竞赛式电工电子实验教学体系的研究

李红玲 李玲

摘要：在深入分析研究型实验教学体系的基础上，将研究型实验教学体系与竞赛式教学方式结合，进行了竞赛式电工电子实验研究型教学体系的研究。探究了竞赛式综合实验的实施方法和主要环节，并以传感器信号采集与处理电路设计为例进行了说明。从多层次实验教学内容、实验室开放与创新、学生科研创新能力三个方面，阐述了竞赛式教学方法对电工电子实验研究型教学体系构建的促进作用。实践表明，竞赛式实验教学体系对培养学生的分析能力、实践能力、创新能力以及合作精神，效果显著。

关键词：竞赛式教学；电工电子实验；研究型教学体系；教学改革；创新能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）30-0272-03

电工电子实验是电气工程相关专业的实践性教学课程，在实验教学实践中，开展研究型实验教学模式，在巩固基础理论知识的同时，能很好地锻炼学生的实践动手、分析和解决问题以及电路的设计能力，加强其开拓意识和创新能力[1-2]。电工电子类竞赛是面向工科大学生的科技活动，其目的是提高大学生的综合素质和创新意识，培养学生综合应用电工电子、数学等理论知识解决实际工程问题的能力，激发学生学习知识的积极性，同时也能推动高校的实验教学体系的改革与教育创新的进程[3-4]。将电工电子类竞赛引入电工电子教学实践中，采用竞赛式实验教学方式，对学生进行系统的电工电子电路的工程实践训练，能提高学生综合应用专业知识和技能解决实际问题的能力，并提高工程的设计能力与创新能力。武汉大学国家电工电子实验教学中心长期致力于电工电子实验课程的研究型教学体系构建工作，探索运用竞赛式课程设计教学方法培养大学生分析问题和解决问题的能力，提高学生创造性和创新能力。

一、竞赛式电工电子实验研究型教学体系

电工电子实验以电工、应用物理为基础，以电子技术、仪表技术、测试技术为指导，侧重于理论指导下的实践、技能培训及综合能力的提高。传统的电工电子实验环节中验证性的基础实验居多。验证性实验能加强学生对基础理论知识的理解和巩固，训练学生对仪器设备的基本操作技能，对学生基本理论、基本方法的学习和基本技能的掌握起重要的作用。但是，由于基础实验学时和内容的限制，学生无法获得利用基础电路单元去构架较复杂的电路系统设计的训练。

由于电气工程相关专业对应用技术有较强要求，我院提出注重锻炼学生的实践能力和分析解决实际问题的能力，着力培养“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的应用型创新人才的思想。因此，学生完成基础性实验课程后，需要将实验内容向以设计性、综合性方向为主的综合实验发展，形成多层次的实验教学内容[5-7]。

电工电子类竞赛的题目比较灵活，能够充分发挥参赛学生的创造能力。参赛者根据题目的要求，完成从选题、资料收集与整理、方案的设计与实现、结果的分析与检验，直到设计报告的撰写的整个设计制作全过程。而且，在课题的整个设计过程中，设计团队之间的交流和合作必不可少，要求学生有很好的协调能力与分工合作能力。可见，电工电子类竞赛注重学生应用理论知识的能力、动手解决问题的能力，以及创新能力和合作精神等的综合能力。这与我院培养应用型创新人才的指导思想完全一致。因此，我院在电工电子实验研究性教学体系中引入竞赛式教学方式，以设计竞赛的方式实施电工电子综合实验的教学。

二、竞赛式电工电子综合实验的实施

（一）电工电子综合实验

电工电子综合实验是教师事先给定实验要求和任务，学生自主设计课题实现方案的实验。综合性实验既要体现内容的综合性与创新性，又要体现知识能力素质的培养。通过综合性实验的开展，引导学生运用综合的观点和创造性思维去思考现实中的复杂问题，使学生有更多的组织、判断与选择的机会，可有效地培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

综合实验所需准备内容较多，难度较大，要求学生组成实验小组来完成，培养学生的分工合作精神和团队精神。实验题目给定后，学生查阅实验内容的相关知识，并进行讨论，确定实验的设计方案，方案经教师审查通过后即可进入实验设计。这种学生自行设计实验方案、在实践探索中学习知识的方式可有效地激发学生的主动性和创造性，教师的引导则保证了教学的质量。

