面向工程素养的电工电子实验课程改革和实践

张雪芹，宋继荣，陆勇骏，张胜辉,陈成良

(华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237)

0 引 言

作为电子信息的基础技术，电工、电子技术的应用极其广泛，发展非常迅速，并且日益渗透到其它学科和领域。电工电子课程在非电工科专业中占据着重要的地位。在电工电子课程教学中，实验教学是课程教学的重要组成部分。学生通过实验，不仅可以巩固理论知识，还可以训练工程思维和能力[1-3]。普通高等学校电工电子实验课程，包括面向大面积专业开设的电工学实验，面向机械专业开设的电子电工学实验，面向计算机专业开设的电路及电子学实验等课程，涉及专业面广、学生数多。

电工电子实验课程是工科学生本科学习阶段培养动手能力、工程素养、创新能力和实践能力的重要途径之一[4-6]。但是，随着时代的发展，电工电子实验课程存在理念老化，重动手训练轻思维训练；实验内容与日常工作生活脱节，忽略学生工程意识培养；实验手段单一，不利于学生创新能力培养等问题。

为了解决上述问题，在国家、上海市和校精品课程等专项项目和建设资金支持下，进行了一系列电工电子实验改革，设计了基于螺旋式迭代工程能力提升(spiral iterative based engineering ability improvement，SIBEAI)模型的实验教学课程体系，改革了实验内容，探索实施了多元化的实验手段方法，构建了以工程素养和实践能力培养为核心的电工电子实验教学方案，取得了很好的教学效果。

1 基于SIBEAI模型的实验课程教学体系

大学生工程素养和实践能力培养包括工程意识、工程思维方式、工程实践能力，以及数字化学习与创新能力培养。其中，工程意识培养是指帮助学生形成工程敏感度和工程价值的判断力，使学生能够根据问题的需要，寻求恰当的工程方式获取和处理信息。工程思维培养是指培养学生运用工程领域的思想方法界定问题、抽象特征、建立电路模型，形成问题解决方案。工程实践能力培养是指运用工程领域的手段，根据需求设计方案、搭建电路，实际解决问题并分析实验结果；数字化学习与创新能力是指学生能够适应数字化学习环境，充分使用学习资源，主动开展学习，自主有效管理学习过程，完成学习任务，形成数字化学习资源的应用与创新。

针对该目标，结合理论和实验课程内容，设计了基于SIBEAI模型的实验课程教学体系,如图1所示。

图1 螺旋迭代工程能力提升模型

整个教学过程是从基础到中级到高级多次迭代的过程。每次迭代都是在上一次迭代的基础上认知更深入，要求更提升。每个螺旋周期含有工程意识、工程思维、工程实践和数字化学习与创新能力培养4个部分。

基于SIBEAI模型，本文设计了电工电子实验教学体系。具体而言，电工电子实验课程内容包括安全用电常识、实验仪器仪表使用、元器件特性测量、简单电路实验、电力电路实验、电器控制、模拟电路和数字电路实验、系统综合实验等模块。在每个实验模块，都围绕工程素养和实践能力培养的4个方面设计实验内容和实验形式，螺旋迭代式不断培养和提升学生工程素养和实践能力。具体见表1所示。

通过建立螺旋迭代式实验教学课程体系SIBEAI，帮助学生一步步深入了解电子电力系统基本原理、掌握电子电力系统关键学科知识，在实践中认识到电子电力系统在人类生产与生活中的重要作用和价值，学会运用工程思维理解和分析问题，设计解决方案，全面提升学生的工程素养和实践能力，为学生进一步参加更高层次的工程创新活动打下基础。

表1 实验内容和培养目标

2 优化实验内容

2.1 设计与工程、生活实际紧密结合

电工电子课程理论性强,概念多,内容比较抽象，非电专业的学生往往觉得学习难度比较大，感到枯燥乏味,难以理解，从而提不起学习的兴趣。电工电子实验课程是帮助学生理解理论知识的有益补充，学生可以通过实验更加深刻、形象地理解所学理论知识。因此，在实验电路的设计和选取上应注意贴近生活实例和工程场景[7-9]。比如，表2中列出的部分实验案例都选用了学生熟悉的生活用电实例或在生产中(如金工实习期间)会经常见到的工程场景实例。这些实验的设计，不仅可以帮助学生理解理论知识，真切感受到所学知识在实际工作和生活中的用处，同时还能够帮助学生建立起工程意识，并开展工程思维方式和工程实践能力训练[9-11]。

