电类学生实践学习曲线的构建与实施

杜海江，耿光飞，张晓东

(中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083)

电类学生实践学习曲线的构建与实施

杜海江，耿光飞，张晓东

(中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083)

为使电类学生适应当前工业发展现状和需求，结合我院实验中心现状和建设规划为背景，对大学4年实践学习过程进行设计。提出大学生培养的目标是：具有独立分析和解决实际工程问题的能力及开展科学研究的思维及能力，与国内外学生相比有更强的竞争力；对母校和老师有很强的认同感，并有勇于创新、建设国家、回馈社会的情怀和精神，而不是功利主义的奴隶。构建电力学生合理的学习曲线，在每个阶段都有具体的学习目标。对实现基础平台-实验室布局和过程管理进行规划设计，以达到理想的培养目标。

电类学生； 学习曲线； 资源管理； 实验室

0 引 言

我院是以工科和实践性学科及热门的工程学科组成的学院，学生们怀着很高的期望并以相当高的成绩来到我院，学校应提供国内一流的实验实践平台，即包括先进和丰富的实验和场所，也包括水平较高、造诣颇深且有相当热情投身于教学的教师队伍。我院实验中心目前有37个实验室，12名实验教师，实验室数量大，管理任务重，但限于学生人数和目前开设的实验课内容少，整体利用率并不高，实验设备比较陈旧。

为推进工科专业水平的提高，我国推行了一系列建设计划，包括专业认证、卓越工程师计划、国家示范实验教学中心建设等。我院目前的水平与国家计划目标和学习期望值还有一定的距离，所以也在积极筹划，以推进实践教学水平的快速提高。

1 实验教学理念与目标探讨

分析国家级实验教学示范中心评审指标体系和工程教育认证标准[1-2]，建设教师队伍和实验实践设备条件，其目的都是为了培养学生，综合各种目标，培养学生应该达到的目标是：具有独立分析和解决实际工程问题的能力及开展科学研究的思维及能力，与国内外学生相比有更强的竞争力；对母校和老师有很强的认同感，并有勇于创新、建设国家、回馈社会的情怀和精神，而不是功利主义的奴隶。

2 如何构建电类本科学生实践学习曲线

实践教学从内容上应包括：实验、课程设计、实习实训、毕业设计、创新创业活动等5个部分。在大学4个学年的不同阶段，需要结合认知、基础、专业等不同层次的需求，在前述5个部分完成整个学习过程。

认知阶段。各专业都有当前热点研究课题和流行的研究开发工具与研究对象，这些内容应该在实验设备和实验内容中体现。但在大一和大二阶段，学生应该接触这些设备和装置，以在学习初期就了解它们的运行情况、使用情况、性能要求，并激发学生学习的兴趣。这些内容可以做为专业认识实践课程。其他基本技能的学习也是为后面从事更深入的实验研究建立基础。

对大一大二学生，物理、模数电技术、电路、机械制图是基本的工科理论和应用基础，电路原理图设计、电路板焊接和电子元器件识图、电气元件识图、机械加工等是基本的工程实践技能。通过理论学习，并通过验证性、设计性、综合和创造性的实验实践过程，对模数电、电路电工、电路原理图设计与印制板设计、焊板等，达到非常熟练的地步，将这些日后会反复用到的理论与应用技能变成工科学生的基本技能，并对常用仪表仪器(万用表、信号发生器、示波器、焊接、机加工)熟练使用。电类学生需对电工工作有完整的掌握，从识图、布线、测试等，达到高级电工的水平。

只有使学生有足够的压力投身到实验室，进行长时间和反复的实验，只有这样，才能对实验仪器设备，和对所实验对象有深入的理解。这需要采购最新式的仪器设备，需要老师尽心的设计足够强度的实验项目并认真考核，需要实验老师长时间留在实验室以保证设备完好，等等。相关的仿真软件应成为学生们的基本工具。

到大三，微机原理应该是一门非常重要的课程，是学生们接触微处理器的第一门课程。如果说模数电学习的是无生命的器件，而微机原理课程将学习有生命和活性的微处理器，由它来指挥和协调外围电路及外部设备的工作。通过该课程学习微处理器硬件及软件的工作原理和系统的开发设计工作。目前主要学习INTEL8086，这款上世纪80年代的产品。显然已远远落后于时代了，不要说它的内容已够用和够学了，这是懒惰的代名词。当今最新的微处理器、微控制器、数字信号处理、可编程器件层出不穷，是应该更新的时候了。至于选什么，应该和以后从事的专业有关系。