（二）竞赛式综合实验的实施环节

我院竞赛式电工电子综合实验的实施主要有以下几个环节组成：

1.实验目的和任务以及基本原理讲解部分。讲解内容包括实验项目的提出，实验目的和任务的解析。同时围绕实验内容讲解硬件系统的设计方法、规范、工具，以及最终的报告文档形式等。让学生建立一个解决实际问题的总体过程概念，以及电工电子产品研究开发的总体设计思路，了解各个环节之间的关系和技术要求，达到理论联系实际的目的。

2.实验设计资料的查找和整理。在明确实验设计基本规则和内容后，学生需要进行课题资料的收集和整理。学生通过多种途径在图书馆和网络上查找相关理论和技术资料，并就所需元器件等进行市场调研，还要到开放性实验室里学习和了解仪器设备的技术参数和性能，最后将收集的资料进行分析和整理，为最终确定设计方案做好充分准备。

3.讨论和确定设计方案。在分析参考资料的基础上，学生提出实验的设计方案，并进行方案的论证分析。包括确定实验方法、理论计算和仿真等。然后教师和学生一起就设计方案进行讨论和评价，找出不足点，明确努力方向和目标。教师要以竞赛的要求要求学生，在科学引导的同时，要充分调动学生的学习积极性和创造性，鼓励学生独立思考问题和解决问题的能力。学生则充分发挥其主观能动力和潜能，进行开拓性思维，形成自主学习，研究性学习和探索式学习模式。

4.系统调试阶段。学生就确定的实验方案在开放式实验室内进行电路仿真和调试。我院电子电路实验中心积极创造条件，设立了实验室开放与创新项目。部分实验室采取了全方位的开放模式，开放性实验室对学生实行实验时间开放，实验器材开放，突出了实验教学以学生为中心的开放模式。学生根据选取的实验项目完成实验内容，测试电路的性能指标等参数。同时值班教师负责安全及提供必要的帮助和技术指导。为学生自主学习、自主发展、研究性学习和实践创新提供条件。

电工电子综合实验中电路调试阶段最能锻炼学生的实践能力和意志。调试过程中往往会因为一点点小的疏忽或是实际电路参数小的变动等影响到整个实验的顺利实施。理论上很简单的电路，在实际调试中会出现种种问题。这就要求学生在遇到困难时，发挥刻苦钻研的精神，将理论和实际联系起来，加强学生间的沟通和互相帮助，善于发现问题和解决问题。并在不断的质疑中强化问题意识，在实施中产生灵感，在挫折中锻炼意志。整个调试过程中，学生在品尝挫折和失败的滋味后，会更加深刻地感受到获得创新灵感和成功带来的喜悦。

5.撰写实验报告与答辩评奖。学生完成实验方案的设计和测试后，对实验结果进行整理和分析，并撰写实验报告。教师就学生的实验报告进行答辩，考察学生对电工电子基础理论知识、实验和设计技能等知识的综合运用，以及总结表达等方面的能力。并发掘学生理论联系实际过程中，在方案选题、实验方法和设计等方面的闪光点。最后参照竞赛的评价机制，对学生的综合实验设计进行评奖。分为集体奖和个人奖两种。比较各组以团队合作实现的综合实验，根据设计方案和实验效果的优劣，评出奖项等级，对学生的沟通能力和团队协作能力给予肯定。并就答辩中表现突出的个人，评出个人奖项，对学生的实践和创新能力给予充分肯定。另外，对于那些在实验实施中不够成功，或者实验结果错误的实验小组，要综合考虑学生在整个过程中的努力和创新，保护学生的学习积极性和创造性。

这种竞赛形式的电工电子综合实验，整个实验设计实施过程中，新知识、新技能的学习渗透其中，学生在不断的实践和探索学习中，对科学研究有了更清晰的认识，开阔了视野，扩大了知识面，摆脱了书本的局限。达到了对学生进行电子电路工程实践系统训练的目的，提高了学生综合应用专业知识和专业技能的能力。

（三）竞赛式综合实验的实施实例

下面以传感器信号采集与处理电路设计为例，来讲述竞赛式电工电子综合性实验的实施。

首先指导教师解析实验目的和任务，以及实验设计所要实现的功能。

1.实验目的。传感器能感受被测信号，如温度，压力、声强、电流等，并按照一定的规律转换成可用输出信号。传感器输出的微弱信号经过信号采集和处理电路后，能转换为便于计算机采集和处理的信号。因此，传感器及其相关信号调理电路被广泛用于测量各种不同物理量。

