电气实验教学探索与实践
摘要：探索建立拔尖创新人才培养的有效机制，是当前教育改革的迫切要求。为了适应高素质创新型人才培养的需要，奉行以“学生为中心”的教学理念，以工科拔尖创新人才培养为目标，对电气实验教学进行改革，通过设置与当今科技发展和工程实际紧密结合的科技创新项目，鼓励本科生尝试设计和实践个人感兴趣的研究项目，培养科研实践能力。经实践运行，取得良好的教学效果，学生的创新意识与工程实践能力大幅提高，同时也给今后教学改革指明了方向。
关键词：拔尖创新人才；电气实验教学；实践能力
1完善教学内容
教学改革项目组成员一直工作在理论教学和实验教学一线，有着丰富的理论课教学、实验教学及工程项目经验，将教学和实践紧密结合，并前瞻当今科技发展前沿，引领教学方向。根据目前的教学内容，结合当今科技发展状况，设计制定出以培养研究型创新人才为目标的实验教学体系。首先，以现有电气技术实验课程的内容为基础，结合已经实施的“电路分析”“模拟电子技术”和“数字电子技术”理论课与实践一体化研究型教学模式，整合基本教学内容，设置了理论验证性实验、设计性实验及综合应用性3大实验模块，做到从易到难、从简到繁，循序渐进，并具有知识性、趣味性，达到对理工科电类学生基本实践技能培养的目的。例如，第一次课，由于学生第一次进实验室，对仪器设备的使用还没有掌握，对实验电路的搭接还存在陌生感，不免会产生些许的紧张。为此，将内容设置为“直流电路的构建和测量”这种线路简单、现象直观的理论验证性实验，以建立学生的自信心，培养实验兴趣，为今后较为复杂的实验内容铺垫好路。而“分立元件放大电路”“运放应用”“组合电路及时序电路设计”“顺序锁”“数字化信号发生器”等设计性及综合性实验，目的是使学生将所学理论知识综合运用到实践，并逐渐提高实验技能，对电气实验产生浓厚兴趣，在设计电路、搭接线路、排查故障、解决问题的过程中，培养强烈的求知欲及创新意识。其次，也是更重要的，随着高新技术的不断出现，培养勇于创新、全面发展、高素质复合型人才已成为当务之急。电气技术实验教学，充分利用实践能力培养的机会，根据不同对象的专业背景，设计融合电路分析、模拟电子技术、数字电子技术及行业流行技术的学科交叉创新训练项目。例如，为生物医学系的学生设计了“智能防雾霾口罩”实训项目，为自动化及高等理工等学院的学生设计了“AGC放大器的设计与制作”“可设定的恒温温度控制器的设计”“可编程电源的设计与制作”“摩斯电码通讯系统的设计”等实训项目，培养学生工程意识及探究精神，启发创新思维，进一步提升创新能力，初步具备开展科学研究的素质，为今后从事科学研究打下坚实基础。同时，为充分发挥潜力，鼓励学生尝试设计、实践个人感兴趣的研究项目，提升科研实践能力。随着实验技能的不断提高，学生对科学研究的兴趣愈加浓厚，对新知识、新技术的获取更加强烈。学生利用所学理论知识和专业技能，大胆尝试自己平时好奇、向往而没来得及实践的一些想法，进行设计、实验，通过不断探究、创新去实现自己的梦想。以学生为主体，教师辅助，给予适当帮助和指导，突出个性化培养，达到自主创新自我实现的目的。自由项目的设立，使学生有强烈的获得感，自信心倍增，充分发挥想象力，自主学习，挖掘创新思维，使他们的志向远大，初步成为具有创新能力的科研工作者，为今后成为一流的学者和科学家奠定坚实基础。电气实验教学体系，力争使各个实验内容指标与国际工程认证接轨，培养拔尖创新国际化人才。基本实验内容和创新实验内容的比例为1∶1。教学内容的调整和优化，大大提高了学生的积极性和创造性，使他们在实验过程中勤于思考、勇于实践，增强了工程实践能力和创新精神[2-4]。
2改进教学方法和手段
通过对北京大学、清华大学、浙江大学、南京大学、哈尔滨工业大学，以及美国加州大学伯克利分校、澳大利亚悉尼大学等国内外知名大学的调查研究，秉承知识传授、素质培养、工程实践、科技创新的教学理念，在教学方法和教学手段上进行了改革。
2.1课程进度
以前，模拟电路实验在一个学期上课，而数字电路的实验在另一个学期上课，实验教学和理论教学往往不同步，造成学生不能及时掌握和巩固相应理论知识。调整后，对于基本实验内容，根据不同专业需求，适时调整上课进度，将模拟电路实验和数字电路实验教学并轨，并在理论课的相关章节授课结束后，立即开展相应实验。理论讲解与实验交叉并行，达到理论指导实践、实践促进理论学习的目的，使得学生在短时间内对所学知识融会贯通。对于综合创新性实验，根据实验内容及理论课学习安排，一方面可以适时穿插于基本实验内容之间；另一方面对于综合性强、需要时间多的创新性实验，还可以放在所有基本实验结束后进行，这样学生可以有更充分的时间研究和实践。
2.2上课形式
课堂设置，基本实验内容仍然采取一人一组课上进行实验，教师当堂检验结果，培养学生独立完成任务、解决问题的能力。对于创新性实验项目，采取分小组形式，每组3~4人，自愿组合，一方面完成教师制定的典型项目的设计、搭接、检测；另一方面，可以根据兴趣，设计个人感兴趣的项目，制订方案并实施完成。可以利用课堂时间，还可以利用实验室开放时间进行。以小组为单位进行项目的开题、实物制作、答辩、撰写学习心得和小论文完成项目，可以培养学生自我学习、团队协作、沟通交流、动手实践、创新思维等多方面能力。教学方式，采取以学生为中心，有利于循序渐进提高能力、深入探究、激发创新的教学方法。
