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生獲得電工、電子技術(shù)必要的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，了解電工、電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展概況，為拓寬知識(shí)面以及從事與本專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)打下一定的基礎(chǔ)。

2014年、2015年“電工學(xué)A”與“電工學(xué)B”被列為中南大學(xué)開(kāi)放式精品示范課堂并均已結(jié)題。2017年1月“電工學(xué)A”被批準(zhǔn)為中南大學(xué)開(kāi)放式精品示范課堂認(rèn)定項(xiàng)目。為了改善電工學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少，課程難學(xué)、實(shí)驗(yàn)難做的狀況，根據(jù)當(dāng)今大學(xué)生個(gè)性張揚(yáng)、易于接受新事物與精通互聯(lián)網(wǎng)等特點(diǎn)，開(kāi)放式精品示范課堂在電工學(xué)課程與現(xiàn)代信息教育技術(shù)相結(jié)合方面做了一些嘗試，如開(kāi)發(fā)了電工電子網(wǎng)站；建立了郵箱、QQ群與微信交流平臺(tái)；將阿里巴巴集團(tuán)開(kāi)發(fā)的“釘釘”辦公軟件運(yùn)用到教學(xué)中，上傳教學(xué)大綱、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、課件、教案、試卷到網(wǎng)站，學(xué)生可以隨時(shí)收看；與之關(guān)聯(lián)的導(dǎo)學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、錄像等也在群和公共郵箱中共享，為學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)放的、多維度的課堂。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程（massive open online courses，MOOC）蓬勃發(fā)展，美國(guó)Udacity、Coursera與edX三大網(wǎng)絡(luò)教育品牌的誕生，給教育理論和人才培養(yǎng)注入了新的活力，為全球優(yōu)秀資源共享提供了更為廣闊的平臺(tái)，也為先進(jìn)知識(shí)的傳播提供了更加方便的途徑。研究在線學(xué)習(xí)的美國(guó)專家曾把教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量、教師在教學(xué)中的投入以及師生之間的互動(dòng)作為在線學(xué)習(xí)的三要素[3]。近幾年中國(guó)也涌現(xiàn)了愛(ài)課程、慕課網(wǎng)、中國(guó)大學(xué)MOOC等中國(guó)十大慕課網(wǎng)，靈活的教學(xué)模式與自由的學(xué)習(xí)方式讓成千上萬(wàn)的中國(guó)學(xué)生參與其中并從中受益。

2016年12月，“電工學(xué)”被批準(zhǔn)為中南大學(xué)精品在線開(kāi)放課程，今年暑假已全部完成視頻錄制，有望不久將登上國(guó)家級(jí)教育平臺(tái)的MOOC網(wǎng)。在下面將要進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)中，將根據(jù)新工科的要求與MOOC的特點(diǎn)，在工程實(shí)際方面進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持學(xué)生學(xué)習(xí)、師生交互、協(xié)同學(xué)習(xí)、信息共享和易用性高的網(wǎng)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)。如利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，建立討論區(qū)，加強(qiáng)“師生互動(dòng)”和“生生互動(dòng)”。老師在固定的時(shí)間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與學(xué)生討論有關(guān)該課程的學(xué)習(xí)方面的問(wèn)題；建立課程論壇，學(xué)生通過(guò)注冊(cè)、登錄論壇相互自由討論；將基本概念和容易混淆的問(wèn)題編制成隨機(jī)抽取自測(cè)題，學(xué)生可以上網(wǎng)反復(fù)測(cè)試并取最高分；采用協(xié)助學(xué)習(xí)的形式，學(xué)生之間互評(píng)網(wǎng)上作業(yè)并打分；介紹新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用及簡(jiǎn)單電子產(chǎn)品的制作；利用電子仿真軟件如Multisim、Proteus或視頻錄像等增加一些實(shí)物、實(shí)例和實(shí)驗(yàn)的演示；引導(dǎo)學(xué)生從電工電子工程的框架入手，先確定整個(gè)項(xiàng)目的功能結(jié)構(gòu)、邏輯劃分等，啟發(fā)學(xué)生如何完成項(xiàng)目的基本要求和擴(kuò)展要求，培養(yǎng)學(xué)生良好的思維方法與實(shí)際才能?？傊?，遵循學(xué)習(xí)-實(shí)踐-理論-總結(jié)的教學(xué)模式，使學(xué)生所學(xué)知識(shí)向能力轉(zhuǎn)換，并走向工程應(yīng)用。endprint