传感器信号采集与处理电路设计这一实验，通过传感器的选取和信号处理电路的设计，使学生掌握传感器的工作原理，信号放大和滤波等电路的功能、构成和调节方法，进而掌握传感器信号调理电路的工作过程，培养和锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的实践能力。

2.实现功能。要求设计一个传感器信号采集与处理电路，电路主要由传感器和信号处理单元两部分组成，系统框图如图1所示。其中，传感器检测被测信号的变化，并转换成有用的输出信号。信号调理电路的功能将微弱的传感器输出信号转换为便于检测和处理的信号，其组成根据传感器输出信号的不同而有所不同，通常由前置放大电路、滤波电路、主放大电路等组成。其中，前置放大电路实现与传感器的阻抗匹配，使信号能够有效传输；滤波电路环节的功能是选取信号频段，降低噪声，滤除干扰信号等；主放大器进一步放大信号，将信号放大为适合数据卡采集的信号。

学生根据实验的内容分组讨论和确定设计方案，然后进行电路的调试。学生在电路调试过程中不断地发现问题并完善设计方案，实现该综合实验的功能。

三、竞赛式教学方法对电工电子实验研究型教学体系构建的促进

实践表明，在电工电子实验中引入竞赛式教学，促进了电工电子实验研究型教学体系的构建，其教学效果有显著提高。

（一）形成多层次的电工电子实验教学内容

电工电子实验研究型教学体系将实验划分为由低到高的三个层次：基础性实验，设计型实验，创新研究实验。综合性实验既要体现内容的综合性与创新性，又要体现知识能力素质培养。通过竞赛式综合实验的开展，引导学生运用综合的观点和创造性思维去思考现实中的复杂问题，使学生有更多的组织、判断与选择的机会，可有效地培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

（二）促进电工电子实验室开放与创新

采用竞赛式的综合实验教学后，部分实验室采取了全方位的开放模式。创新实验室拥有更多、更高档的仪器设备、实验器材、工具等，主要针对经过开放实验室锻炼并表现优秀的学生。学生们组成竞赛式的创新活动小组，开展复杂的创新性实验。学生根据自身兴趣和能力，并结合实际申报课题，指导教师们审定后，组织学生进行讲解并答辩，确认方案可行后立项，给予一定经费资助。

进行竞赛式创新教学以后，学生可自主设计实验，对电工电子类理论知识进行反复操作和论证，也可进行创新性实践活动，使大学生的动手能力和创新创业意识得到全面提升。

（三）对学生科研创新能力的促进和提高

在电工电子实验中引入竞赛式教学模式，引发了学生的实践性电工电子技术学习的热潮，学生在实践过程中表现出了极大的兴趣，充分发挥了主动性和创造性。在竞赛式综合实验设计和实施过程中，学生运用学过的理论知识，并自学一定的相关知识，在实践中发现问题，自己分析和解决实际问题，从而促进了其自学和实践能力的提高。虽然学生的最终作品不完美，但学生通过一个完整的竞赛项目，能在过程中磨炼意志，培养其学术上的刻苦钻研精神，并锻炼其逻辑思维能力，从而真正体现实践性技术人才的培养目标。

四、小结

对于“电工电子实验”这类实践性很强的实验课程，采用竞赛式实验教学方法，建立研究性实验教学体系，并加强实验教学方法的改进和完善，对提高实验教学质量，培养学生实践能力和创新精神具有重大的意义。

电工电子类竞赛注重提高学生的综合素质，对培养学生的理论联系实际能力、创新能力以及团队合作精神有很大的促进作用。在电工电子研究性教学模式中引入竞赛式教学方法，体现了以学生为本的教学理念，能充分发挥学生的学习自主性，培养学生的研究习惯，锻炼学生分析和解决问题的能力，为创新意识和创造能力的培养奠定基础。

竞赛式的电工电子综合实验的开设，使学生在方案设计中强化了理论知识应用实践的意识，在方案实施中强化了发现问题和解决问题的意识，在挫败和讨论中锻炼了意志和团队协作能力，在答辩中锻炼了文字表达和表现能力。整个综合实验设计过程中，学生对学习过的专业知识有了更加清晰的认识，并学习了许多书本上没有的实践知识和技能，真正体会到项目设计和实施过程中的曲折和成就感。实践表明，竞赛式电工电子实验教学体系对培养学生的分析能力、实践能力、创新能力以及合作精神都大有益处。

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