层进式实验教学模式在电气工程及自动化专业中的应用

余金永

【摘 要】本文论述层进式实验教学模式在电气工程及其自动化专业中的应用，提出通过实施启发性实验、基础性实验、虚拟性实验、综合设计实验等实现从认识递进到自主研发设计，通过组建创新和兴趣协会、申报创新项目、鼓励大学生参加竞赛、应用型的毕业设计等实现从提升递进到具体应用。

【关键词】电气工程  自动化专业  层进式实验教学模式

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）11C-0161-02

在高等教育领域中，电气工程及其自动化专业的工程性较强，涵盖的内容较多，如电工基础理论、电力系统的运行与控制、电气装备的制造与应用等。此外，电气工程及其自动化专业也有它的基础性，而这一特性在一定程度上也决定了学科的交叉与融合，比如电气工程、电子科学、控制科学交叉融合成“电力电子技术”，电气工程、机械工程、计算机技术交叉融合成“机电一体化”。这些学科的交叉融合虽然生成了新兴学科，但同时也给其教学增加了难度。层进式实验教学模式是一种新兴教学模式，其能够有效打破电气工程及其自动化专业传统教学的不足，进而培养和提升学生的应用技能。

一、层进式实验教学模式概述

电气工程及其自动化专业是电气类的学科，主要涉及系统控制、电子电工、电力系统自动化、电气控制等内容，在开展实验教学时，教师除了要让学生熟悉掌握并理解相关理论知识外，还应主动引导学生自主学习，并更新和发展新技术，从而培养和提升学生工程实践的能力以及创新能力。而采用层进式实验教学模式，能够经由“启发实验—基础实验—虚拟实验—综合实验—创新项目—学生竞赛—毕业设计”等逐层递进模式（见图1）进行学习，进而实现学生从自主认识再到创新应用的目的。

具体层进式实验教学模式各个阶段的内容及其目的，表现在：第一，认识阶段，此阶段主要教授的内容是引领学生了解本专业的内容、发展情况，并让学生认识各类设备、器件等，其目的在于培养学生学习的兴趣以及专业感性的认识。第二，入门阶段，此阶段教学的内容主要是一些操作规范，并进行基础性地实验，以验证部分理论知识，其目的在于巩固理论知识，形成专业地基础技能。第三，学习阶段，学习相关仿真软件及其应用，并进行仿真和实践的对比实验，其目的在于培养和提升学生学习的积极性和主动性，并过渡专业理论和实践。第四，自主阶段，此阶段主要是有学生自主仿真、设计小型的实验，并进行实物的验证，其目的在于培养学生的创新意识和思维，进而提升其核心技能水平。第五，提升阶段，教学的内容是综合应用专业知识和技术申报具有代表性的创新项目，进而达到提升综合技能的目的。第六，激励阶段，此阶段主要是通过鼓励学生参与到科技竞赛中去，以提升自身专业素养、技能实训。第七，应用阶段，此阶段是通过调研市场、企业的需求，拟定恰当的题目、设计相关方案、开展实验并设计来实现知识应用于专业技能的最终过渡。

二、电气工程及其自动化专业层进式实验教学模式

（一）从认识递进到自主研发设计

认识与自主研发设计递进和大学生理论学习是相辅相成的，对于刚刚步入大学一年级的电气工程及其自动化专业学生来说，他还从未接触过本专业的理论知识，因此，教师在进行实验教学前，应用少学时进行启发性的实验，让学生能够认识到本专业研究的方向、内容等。待学生进入到一年级下学期到二年级上学期时，学生已经对本专业的理论知识有了清晰的认识和理解，此时可设置与之相符的基础性实验，且学时也可从10个学时增加至16～32个学时，以达到验证与巩固理论知识的目的。待学生进入二年级下学期时，教师可进行在线的虚拟实验;而大学三年级是培养和锻炼学生理论知识与应用的关键阶段，因此，教师可开设设计实验，以提升学生实践操作与理论结合的能力。

1.启发性实验。启发性实验的课程面向的是大一新生，因此，采取的是公开选修的方式;教学的形式主要是由学生自主学习，课程的内容主要是以学习、认识基础操作为主，具体包括电工电子课件的元器件、电机类型参数和基本运行方式、测试仪器使用和读取的方法、电力系统单元设备和运行的方式，等等。此外，教师还应为学生设置一些基础性的实验及项目，如温度报警仪器、电机的驱动系统、开关电源的Buck变换器制作和设计等，这些实验无须学生把握过多的理论和技能即可完成，而且还能够进一步激发学生学习的兴趣和主动性。

