工程教育認(rèn)證背景下電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

摘 要 為達(dá)到工程教育認(rèn)證對(duì)學(xué)生畢業(yè)要求的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電路實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)涵要求、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、考核評(píng)價(jià)機(jī)制進(jìn)行探索和實(shí)踐，運(yùn)行成果表明，學(xué)生各項(xiàng)能力得到提高并達(dá)到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 工程教育認(rèn)證；電路實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）02-0127-03

1 前言

由中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)組織實(shí)施的工程教育專業(yè)認(rèn)證是針對(duì)高校本科工程類專業(yè)開展的人才合格評(píng)價(jià)工作，是能夠在國(guó)際工程教育質(zhì)量保證體系中認(rèn)可和通行的評(píng)價(jià)機(jī)制[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心教育理念是以產(chǎn)出為導(dǎo)向，把學(xué)生作為社會(huì)需求的、能夠解決復(fù)雜工程問題的“產(chǎn)品”來確定培養(yǎng)目標(biāo)，制訂培養(yǎng)方案，實(shí)施教學(xué)活動(dòng)[2]。因此，在工程認(rèn)證背景下，許多傳統(tǒng)的教學(xué)理念、教學(xué)模式已經(jīng)無法適應(yīng)這種趨勢(shì)，需要圍繞對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的輸出成果和畢業(yè)要求進(jìn)行改革。

工程教育認(rèn)證對(duì)專業(yè)考查的重點(diǎn)是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)是高校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和獨(dú)立解決問題能力的重要途徑[3]。作為電類專業(yè)的學(xué)生，電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課是一門承上啟下的必修工程類基礎(chǔ)課程，其肩負(fù)著對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作能力、實(shí)驗(yàn)故障排除能力、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫能力等的初步培養(yǎng)，同時(shí)為以后專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程所需的能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ)，因此在工程教育認(rèn)證過程中占據(jù)重要地位。本文以常熟理工學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)（卓越計(jì)劃）的“電路與電子實(shí)驗(yàn)（A1）”課程為例，闡述在工程認(rèn)證背景下的教學(xué)改革理念和教學(xué)體系設(shè)計(jì)。

2 工程教育認(rèn)證對(duì)電路實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)涵要求

為符合工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)課程需要重新評(píng)價(jià)其所在專業(yè)課程體系中的地位和作用，并按照工程教育認(rèn)證對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程知識(shí)能力的要求進(jìn)行能力分解，根據(jù)能力與畢業(yè)要求關(guān)系矩陣，得到這門課程所支撐的所有畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)改革。

課程在所屬專業(yè)課程體系中的地位和作用 “電路與電子實(shí)驗(yàn)（A1）”即電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，是高等學(xué)校本科自動(dòng)化類專業(yè)的第一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課，主要任務(wù)是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握正確使用各類電子儀器儀表、基本測(cè)量和研究方法以及電路電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)及其運(yùn)用，并通過工程性和功能性相結(jié)合的實(shí)踐研究環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生積極思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主動(dòng)手和獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的研究能力和創(chuàng)新意識(shí)，為后續(xù)專業(yè)課程和從事工程技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

課程培養(yǎng)學(xué)生的工程知識(shí)能力和支撐的畢業(yè)要求指標(biāo) 根據(jù)課程所處地位和主要作用，并對(duì)照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，“電路與電子實(shí)驗(yàn)（A1）”課程重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生以下工程知識(shí)能力。

知識(shí)能力1：掌握基爾霍夫定律、疊加原理、戴維南定理和諾頓定理的基本原理及其驗(yàn)證方法，掌握受控源控制特性和負(fù)載特性及其測(cè)試方法，掌握一階電路、二階動(dòng)態(tài)電路的響應(yīng)規(guī)律及其測(cè)試方法和RLC串聯(lián)諧振電路特性的研究方法，掌握阻抗參數(shù)測(cè)量和功率因素改善方法等。

知識(shí)能力2：熟練地掌握示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、交流毫伏表、萬用表等常用電子儀器的使用方法，并能夠運(yùn)用自動(dòng)化工程仿真軟件或技術(shù)。