3.電工學(xué)課程與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合

針對(duì)“電工學(xué)”課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少，應(yīng)用性與實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在與該課程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、電子創(chuàng)作與設(shè)計(jì)大賽中積極開(kāi)展改革。近幾年先后有“電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放式精品課堂”、“自主運(yùn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室管理的研究”、“中南大學(xué)創(chuàng)客空間”及“中南電子與沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)”等四個(gè)項(xiàng)目獲學(xué)校審批，其中采用的教學(xué)方法之一就是在課堂、實(shí)驗(yàn)與綜合性實(shí)例中采用電子設(shè)計(jì)軟件Multisim、Proteus進(jìn)行輔助教學(xué)。Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具；Proteus是英國(guó)Lab Center Electronics公司開(kāi)發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它還是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。這2款軟件均具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路與混合電路的仿真與調(diào)試。在教學(xué)中采用電子設(shè)計(jì)軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真和調(diào)試，讓一些抽象、枯燥的知識(shí)點(diǎn)變得形象直觀、易于理解；Multisim、Proteus中虛擬元器件與儀器儀表齊全，學(xué)生若能在實(shí)驗(yàn)前利用仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，將有助于他們建立起直觀的感性認(rèn)識(shí)、減少實(shí)際中的盲目操作和走過(guò)場(chǎng)現(xiàn)象，真正達(dá)到理論與實(shí)際相結(jié)合的目的。

為了讓學(xué)生們能掌握Multisim、Proteus技術(shù)并學(xué)以致用，采用學(xué)生自學(xué)、交流展示等方式進(jìn)行，并推選一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)仿真作業(yè)的管理，如將習(xí)題冊(cè)、書(shū)上章節(jié)后的練習(xí)題、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)例等列成表格、發(fā)布，讓學(xué)生自由選取。同學(xué)們做好仿真以及相關(guān)的PPT后發(fā)給負(fù)責(zé)人把關(guān)，再由老師審閱后共享到QQ群里，挑選優(yōu)秀的作品到講臺(tái)上演示，仿真作業(yè)的分?jǐn)?shù)納入到期末平時(shí)成績(jī)的總分中。實(shí)踐表明：采用理論與應(yīng)用、虛擬與實(shí)際相結(jié)合的方法，將電路與電子技術(shù)的原理圖用仿真軟件真實(shí)地再現(xiàn)出來(lái)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，延伸了課堂的時(shí)間與空間，提高了他們的自主學(xué)習(xí)能力，也取得了良好的教學(xué)效果。

根據(jù)“新工科”對(duì)多學(xué)科交叉融合工程人才培養(yǎng)的要求，在已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)電學(xué)與學(xué)生所學(xué)專業(yè)的關(guān)聯(lián)與結(jié)合，將電子大賽和工程實(shí)際中的題目引入到教學(xué)中，讓學(xué)生熟悉設(shè)計(jì)、仿真與制作電子產(chǎn)品的全過(guò)程，真正使學(xué)生達(dá)到學(xué)以致用、知行合一的目的。

4.電工學(xué)課程與工程實(shí)際相結(jié)合

電工學(xué)A、電工學(xué)B開(kāi)放式精品示范課堂與實(shí)驗(yàn)改革、仿真項(xiàng)目的實(shí)行，改變了過(guò)去傳統(tǒng)的“講三練二考一”的教育模式，使學(xué)生感到電工學(xué)課程難學(xué)的狀況得到了改善，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)實(shí)踐方面也取得了一些成績(jī)和經(jīng)驗(yàn)，但離國(guó)際化的“講一練二做三”的工程教育模式還有一定的差距，因此采用CDIO中的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）與操作（Operate）的教育理念，在電工學(xué)課程的研究中，進(jìn)一步實(shí)踐體驗(yàn)CDIO（構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—操作）的工程教學(xué)法流程。