表2 实验案例(部分)

2.2 根据学生个性化的需求灵活设计实验内容

为了强化学生的工程实践能力，同时满足不同层次、不同水平的学生需求，在常规实验基础上，设立20个要求更高、内容更深的拓展实验[10-11]。这些自主实验短小精悍，完成时间一般在20～40 min左右，是课堂实验内容的深化和补充。动手能力强、实验速度快的学生可以利用课堂实验时间完成，其他感兴趣的同学可以利用实验室开放时间完成。这些实验了内容实验教师随堂不做讲解，需要学生自行设计实验步骤、设计表格记录数据并进行分析。该模式打破了“大锅饭”式实验方式，学生可以开展探究式自主型实验学习。

3 虚实结合的多元化实验手段

在信息化时代，充分利用数字化学习资源，主动开展学习，自主有效管理学习过程，完成学习任务，是学生创新能力的重要体现。因此除了，采用传统基于实验装置的实验手段外，必须加强数字化学习资源建设，为学生提供虚实结合的多元化实验室手段[12-16]。

3.1 传统实验手段的优化

传统实验手段依赖于实验装置(见图2)，能够有效锻炼学生的动手能力。围绕SIBEAI模型，在实验装置的“选、制”中，首先注重强调元器件的可视化，让学生能将抽象的电器符号和实物相联系。其次，强调动手。对于电路实验，仅提供独立元器件，要求学生使用分立元件自行设计搭接电路。对于强电实验，提供元器件组件板，要求学生执行选件连线搭接电路。对于复杂的模拟电子电路，考虑实验课程时间的限制，不能采用现场搭接，采用专业教师自行研制开发的实验电路板，满足定制教学的需要。

(a) 分立元器件(b) 元器件组件板

(c)自制实验板

3.2 数字化实验资源的利用

3.2.1 虚拟仪器使用培训平台

熟练使用仪器设备是开展电工电子实验，培养基本工程素养和实践能力培养的基础。认识并掌握了仪器仪表的使用，学生才能根据特定工程任务进行正确选择。但是实验仪器的损坏是电工电子实验中最头疼的问题之一，因为担心仪器损坏，一定程度上限制了学生的工程能力锻炼。为了使学生不进实验室就可以学习使用仪器，自行开发了虚拟仪器使用培训平台，主要供学生在实验课前预习学习时使用[12-14]。

虚拟仪器使用培训平台采用FLASH开发，包含通常电类实验通常所需的“5大件”仪器(见图3)：函数发生器(见图4)、示波器、交流毫伏表、直流稳压源和万用表。虚拟仪器外观与实验室仪器完全一致，具有仪器介绍、面板介绍、单个按钮(旋钮)功能详细介绍，操作步骤演示5大功能。在操作过程中，需要注意的地方会有提示，操作步骤可以回溯。与其他仪器相连时也会有连接指导。

图3 虚拟仪器培训平台“5大件”仪器

(a) 函数发生器(b) 面板介绍

(c)可根据提示“操作”仪器

虚拟仪器使用培训平台图文并茂，提高了学生自主学习使用的兴趣，提高实验课效率，减少了仪器损坏率。

3.2.2 计算机仿真实验

传统实验课程受限于学时安排、课堂授课时间地点，以及实验装置的限制，教学内容 很难拓展训练学生的工程思维。计算机仿真实验可以克服上述不足[15]。仿真实验采用加拿大Electronics Workbench公司的EDA产品Multisim7电路仿真软件。该仿真软件内置上万种元件、多种虚拟仪表、信号源，有先进的混合仿真系统，可以仿真电路电子等多种实验。该软件界面和实验示例如图5所示。学生只要在个人计算机上安装该软件，就完全可以在家或宿舍的个人电脑上进行电路与电子技术实验，好像将电子实验室搬回了家和宿舍，实验不再受传统实验在时间、空间及内容的限制。基于该仿真平台，学生可以开展随时随地开展自主学习，进行实验预习、课堂实验复现、或者自行设计感兴趣的探究实验。