2.基础性实验。基础性实验和理论课程应互相匹配，同时，对传统经典的理论进行实验验证，如串联谐振的电路、电工理论中的“基尔霍夫定律”、三相交流的电路、戴维南定理等。在开展基础性实验过程中，教师应从旁指导和监督，进而确保实验的安全性;特别是在进行强电实验时，教师在开始实验前必须强调操作的规范，以免发生危险。

基础性实验不仅能够进一步加深和巩固学生对理论知识的理解度，而且还能够科学应对實验中可能出现的线路问题、设备仪器故障等，进而养成严谨、科学的学习习惯和态度。

3.虚拟性实验。虚拟性实验是应对高校资源不足的有效手段，加之，虚拟、仿真技术也是和理论知识、实验研究等相并列的另一种研究办法。计算机、网络等是虚拟实验课程最为重要的载体，高校可在现有资源条件下建立一个虚拟、仿真的实验平台，学生则通过网络远程访问平台来进行在线虚拟和仿真。虚拟性实验教学不仅能够让学生在仿真基础上自主进行实践和操作，而且还能够减少实验设备占用的时间，进而提升学生自主思考和解决问题的能力。

4.综合设计实验。综合设计实验教学模式是在学生基本掌握了理论知识、仿真技能等的基础上自主设计小型实验，比如学生可自主设计智能的交通灯、店里系统的调度和运行设计、直流电机的伺服系统设计等。此阶段是培养和提升学生创新意识、思维和能力最为关键的一个阶段;但在开展综合设计实验教学时，教师可首先要求学生自主设计一个实验的方案、电路等，再在仿真成功以后，由教师提供学生所需器材，并给予学生辅助和指导，使其顺利完成设计。

（二）从提升递进到具体应用

1.组建创新和兴趣协会。在经过了“从认识递进到自主研发设计”这一环节的学习，学生已具备一定实践和操作能力，但同时也体现了学生之间的个体差异性;因此，为有效提高学生工程实践的能力，教师还可根据学生实践能力、专业特征等组建与之有关的创新、兴趣协会，并由专业的教师构建实验教学的团队，同时，选拔部分学生参与并组建自动控制协会、电子工艺设计协会、新能源发电协会、电力系统自动化协会等，而学生可根据自己的兴趣爱好选择一个协会，并发挥其所长，从而提升学生综合素质和实践技能，并全面提升学生团队协作的意识。

2.申报创新项目。改革人才培养模式的基础是加大对大学生的创新、创业训练，因此，高校应加大对大学生创新项目的资助力度，并由专业的教师进行指导和监督，使其创新的项目具有一定市场价值和实践意义。

3.鼓励大学生参加竞赛。电气类大学生可积极参与到一些电子创新、创业科技竞赛中去，进而提升大学生竞赛锻炼的意识、激发学生潜力。此外，高校也应为大学生提供更为广阔平台，进而为优秀的人才创造更多的条件。对于参赛的队伍，教师可采用“以高带低、以强带弱”的原则，或以年级来构建参赛的队伍，进而确保不同层次学生有其可发挥的空间。对于参赛的队员可由带队的导师进行拟题，让学生自由组队，最后以考核的方式选拔出参赛的队员。同时，教师还可通过考核的方式让学生找准自己的定位，增强学生的自信心。

4.应用型的毕业设计。毕业设计是高等院校检验毕业生的重要环节，同时也是最终的缓解，其目的在于检验学生综合应用在校阶段学习的理论知识及其应用到工程中的能力。当前，大多数院校毕业设计通用的流程均是“论文选题—实验—论文撰写—毕业设计答辩”等，但大多数学生会将大部分的精力花费在论述的查重和排版上，而忽略了毕业设计的价值。因此，教师应给予学生更多的指导，包括选题价值、实验过程、结论等，进而设计出符合当前社会发展的毕业设计。具体应用型的毕业设计流程如图2所示。

应用型毕业设计的模式，应参照企业项目申报的过程，进一步细化毕业设计的各个环节，让毕业生有目的、有方向地完成毕业设计，并使其能够成为大学生应聘的敲门砖。

电气工程及其自动化专业开展层进式实验教学模式，带来的预期效益巨大，主要体现在：一是能够进一步培养学生电气工程及其自动化的创新思维及其实践能力;二是能够为高校教师提供更为优良的实践和科研平台，进而提高教师工程实践的能力;三是能够为国家和企业培养出更多优秀的应用型技术人才，进而推动我国工业化的进程，全面提升我国综合国力。

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