基于学科竞赛的实验教学改革——以浙江水利水电学院电气学院为例

吴琦灿，许海莺

(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018)

学科竞赛是在紧密结合课堂教学或新技术应用的基础上，以竞赛的方法培养学生综合能力，引导学生通过完成竞赛任务来发现问题、解决问题，增强学生学习及研究的主动性，培养学生的团队协作意识和创新思维、创新意识的系列化活动[1-2]，为培养“上手快、后劲足”的高素质应用型人才，对建设应用型本科院校具有十分重要的意义.

浙江水利水电学院电气工程学院(浙水院电气学院)电气类学生主要参加的学科竞赛有大学生电子设计竞赛、“恩智浦”杯智能汽车竞赛、大学生创新创业训练计划项目、大学生新苗人才计划等.学科竞赛的内容既有理论分析与设计，又有实际制作与调试，所涉及的知识点包括基础的模拟电路、数字电路和单片机应用以及专业的电力电子、PLC、传感器、测量、控制、通信等技术[3]，更是具有强实用性、强综合性、强灵活性等特点.以浙水院电气学院为例，结合多年指导学科竞赛和实验教学的经历和感悟，分析目前实验教学存在的问提开展实验教学改革，把实验教学与学科竞赛融合重构、进行SWH-CDIO-E教学实践、建设项目制课程、构建递进式实验教学体系、创新实验教学方式方法，在培养学生综合能力、创新思维能力和学科竞赛等方面取得了可喜的成绩.

1 存在的问题

(1)学科竞赛指导教师数量少而且专业背景单一.浙江水利水电学院作为新升的本科院校，指导教师在各类学科竞赛中至关重要.但长久以来指导教师队伍一直得不到发展，数量少且专业背景单一，如指导大学生电子设计竞赛赛题方向大致为电源类、自动控制类、测量及仪表类等3类赛题，使得浙江水利水电学院在电子设计竞赛中处于相对困难时期.在诸如“西门子”杯中国智能制造挑战赛、“华为杯”中国大学生智能设计竞赛、中国国际飞行器设计挑战赛等赛事中一直“留有空白”.

(2)课堂教学内容与工程新技术应用脱节.教材及课堂教学内容往往滞后于市场的发展，如单片机课堂教学内容还停留在20多年前的89C51系列，学生很少有机会接触广泛应用于实际的STM32、MSP430等系列单片机，所学知识和工程实践还有“沟壑”.

(3)传统的实验教学方式和方法，不适应“上手快、后劲足”人才培养的需求.在传统的实验教学中，实验过程一般是测量几组数据，通过计算查看与理论相符合的程度并进行误差分析、原理验证，存在创新性不足；理论与实验脱节现象时有发生，学生理论知识一但不扎实、动手实验实践环节就跟不上，实验效果“大打折扣”；学生参与实验的主动性、积极性不高；与学科竞赛相比较，实验教学从内容设计、方式方法上，更是“大相近庭”.

(4)学生专业综合能力不足.具体表现为：基本仪器仪表(示波器、万用表、信号源等)的操作不熟练[4]；元器件焊接、电路布局、走线等不规范不美观；单片机编程、电路仿真、PCB制作等一知半解；硬件和软件调试缺乏经验；团队协作、文档编辑、计算机应用能力更需加强.

2 改革的举措

2.1 基于SWH-CDIO-E人才培养模式，开展CDIO教学

SWH-CDIO-E是将“水文化”特色与国际先进的CDIO工程教育模式相结合，并借鉴OBE理念，创新提出的一种人才培养模式[2].浙水院电气学院提出“一主、两合、四能、五化”电气专业群人才培养模式，即：以强电为主，强弱电结合，搭建职业核心能力平台、工程基础能力平台、专业基本能力平台、专业综合能力平台，实现知识能力素质一体化、软硬能力并重化、创新平台开放化、学科竞赛普及化、项目制教学落地化.对2017届毕业生开展全程能力认证测评和CVCC认证工作，获证率分别为50.7%、92.9%，获多家新闻媒体关注和报道，形成了一定的专业特色，积累了丰富的改革经验和教学成果(见表1).

表1 浙水院电气学院近年来开展CDIO教学取得的成果

2.2 基于SWH-CDIO-E人才培养模式，建立开放性实验室

学科竞赛是第二课堂的范畴，是第一课堂的有益补充.区别与第一课堂固定时间、固定地点的、一对多等学习方式，指导教师和学生团队在进行资料查询、方案论证、模拟运行、安装调试等环节中，对实验场地，在时间和空间上提出了特殊的要求.因此基于CDIO建设开放性实验室，具有以学生为中心，方便教师教、学生学，实现实验室开放使用、实时管理和教学互动等功能，显得尤为重要.浙水院电气学院CDIO创新实验室有CD室、CDI室、DI和IO室等4个实验室，基于开放化管理平台，让学生社团、项目团队和学生个人申请入驻，并承办各级各类学科竞赛.2017年入驻学生社团4个，入驻项目7个、承办各类比赛3项，入驻团队96组，进行社团活动、举办培训涉及学生1 000余人次(见表2,表3).