图5 Multisim仿真软件及实验示例

3.2.3 在线实验平台

在线实验平台既具有和计算机仿真实验一样的时空优势，又不同于计算机仿真平台。在线实验将电工电子实验搬到网上，实验内容由教师设计制定，实验的实物感、操作感比计算机仿真实验强，实验完成后教师进行在线批改。在线实验不是对现场实验的简单模拟和仿真，而是突出探究式学习和过程考核特色[16]。

借助《基本线路与电子》国家网络精品课程、共享资源课程建设东风，开发的在线实验平台(见图6)具有以下特点：①在实验开发中，把计算机虚拟技术、动画技术、网络技术和远程控制技术结合，注重现场感、交互性和数据实时性。②设计了具有真实用户体验感的多种虚拟电路元器件和仪器，如示波器、信号发生器、电压表、电流表等，完全仿真了真实仪器的输出效果。同时提供虚拟与真实仪器设备和实验场景，形成比较，给学生较为真实的操作体验。③设计了“实验指南-实验操作-数据处理-实验报告-实验评价”的渐进式网上实验流程。这5部分的内容按过程和深度逐步传授给学生。学生在自主实验中，可反复学习和获得帮助，加深对实验要求理解。④实现了实验结果的自动判断。学生自主进行器件选取，并进行电路连线，在连线后，不需要教师参与，由计算机完成智能判断连线的正确性。允许学生多次出错，多次连线。同时，在线实验支持服务系统提供在线实验指导电子书和实验问题知识库，专业教师提供实时在线支持服务。

图6 网上虚拟实验平台示例

目前，网上虚拟实验设计实现了8个实验场景，包括基础原理虚拟实验和具有工程虚拟场景和工程实际意义的虚拟实验，一共可完成36个虚拟实验。

网上虚拟实验平台考虑了互联网在线使用的可行性，完全满足互联网环境的远程访问和使用，在实验流程上完整的实现了从理论理解、器件熟悉、实验操作到报告提交的学习过程，是课堂实验的有益补充。

4 改革创新与成效

学生工程素养和实践创新能力的提高和解决各种问题能力的增强是电工电子实验课程改革的目标所在。多年的改革实践，改变了原电工电子实验手段单一、内容孤立单调，学生兴趣不高，不能满足不同层次学生需要的问题，大幅提高了教学质量。

(1)在SIBEAI实验教学模式的框架下重构了教学内容，明确了实验培养目标。让学生通过迭代训练，工程意识、工程思维、工程实践和数字化学习与创新能力不断增强。

(2)通过大量应用工程、生活实际紧密结合的实验案例，使实验内容更具有应用性和趣味性，很好地帮助了学生更加深刻、形象地建立工程意识和思维，锻炼工程实践能力。

(3)实现了分层次教学，充分考虑学生个性化的需求，灵活设计自主实验内容；变学生被动学习为主动学习，激发学生主动学习动力，增强创新意识。

(4)通过实践虚实结合、软硬结合的多元化实验手段，将传统实验技术、计算机仿真技术、网络教学结合起来，吸取各种教学手段的优点，形成多元化现代教学手段，强化学生数字化学习能力。

在此基础上，还将课程实践与电工电子创新实践基地紧密结合起来，选拔有潜力的学生后续进入创新基地继续研发，指导学生参加各级大学生创新活动，并积极推荐参加每年的国家级和上海市级机电、电子类竞赛，取得了优异的成绩。例如，我校机械专业学生的作品“易拉罐金属分离回收机”获第十届挑战杯全国一等奖，“智能婴儿摇床机器人” 获得首届智能机器人创意大赛全国二等奖。

5 结 语

电工电子教研室多年来一直坚持电工学及其实验课程改革，主持国家精品课程一门，上海市教委本科重点教改项目一项，上海市精品课程一门，校级精品课程一门，校级教改项目多项。通过不断探索新教育理念、新技术手段下的电工电子实验课程培养模式，完善实验课程体系、改革实验内容、丰富实验手段、编写实验教材，形成了具有自身特色的教学方法，构建了以工程素养和实践能力培养为核心的现代电工电子课程实验体系，适应了现代工科大学生实践能力培养需要。