“電氣技術(shù)實踐”課程的探索與實踐

申文達，范昌波，黃亞玲

（北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

引言

“十四五”規(guī)劃綱要中指出，堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，加強創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)。2018年，北京航空航天大學(xué)提出了“頂尖工科”學(xué)科建設(shè)方針?！半姎饧夹g(shù)實踐”課程是電類工科本科生的必修課，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵一環(huán)。自2017年始，我院先后進行了“基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下‘電氣技術(shù)實踐’課程的改革與實踐”的教改［1］、“建設(shè)雙一流本科實驗課”的教改［2］等，并在2019年編寫了《電子電氣技術(shù)實踐基礎(chǔ)教程》新教材［2］，對課程進行了重新設(shè)計和調(diào)整，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，并且把思想政治融入實驗教學(xué)過程中，培養(yǎng)拔尖人才［3］，實踐育人育才。以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)［4］、融合科研思維［5］的實驗教學(xué)體系初步形成。在實踐中，為培養(yǎng)任務(wù)驅(qū)動的新工科創(chuàng)新型、復(fù)合型人才創(chuàng)造了條件［6］。

一、增加實驗課的學(xué)時，精心設(shè)計實驗內(nèi)容，滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和不同專業(yè)的需求

緊跟科技發(fā)展的步伐，滿足國家對復(fù)合型人才的需求，以及各個學(xué)院、各個專業(yè)的需求，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力。我們首先對“電氣技術(shù)實踐”實驗課的學(xué)時和內(nèi)容進行了精心設(shè)計，如表1所示。在2018年以前，該課程為72學(xué)時；2018 年以后，該課程為96 學(xué)時?；A(chǔ)的模擬實驗［7］、數(shù)字實驗可以使學(xué)生掌握實驗方法，建立自信心；綜合型實驗可以提高學(xué)生的興趣和實驗技能；設(shè)計型實驗可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識及解決復(fù)雜問題的能力。在實驗內(nèi)容中，我們大幅地增加了FPGA應(yīng)用［8］設(shè)計型實驗，如在FPGA2實驗中，既可以設(shè)計直流電動機控制，也可以自行設(shè)計其他內(nèi)容的實驗。同時，增加了原理圖設(shè)計、PCB電路板設(shè)計等以學(xué)生自學(xué)為主的內(nèi)容。

表1 “電氣技術(shù)實踐”實踐課學(xué)時與內(nèi)容改革前后的對應(yīng)

二、充分利用各種教學(xué)方法和手段，增加學(xué)生的興趣，提高實驗技能和教學(xué)效果

基礎(chǔ)實驗采用1人一組的形式，系統(tǒng)綜合設(shè)計型實驗采用3人一組的形式。在“工頻交流電路”實驗中，我們在每一組實驗臺上設(shè)置了斷線，每一位學(xué)生要獨立找出斷線，從而提高學(xué)生排除故障的能力，增加學(xué)生對實驗的興趣。

1.啟發(fā)式［9］、探究式教學(xué)相結(jié)合。在“簡單的數(shù)字頻率計”實驗中，引導(dǎo)學(xué)生掌握頻率計的基本結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，還要進一步啟發(fā)學(xué)生如何提高頻率計的精度、如果輸入的信號為正弦波該如何測量等，以激發(fā)學(xué)生的主動思維，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)［10］。在濾波器［11］實驗中，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何分析信號噪聲等。在實驗過程中，注重思想政治教學(xué)，適時地宣講空天信科技的發(fā)展?fàn)顩r、優(yōu)秀學(xué)長的事跡等，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，立志空天報國。

2.分層次進行指導(dǎo)。針對初學(xué)該課程的學(xué)生，要有耐心，用啟發(fā)式的教學(xué)方法鼓勵他們，讓他們體會到實驗的樂趣。針對能力較強的學(xué)生，采用開放式的以成果為導(dǎo)向的模式，隨時交流答疑，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識，以及解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。讓每一位學(xué)生通過實驗課有所收獲，尊重個體的發(fā)展。利用各種教學(xué)手段，如錄播課、直播課、上傳學(xué)習(xí)資料、建立交流群等，隨時交流，以達到更好的教學(xué)效果。

3.線上線下教學(xué)相結(jié)合，虛實融合［12］。新冠肺炎疫情期間，實驗課以仿真教學(xué)為主，實驗教師用PROTEUS將21個實驗重排一遍，再利用多種網(wǎng)絡(luò)工具進行教學(xué)。新冠肺炎疫情常態(tài)化期間，實驗課以實際操作為主。兩者互相銜接，充分發(fā)揮了線上線下混合教學(xué)的優(yōu)勢，收到了很好的教學(xué)效果。上課前，將教學(xué)大綱、PPT等資料上傳到北京航空航天大學(xué)的課程中心，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)；下課后，將錄播的課程上傳到騰訊課堂供學(xué)生翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。通過騰訊會議進行直播上課；利用微信建立師生交流群，進行討論答疑。學(xué)生利用郵箱提交實驗報告，教師批改后再反饋給學(xué)生。我們在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)站建立了“電氣技術(shù)實踐”慕課28節(jié)，每節(jié)課包括基本原理的講解、實驗操作演示、單元測驗等，對學(xué)生預(yù)習(xí)及準(zhǔn)確把握實驗原理、方法和技能起到了積極的作用。截至目前，有1000多人參加。