2.3探究式教学
实验手册，对于基本实验内容只有基本理论和简单提示，去除一步又一步的实验步骤，给学生更多融入创意的空间，灵活运用知识。学生通过实验室有限的器材，用没有给定的方法达到最终目标，可以用多种不固定的方法，并自主对比各种方法的优缺点，从而锻炼综合能力，而不是跟着菜谱做菜的能力。对于创新项目，更是以“问题为中心”，以学生为主导，在教师的辅助下，自主探究并独立完成，将所学的理论知识运用到实践中。这是一个以学生为中心的课堂，学生在实践中遇到问题与教师进行探讨交流，激发学习兴趣，提升实践能力，提高创新能力[5-6]。
2.4启发式教学
通过问题的引发和诱导，能够进一步提升能动性，积极探讨解决问题的方法，提高学习兴趣，达到较好的教学效果[2]。根据学生情况设计引导问题，给学生一个思考的过程，采用多种形式实施启发，努力营造一个知识探索的过程[7-8]。培养创新型人才是启发式教学的目标[9]。例如，交通灯设计实验，教师先在学生实验之前演示效果，学生观摩后感到非常贴近实际生活而好奇、感兴趣，于是就开动脑筋进行软件或硬件设计。这时教师择机提出新的要求，或给出一些故障现象，进一步引导学生去分析问题，提高他们解决问题、排除故障的能力，激发自主创新意识。教学过程中还采用苏格拉底式发问。教授新内容或解答学生疑惑时，不直接给出问题的答案，而将问题分解为学生可以自发理解的一系列小问题，一一提问，从而引导学生自己找到答案。苏格拉底认为，所有知识都已存在于学生中，教师需要做的是指引学生发掘自身的已有知识。多样化的实验内容和不间断的问题启发，使学生开动脑筋，积极思考，内心的潜力被不断挖掘出来，提高了分析问题、解决问题的能力，同时也更加充满自信。
2.5开放实验室
课堂时间是有限的，经常有部分学生没有当堂完成实验内容，或者有些实验现象还没有搞清楚，想进一步研究和分析原因、观察结果等。为此，安排了半开放和全开放实验室。半开放就是充分利用实验室资源，延续课堂教学时间，学生可以利用教师给其他班级上课时进入实验室，进行自己未完成的实验内容，深入研究和分析现象，透彻理解原理。学生也可以进行自己感兴趣的其他实验内容，实时与教师交流讨论。为了确保学生有足够的时间完成创新项目，教学中心的电子创新基地对学生实行自我管理，全面开放。除了教师定时指导外，还安排具有科技项目经历的优秀学生承担部分助教工作，帮助指导各小组完成项目的实物制作。
2.6赛课合一
为激励学生的学习积极性，激发创新思维，实验教学与学科竞赛等科技活动相结合，从上课学生中选拔优秀学生参加全国和北京市大学生电子设计竞赛以及我校“冯如杯”科技竞赛等实践活动，进一步推动拔尖创新人才培养的力度。
2.7全英文授课
为培养高素质国际化创新型人才，电气实验教学采用全英文授课，教师的讲解、课件、指导书全部是英文，学生的实验报告、项目报告、答辩等也全部用英文。通过一年左右的训练，科技英文思维逐渐建立起来，为今后走向世界舞台奠定基础。
3更新考核评价体系
注重学生的学习过程，取消一锤定音的期末考试模式，制定基于过程的课程考核方法。成绩考核包括基础实验和综合创新实验项目。基础实验的考核内容包括实验操作、实验方法、问题讨论、任务完成、实验报告书写以及期末考查等。而创新项目包括开题、中期、结题答辩、实物作品、小论文及总结报告，并注重学生日常的学习过程和积累，将学生与教师面对面、邮件或其他方式的交流讨论、开放实验室的考勤、公益服务参与度等都计入考核内容。
4实践运行情况
基于拔尖创新人才培养模式的电气技术实验教学进行了4轮实践，学生理论联系实际的能力、灵活应用各种专业知识的能力、人际交往能力、团队协作能力，特别是自我学习及创新能力都得了全面提高，取得了非常好的效果。同时，学生的反馈和建议也让教师深受启发，促使教师在今后的工作中不断思考改进教学方式、调整教学内容，以跟上时代的步伐和学生的要求[10]。上述各项教学内容和方法的实施，为学生搭建了全方位立体化教学平台，为拔尖创新人才培养起到积极推动作用。上课学生凸显科技实践创新能力，获得了校“冯如杯”、全国/北京市大学生电子设计竞赛一、二等奖等多项科技实践活动奖励。
5结语
探索建立拔尖创新人才培养的有效机制，促进拔尖创新人才脱颖而出，是建设创新型国家、实现中华民族伟大复兴的历史要求，也是当前教育改革的迫切要求。随着全球化进程的加快，国家之间的竞争也日益加剧，而国力的竞争体现在人才的竞争上，对整个人才队伍建设具有重要导向作用。培养拔尖创新人才已经成为一种国家的长期战略[11]。教育改革任重道远，我们还将在此基础上，进一步探索电气技术实验教学模式，不断完善教学体系，通过多种途径、多种方式，改善教学方法和手段，力争构建与世界一流大学接轨的学习环境和知识结构[12]，全面推进拔尖创新人才培养的综合改革，为国家创新人才培养起到积极推动作用。
作者：黄亚玲 唐瑶 肖瑾 孙丹 范昌波 吴星明 单位：北京航空航天大学
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