比如电力专业，目前电力工业的控制、测量，大量使用ARM和DSP[3-4]，应该在微机原理学习时对其进行较深入的学习和理解。对于自动化和物联网专业，ARM和微控制器用得更多一些，对低功耗要求高，应该在微机原理课程学习相对应用多、较复杂的一或两款芯片。

W300是 尼 康Coolpix AW130的替代型号，不过两者的配置参数差异并不大。在这次测试中，W300拥有最强的30米防水以及零下10摄氏度防冻能力，防摔高度也是评测中最强的，达到了惊人的2.4米。其他新功能还包括4K视频拍摄能力，尼康SnapBridge通信系统，高度/深度计以及GPS功能。

对于计算机方面，是否应该以最新的多核微处理器进行学习，以掌握最先进的微处理器工作机理，并从微结构级的软件设计以理解其工作的机理，也为以后从事设计和开发建立基础。

目前市场上开源硬件平台Arduino[5-7]、Raspberry Pi[8-10]，是为了提高学生对软硬件嵌入式系统设计兴趣开发的，也可以做为微机原理的课程内容。

所以，这门课程应该是个分水岭，不同专业的学生们会结合各自专业的需求，开始有所侧重的选择学习的微处理器，并通过设计的丰富的实验课程，对所学微处理器芯片有深入的理解并能熟练的使用。并能结合综合课程设计，将模数电、电路知识，与微机处理器结合，设计出实现一定功能的软硬件作品，并能设计出实际的电路板。这一过程中，仿真同步应用，成为学生必备的技能。

大四阶段，结合大三阶段对本专业的专业课程进行专门的学习，并通过积累的电子、电气、微处理器、电工电子等专业基础知识和应用技能，可在前沿领域，如物联网、3D打印、大数据、机器人、新能源电力等，从事创造性、有一定探索性的开发和实践工作，至毕业前，已具备独立开发能力，并具备与国内外毕业生相当的竞争力、硬实力、创造潜力的合格毕业生。

为了达到这个学习曲线的设计，需要具备配套的实践教学条件。

如前述，大二学生应具备模数电、电路、机械制图的理论及相应实验实践的基础知识和技能。这种技能的建立就是以专业基础实验室为载体。如电子实验课，可以只为学生提供面包板和元器件，由学生自行搭建电路，实验室提供先进的仪器。常说，无招胜有招，武术的最高境界是无招。同样，最好的实验设备就是自己设计和实现。只有设计的丰富的实验项目和严格要求，才能把学生们留在实验室。与之配合的则是，实验室必须长时间开放，并维护设备处于良好的运行状态；要求实验老师有更高的水平和投入，才能解决学生实验过程遇到的各种问题。为了达到大二阶段的目标，是理论教学、实践教学、实验室仪器设备等多方面的问题，良性合作、共同努力，才能达到最佳的效果。

到大三阶段，随着专业课程的开设，学生们应该长时间留在专业实验室，以掌握本专业的专门知识。进而结合课程设计、实践性实验项目的设计，将微处理器、电工电子技术与本专业知识结合，可以开展更深入的科研工作，使自身的科研素质、能力得到迅速提升。

到大四阶段，及大三和大四阶段，创新项目、校企项目、自选题目、竞赛项目等等，为学生提供更宽的训练平台，创新实验室、专业实验室，都是学生们自由研究和实验的场所。随着掌上学习套件的普及，学生宿舍也是很好的实践场所。学习曲线设计如图1所示。

图1 实验学习曲线

3 围绕学习曲线构建实验室布局

实验中心原来的实验室共用37个实验室及一个元器件库，实验室面积约2 500 m2，其中有1 900 m2分布在院1～3层，主要在3层，另有创新实验室600 m2分布在负一层。布局如图2所示。

图2 目前实验室布局

存在的问题是：① 随着招生学生数量的大幅减少，部分实验室处于闲置状态；② 由于经费限制和教授课程内容的滞后，部分实验设备老化，和工程实际现状差距明显；③ 实验中心人员水平和人数限制，实验室不是开放运行，又限制了学生参与实验的积极性和机会；④ 主要是不能满足所设计学生学习曲线的要求。针对这些问题，对实验室重新布局，并设计有效的运行管理模式。新设计的实验室布局如图3所示。