CDIO是由美國(guó)麻省理工學(xué)院聯(lián)合世界著名工科大學(xué)從2000年開(kāi)始研究實(shí)施的先進(jìn)教育模式，它以“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”（Project based education and learning）為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，使學(xué)生通過(guò)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，感受企業(yè)文化氛圍，形成工程能力和素質(zhì)[4]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法采用啟發(fā)—交流—?jiǎng)?chuàng)新的模式，即先從實(shí)際應(yīng)用提出一個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生思考如何用現(xiàn)有知識(shí)解決，通過(guò)探討后如何應(yīng)用新的工程技術(shù)知識(shí)解決。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)在于：一是調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；二是學(xué)以致用；三是啟發(fā)科學(xué)思維。因此，將實(shí)踐性強(qiáng)的電工學(xué)系列課程與CDIO的教學(xué)理念相結(jié)合，將有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力與實(shí)踐動(dòng)手能力。

《電工學(xué)（多學(xué)時(shí)）導(dǎo)學(xué)教程》被列為2017年中南大學(xué)精品教材立項(xiàng)項(xiàng)目，課題組老師將根據(jù)新工科的特點(diǎn)與CDIO的教學(xué)理念，編好此本輔導(dǎo)教材，將傳統(tǒng)的“學(xué)工程”轉(zhuǎn)向“做工程”，為學(xué)生指引導(dǎo)航。

湖南省與全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽每年交叉進(jìn)行，具有一定的權(quán)威性和影響力，也吸引了許多的電子愛(ài)好者、優(yōu)秀大學(xué)生參賽。電子競(jìng)賽中要求學(xué)生做出實(shí)際的產(chǎn)品：如小車、電源、四旋翼等，完成這些作品需要進(jìn)行以下流程：方案選擇—設(shè)計(jì)—仿真—編程—制作電路板—計(jì)算和選擇元器件—分塊調(diào)試—聯(lián)調(diào)等，與工程實(shí)際十分貼近。為了更好地搞好電子競(jìng)賽，中南大學(xué)一般從成績(jī)好且有興趣的大學(xué)二年級(jí)的學(xué)生中選拔，電類與非電專業(yè)的學(xué)生均可以參與，讓他們?cè)诰邆湟欢ǖ碾娮蛹夹g(shù)、編程語(yǔ)言等理論基礎(chǔ)和參加電工與電子實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐后進(jìn)行，效果會(huì)比較好。老師與公司中的技術(shù)人員利用中南大學(xué)創(chuàng)客空間與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生進(jìn)行大規(guī)模數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)流程及工具的培訓(xùn)，學(xué)生可以在課余時(shí)間、暑假進(jìn)行電子創(chuàng)作和賽前的實(shí)訓(xùn)工作。有一批高精度的示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、高頻信號(hào)發(fā)生器、電子負(fù)載儀等電子設(shè)備供學(xué)生學(xué)習(xí)和研究使用；具有完整的一套制板儀，學(xué)生用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)PCB后，可在該制板儀上完成其生產(chǎn)全過(guò)程，充分學(xué)習(xí)和了解電路板的制造過(guò)程；大型虛擬實(shí)驗(yàn)仿真與預(yù)習(xí)平臺(tái)，為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、學(xué)科競(jìng)賽與創(chuàng)新活動(dòng)等提供電路仿真支持，平臺(tái)在自定義增加仿真模型之后，可以無(wú)限擴(kuò)展。

根據(jù)“新工科”的要求，計(jì)劃在已有實(shí)踐的基礎(chǔ)上，密切校企聯(lián)合，采用“請(qǐng)進(jìn)來(lái)”和“走出去”的方法，加強(qiáng)與實(shí)際工程的聯(lián)系，緊跟科技前沿，更新知識(shí)與技能，讓企業(yè)為學(xué)校提供技術(shù)與硬件的支持，學(xué)校為企業(yè)輸送優(yōu)秀人才。事實(shí)證明：凡是參加業(yè)余電子創(chuàng)作與電子競(jìng)賽訓(xùn)練的學(xué)生，他們查找資料、學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力都有了較大的提高，在軟件調(diào)試、硬件制作與排除故障等方面尤為突出，受到保研高校與用人單位的歡迎。

5.結(jié)語(yǔ)

在電工學(xué)課程中引入“新工科”中的新型工程教育模式，必將激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，提高高等學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家的“一帶一路”、“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略部署和培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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