知識(shí)能力3：能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和任務(wù)，綜合運(yùn)用所學(xué)電路知識(shí)和相關(guān)文獻(xiàn)研究，獨(dú)立選擇實(shí)驗(yàn)所需元器件，并能夠設(shè)計(jì)多種可行的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)過程的影響因素和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

知識(shí)能力4：能夠針對(duì)特定的電路電子系統(tǒng)，運(yùn)用電路知識(shí)進(jìn)行建模并計(jì)算元器件參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)合理地制訂實(shí)驗(yàn)方案，方案應(yīng)具有可行性和創(chuàng)新性，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并安全地開展實(shí)驗(yàn)。

對(duì)照2015版認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)要求內(nèi)容，上述四個(gè)知識(shí)能力所對(duì)應(yīng)和支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)[4]如圖1所示。通過對(duì)工程知識(shí)能力的分解和所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以對(duì)電路實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過程中體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)相關(guān)畢業(yè)要求，以此達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程能力的目的。

如圖1所示，在工程教育認(rèn)證下，課程對(duì)應(yīng)和支撐的畢業(yè)要求更加清晰和明確，而且往往圍繞解決復(fù)雜工程問題的相關(guān)指標(biāo)數(shù)量較多，這不同于以往實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要求。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，主要培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力；而在工程教育背景下，課程更加注重學(xué)生獨(dú)立思考能力，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和通過查閱搜集相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)有創(chuàng)新性的多種實(shí)驗(yàn)方案，并能夠解決具有一定復(fù)雜性的工程問題。這就要求對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行改革。

3 電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)改革

為達(dá)到工程教育認(rèn)證的要求標(biāo)準(zhǔn)，電路實(shí)驗(yàn)室從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求、教學(xué)方式、考核評(píng)價(jià)機(jī)制三個(gè)方面，對(duì)電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求 本文以綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“RC選頻網(wǎng)絡(luò)特性的測(cè)試”為例，闡述電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容改革。

1）建立RC選頻網(wǎng)絡(luò)特性數(shù)學(xué)模型，主要包括RC低通和高通濾波器、文氏電橋、雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性、相頻特性和各電路頻率特性固有頻率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2）利用已有知識(shí)和仿真軟件，對(duì)數(shù)學(xué)模型相關(guān)參數(shù)和內(nèi)容中相互關(guān)聯(lián)的子問題進(jìn)行分析并得到初步結(jié)論，主要包括各電路頻率特性曲線及其固有頻率關(guān)系、不同RC參數(shù)與預(yù)選頻率關(guān)系、不同電路測(cè)試時(shí)頻率數(shù)值選擇的差異性、幅頻特性和相頻特性測(cè)試原理的差異性。

3）進(jìn)一步分析相關(guān)工程問題并得到初步結(jié)論，主要包括解決信號(hào)源內(nèi)阻影響、消除電路內(nèi)外干擾、儀表和電路如何共地效果更好等。

4）通過以上分析結(jié)論，自擬RC選頻網(wǎng)絡(luò)特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案，主要包括各電路頻率特性測(cè)試時(shí)RC參數(shù)的選擇方案和依據(jù)、各電路頻率特性測(cè)試時(shí)頻率測(cè)試數(shù)值的選擇方案和依據(jù)、各電路幅頻特性和相頻特性測(cè)試時(shí)兩者測(cè)試方法選擇的方案和依據(jù)、利用已有數(shù)據(jù)繪制各電路幅頻特性和相頻特性曲線的方案和依據(jù)、實(shí)驗(yàn)過程中解決相關(guān)工程問題的方案和依據(jù)。

5）撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告，主要包括數(shù)學(xué)模型、初步結(jié)論、多種供選擇的實(shí)驗(yàn)方案和可行性分析、待討論和實(shí)驗(yàn)操作解決的工程問題等。

6）小組討論，主要包括多種實(shí)驗(yàn)方案的可行性和待解決的工程問題的討論，形成小組結(jié)論，確定實(shí)驗(yàn)方案。

7）實(shí)驗(yàn)操作，按照實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施，在實(shí)驗(yàn)過程中不僅要記錄相關(guān)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論，而且要針對(duì)工程問題逐一實(shí)踐解決。

8）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，主要包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)方案合理性分析、實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題的解決情況、預(yù)期需要解決的工程問題的完成情況等，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