图3 实验室新布局

实验室新布局的特点：① 内容类似的实验合并及建设综合性实验室，如微控制器实验室，将单片机、数字信号处理器、可编程器件等设备集中到一个实验室，方便学生交叉学习；② 与工业发展现状结合，如建设新型电力实验室、物联网、机器人等实验室；③ 强化实训实验室，提高学生实践能力。

重新布局后核心电类课程与实验室使用对应关系如图4所示。

图4 实验室与理论课、实验课程对应关系

4 资源管理系统建设与队伍建设

为了配合实践教学目标的达成，必须设计完善的资源管理系统[11-13]。可以将实验中心的所有组件统称为资源，包括教师、设备仪器、实验室、学生、实验课程等。实验中心的运行过程，就是通过设计，使得所有资源达到最佳的使用状态和最方便的使用操作，将该系统设计为3层结构，即基本资源层、二次资源层和可视操作层，如图5所示。

图5 资源管理系统结构

所设计实验中心就像一座工厂的生产车间，资源管理系统实际是一套B/S结构的管理软件，必须与实际管理措施结合才能有效发挥作用，实现有效的资源管理和调度。

实验中心人员分为两部分。①实验管理人员，全职值班，为常规实验员和实验师职责；②实验课程教学科研人员，主要做实践教学。

开放实验室管理和运行由值班人员负责，也负责开放期间学生实验过程的一般指导和安全管理。实验课程教学人员负责实验课及所有实践教学环节的工作，并从事与实验有关的科研开发工作。其中,有相当的实验项目要求，学生不得不留在实验室，同时，实验室老师专门长时间开放实验室以供学生使用，形成良性循环。

5 结 语

(1) 提出本科学生学习目标确立，不仅学习技能，还要有更高的追求；

(2) 对电类学生学习过程曲线的设计进行了分析，对学生规划学习过程和老师指导学生提供参考；

(3) 以我院实验中心为背景，对实验室布局和工作人员管理进行优化设计。

学习曲线通过逐步施行，效果明显但仍需努力。

[1] 余天佐，蒋建伟.基于工程教育认证标准的持续质量改进——以Z大学全国示范性软件工程专业为例[J].清华大学教育研究,2015(6)：104-111.

[2] 张文桂.实验教学示范中心建设的思考与实践[J].实验技术与管理,2008,25(1)：1-4.

[3] 郑文波，段明祥.工业控制与嵌入式系统[J].工业控制计算机,2005,18(11)：1-3.

[4] 刘广林.基于PC/104和ARM的工业控制平台设计及应用[D].武汉:华中科技大学,2010.

[5] http://www.arduino.cn/

[6] http://www.arduino.org.cn/

[7] https://www.arduino.cc/

[8] https://www.raspberrypi.org

[9] http://www.shumeipai.net/forum.php

[10] http://shumeipai.nxez.com/

[11] 王小雨.实验室资源管理系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2015.

[12] 马 燕，冯 广.浅谈高校实验室资源管理系统建设[J].中国现代教育装备，2008(9)：102-103.

[13] 耿晓君，陈章其.基于Struts与JSTL的开放实验室资源管理系统设计与实现[J].现代教育技术，2009,19(11)：136-140.

Construction and Implementation of Learning Curve for Students Majored in Electricity

DUHaijiang,GENGuangfei,ZHANGXiaodong

(College of Information and Electrical Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Based on the current situation and construction plan of the experimental center of our college,and in order to make the students majored in electricity to adapt to the current status of industrial development and demands,training objectives of engineering undergraduates have been designed as follows: having the ability to analyze and solve engineering problems independently,having the potential to carry out research of science,having competitive compared with students at home and abroad; having strong sense of identity with alma mater and teachers and having to be not slaves of utilitarianism.The four-year university practice learning process is analyzed and a good learning curve is designed.Lab layout and process management methods are also planned and designed to achieve ideal cultivation goal.

students majored in electricity; learning curve; resource management; laboratory

2016-10-25

杜海江(1971-)，男，河北定州人,博士，副教授，主要研究方向：电力电子技术、新能源发电。

Tel.:13718445130;E-mail：duhaijiang@cau.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2017)07-0257-04