表2 电气工程CDIO创新实验室入驻学生社团情况

表3 电气工程CDIO创新实验室入驻项目情况

2.3 构建递进式实验教学体系

在实施SWH-CDIO-E教学过程中，随着教学内容和知识点“项目化”、学科竞赛普及化、实验室开放化的不断推进，学生已不再满足课堂内、规定学时的基础性和验证性实验，开始追求结合学科竞赛的综合性、设计性、创新性实验[5]，因此实验教学内容向项目制课程、学科竞赛延伸拓展，融合重构，构建递进式实验教学体系是关键，采用更灵活、开放的实验教学方式方法是重要手段.

(1)浙水院电气学院开设的《电气控制与PLC》课程为校项目制课程，课程实践内容涵盖课程实验环节(以项目制开展)和课程设计环节两大模块，主要分3个层次递进，13个子项目开展，分别为PLC基础性实验——夯实基本知识，PLC综合性实验——培养举一反三的能力，PLC设计性实验——点面结合，应用型人才综合能力的培养(见图1).浙水院2016年、2017年报名参加校PLC竞赛人数分别为42人、90人，剧增114%.

图1 电气控制与PLC课程实验教学体系

(2)传感器类课程是高校自动控制、电子信息、检测技术等专业的必修课，与大学生电子设计竞赛、“恩智浦”杯智能汽车竞赛、PLC竞赛等息息相关.长期以来传感器技术相关课程以课堂教学为主，讲解传感器工作原理和典型应用，并开设了少量的验证性实验(见表4)，学生参与实验的主动性、积极性不高，实验效果不佳.

表4 传感器类课程美验开设情况

在此基础上，提出把传感器课程验证性实验进行改革，实验内容向学科竞赛进行延伸、融合重构(见图2).实践证明，实验项目从提出产品方案到制作完成的实践过程更贴近工程实际，更有利于学生创新能力的培养、分析解决实际问题能力和实践动手能力的提高(见图3).

图2 改进后传感器类课程实验开设情况

图3 传感器类课程实验改革前后分析对比图

2.4 创新实验教学方式

指导教师参与学科竞赛的指导，本身就是实验教学过程的延伸.同时，与学生进行任务布置、方案讨论、进度规划、设备选型、编程指导、论文纂写等内容丰富的教学互动；有启发式、有开放式、有一对一、有一对多、有老手与新手等表现形式多样的教学方式；我们认为这是“翻转课堂”式实验教学新模式，以学生为中心，基于实验教学知识点和学科竞赛的独有特点进行融合重构，创新实验教学方式方法，吸引学生、拉动学生，进行互动，完成教学目的.

3 实验教学改革成果

浙水院电气学院把实验教学与学科竞赛融合重构，进行SWH-CDIO-E教学实践、建设项目制课程、构建递进式的实验教学体系，以PLC类、传感器类实验课程为试点，基于实验教学知识点和学科竞赛独有特点进行衔接，创新实验教学方式方法.经过学校、学院、教师及学生的共同努力，在学科竞赛、教学改革(表1)等方面取得了可喜的成果.2016年在浙江省大学生电子设计竞赛中获二等奖2项，三等奖5项；在全国“恩智浦”杯智能汽车竞赛中获三等奖1项；第二届浙江省“互联网+”大学生创新创业大赛获1项银奖.2017年在全国大学生电子设计竞赛中获三等奖1项；大学生创新创业训练计划立项4项，其中国家级2项，省级2项；浙江省大学生新苗人才计划立项2项；学生以第一作者发表论文1篇；学生以第一完成人获实用新型专利4项.

4 结 语

本文以浙水院电气学院为例，分析了我国高校在学科竞赛、实验教学工作中存在的问题.把实验教学与学科竞赛融合重构、进行SWH-CDIO-E教学实践、建设项目制课程、构建递进式实验教学体系，以PLC类、传感器类实验课程为试点，创新实验教学方式方法.经过几年的具体实施，浙水院电气学院在学科竞赛和实验教学改革上可圈可点.今后我们将推进实验教学改革工作，争取在学科竞赛中取得更好的成绩，培养更多的优秀电气工程师.