4.采用全英文的授課方式。教師的講解、課件、指導(dǎo)書，學(xué)生的實驗報告、項目報告、答辯等全部采用英文。每個學(xué)期開設(shè)2個全英文授課班，每個班25人，學(xué)生自愿選課，已經(jīng)連續(xù)開設(shè)了3學(xué)年。全英文授課班開闊了學(xué)生的視野，使學(xué)生建立起科技英文的思維方式，不僅提高了實驗技能，還提高了英語水平，促進了拔尖創(chuàng)新型人才的脫穎而出，為將學(xué)生培養(yǎng)為國際化人才奠定了基礎(chǔ)。

5.開放實驗室，賽課合一。對于那些在有限的課上時間沒能完成實驗或想進一步深入探索的學(xué)生，只要實驗室沒課，就可以供他們使用。另外，實驗教學(xué)中心還專門設(shè)置了電子實驗創(chuàng)新基地，基地提供各種儀器設(shè)備，并對學(xué)生全面開放。同時，對創(chuàng)新項目［8］給予資金支持，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵學(xué)生參加我校的“馮如杯”科技競賽、北京市大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等。

6.改變成績評定方式，鼓勵創(chuàng)新。原來的成績評定由實驗操作、實驗報告和考查組成，現(xiàn)在變?yōu)榛谶^程的考核方式，考核內(nèi)容包括實驗操作、實驗方法、問題討論、任務(wù)完成、實驗報告書寫、期末考查，以及綜合設(shè)計型項目的開題、中期、結(jié)題答辯、實物作品等，現(xiàn)在的考核方式更加注重學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)過程和積累。創(chuàng)新項目的成績在總成績中的比重大幅增加?，F(xiàn)在，創(chuàng)新項目的分?jǐn)?shù)占總成績的1/5，這個分?jǐn)?shù)也是決定能否保研的分?jǐn)?shù)，因此極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新動力。

三、探索與實踐的效果

提高學(xué)生的實驗技能、創(chuàng)新意識、設(shè)計能力及處理復(fù)雜問題的能力，增加實驗學(xué)時和實驗內(nèi)容是其有力保障，更重要的是在實驗課中增加了創(chuàng)新型、研究型實驗項目［13］。在實際操作中，針對此類實驗采取分組教學(xué)的形式，每組3人，增加團體合作的意識。根據(jù)不同能力的學(xué)生，有的可以完成教師制定的典型基礎(chǔ)題目的設(shè)計、搭接、檢測，有的可以結(jié)合單片機、FPGA等軟硬件設(shè)計感興趣的題目，但是要求他們必須用AD等軟件設(shè)計原理圖，制作電路板。在調(diào)試階段，實驗室將全面開放。在答辯環(huán)節(jié)，要求小組中的每一位成員進行3～5分鐘的答辯。教師對學(xué)生項目的開題、實物制作、編寫小論文等進行全程答疑，經(jīng)過兩年的探索與實踐，學(xué)生設(shè)計了如下產(chǎn)品：智能指紋密碼鎖、電磁炮、物聯(lián)網(wǎng)電子秤、冬筍探測器、手勢控制儀等。有些產(chǎn)品涉及物聯(lián)網(wǎng)、阿里云等技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了該實驗課的內(nèi)容。為了鼓勵學(xué)生創(chuàng)新，我們在學(xué)院路和沙河校區(qū)分別設(shè)置了展柜，展出學(xué)生的90多件創(chuàng)新成果，而且每年還不斷地更新。有的學(xué)生說，一次“實驗”相當(dāng)于一門課的內(nèi)容。設(shè)置此實驗環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作、溝通交流、動手實踐、創(chuàng)新思維等方面的能力，使得更多的學(xué)生有信心參加學(xué)校的“馮如杯”科技競賽，以及北京市大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等，并獲得獎項，我們的辛勤付出也得到了收獲。

結(jié)語

在實驗教學(xué)中，我們始終堅持以學(xué)生為中心，加強創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)，加強對基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生的培養(yǎng)。探索建立新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)體系是新時代的要求，要不斷地探索和實踐“電氣技術(shù)實踐”這門實驗課，不斷地完善教學(xué)體系，通過多種途徑、多種方式，改善教學(xué)方法和手段，提高學(xué)生的實驗技能，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，推動構(gòu)建與世界一流大學(xué)接軌的學(xué)習(xí)環(huán)境和知識結(jié)構(gòu)。