對(duì)照工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求主要體現(xiàn)解決復(fù)雜工程問題有以下幾個(gè)特征：

1）需要通過建立合適的抽象模型才能解決（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求1、5體現(xiàn)）；

2）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題，因此導(dǎo)致有多種方案可供選擇（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求2、4、5、6體現(xiàn)）；

3）必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求3、5、6、7、8體現(xiàn)）。

教學(xué)方式改革 教學(xué)方式以預(yù)習(xí)預(yù)約、小組討論、課堂提問和實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合。

1）預(yù)習(xí)預(yù)約。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了畢博網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)預(yù)約平臺(tái)，一方面將課程資源發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)上供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，包括仿真軟件、課件視頻、項(xiàng)目實(shí)例等，學(xué)生可以盡快進(jìn)入項(xiàng)目思考和設(shè)計(jì)階段，利用課余時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和軟件仿真驗(yàn)證，提高學(xué)習(xí)效率和自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，實(shí)驗(yàn)室采取開放預(yù)約模式，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約平臺(tái)提前預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和項(xiàng)目，然后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；教師可以后臺(tái)把控每天的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和批次，避免實(shí)驗(yàn)人數(shù)扎堆和傳統(tǒng)死板的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度模式，合理安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和提高實(shí)驗(yàn)開展的靈活性。

2）小組討論。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生就軟件仿真結(jié)果、多種實(shí)驗(yàn)方案的可行性和其中待解決的工程問題進(jìn)行分組討論，激發(fā)思考、討論和創(chuàng)新的主動(dòng)性。

3）課堂提問。教師通過對(duì)小組討論問題的梳理，形成關(guān)鍵問題群，以關(guān)鍵問題為主線、個(gè)別提問方式為輔助的探究式學(xué)習(xí)教學(xué)過程，讓學(xué)生思考和探究實(shí)驗(yàn)中存在哪些關(guān)聯(lián)的子問題，如何合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，如何正確地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4）實(shí)驗(yàn)操作。通過實(shí)驗(yàn)操作來驗(yàn)證所選方案的正確性和合理性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果詳細(xì)分析相關(guān)工程問題，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

考核評(píng)價(jià)機(jī)制和運(yùn)行情況 為了實(shí)現(xiàn)畢業(yè)要求達(dá)成度指標(biāo)，電路實(shí)驗(yàn)開設(shè)八個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中包括四個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、三個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目考核的側(cè)重點(diǎn)針對(duì)各個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)設(shè)定。對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的考核，根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告（20%）、小組討論（10%）、課堂表現(xiàn)（5%）、實(shí)驗(yàn)操作（40%）和實(shí)驗(yàn)報(bào)告（25%）這五個(gè)方面來綜合評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)自主學(xué)習(xí)、討論思考、創(chuàng)新實(shí)踐的積極性[5]。

該教學(xué)設(shè)計(jì)體系在2014—2015學(xué)年第一學(xué)期開始針對(duì)自動(dòng)化（卓越計(jì)劃）專業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)，表1為近三年該課程目標(biāo)各項(xiàng)達(dá)成度情況。其中可以看出，課程教學(xué)改革取得明顯效果，學(xué)生的各項(xiàng)能力水平都達(dá)到工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。但是從表1中也可以看到，2015年畢業(yè)要求指標(biāo)2.3和3.2有所下降，這體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)于文獻(xiàn)資料研究能力和創(chuàng)新意識(shí)缺乏。通過在這兩個(gè)方面的加強(qiáng)，2016年課程目標(biāo)達(dá)成度得到提高。

4 結(jié)語

本文在工程教育認(rèn)證背景下，針對(duì)“電路與電子實(shí)驗(yàn)（A1）”（電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)）課程進(jìn)行教學(xué)改革，主要從課程培養(yǎng)學(xué)生的工程知識(shí)能力分解，所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)對(duì)應(yīng)，相關(guān)的課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評(píng)價(jià)機(jī)制的改革等方面實(shí)施開展，結(jié)合自動(dòng)化（卓越計(jì)劃）專業(yè)近三年的課程目標(biāo)達(dá)成度情況，說明改革促成學(xué)生各項(xiàng)能力的提高，達(dá)到工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)同類課程建設(shè)有一定的借鑒意義。

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