“电力拖动与控制系统”实验“金课”探究

赵 犇， 陈华胜， 马瑞卿， 曲仕茹

(1. 西北工业大学 自动化学院，陕西 西安710072；2. 西北工业大学 教学研究与教师发展中心，陕西 西安 710072)

0 引言

当前本科教育的突出弊端在于理论教学脱离实际[1]。实验教学作为实践教学重要组成部分，其教学效果很大程度上决定人才培养质量。

习近平总书记指出，要努力构建德智体美劳全面培养的教育体系，形成更高水平的人才培养体系[2]。陈宝生部长在新时代全国高等学校本科教育工作会议上第一次提出，要提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度，拓展课程深度，扩大课程的可选择性，真正把“水课”转变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[3]。教育部吴岩司长将“金课”归结为“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度[4]。实验课程“金课”建设是教育教学改革的重要内容，对提高人才培养质量具有重要意义和研究价值。

1 问题背景

2019年西北工业大学启动人才培养大讨论活动，针对新时期一流本科怎么建设的问题组织开展了全校的深入讨论，实验课程“金课”建设是其中一个重要讨论主题。通过兄弟院校调研、师生调查、头脑风暴等方式，研讨剖析了当前实验教学主要仍存在的三个问题：

(1)内容陈旧，教学改革创新性、动力不足。主要体现在：①实验所用的教材讲义、设备等更新速度跟不上教学改革变化，与行业发展脱节严重；②验证型实验仍占据较大比例，实验本身也往往没有难度和挑战，大大降低了学生的好奇心和积极性；③实验教学改革阻力较大，创新型、综合型实验项目对实验教师队伍、教学理念和方法等方面要求较高，高校对实验教学序列教师的保障和激励与理论课教师明显存在差别，造成实验教师创新能力不强，改革动力不足。

(2)知识点单一，与交叉复合型人才培养要求不匹配。实验教学的设计主要针对单一课程或知识点，缺乏跨课程、跨专业设计，不能发挥实验教学“做中学”原理，牵引学生主动学习相关课程知识来构建自身的知识体系。

(3)实验教学的实践育人功能需要进一步挖掘。立德树人是高校的根本任务。一流人才培养离不开一流本科建设，一流本科建设离不开实验、工训等在内的实践教学[5]。实践教学在构建“三全育人格局、十全育人体系”中具有十分突出的作用，而实验教学作为实践教学的重要组成部分，不能仅仅作为一种巩固和强化课堂知识的教学方法使其从属于理论教学，而要进一步认识和深化实验教学在高校人才培养过程中的独立地位[6]。

2 实验课程“金课”改革思路

实验课程是实践教学重要一环，是本科教学体系整体系统中有机组成部分。因此建设实验课程“金课”，提升实验课程教学效果不能单一考察课程本身，要将其放置在实践教学体系整体来考虑，即要对实验课程本身的内涵以及其与教学体系的联系外延进行全面的考量。

1)实验课程“金课”的内涵思考

内涵是指事物所反映的对象的本质属性。实验课程内涵用于识别实验课程的轮廓边界，即实验课程是什么。

从教学目标来看，实验教学是指学生利用仪器设备，在人为控制条件下，引起实验对象的变化，通过观察、测定和分析，获得知识与发展能力。目标达成所蕴含的教学逻辑是指学生在实验室环境中模拟科学家解决实验问题或探索未知结果的过程，引导学生掌握科学研究方法，能独立学习和对相关理论进行验证或创新试验[7]。实验课程通常由一系列实验项目构成，实验项目分为基础验证型、综合设计型、研究创新型等类型[8]。基础验证型项目主要培养学生验证性科学方法，而后两者则主要培养探究性科学方法。因此，实验课程改革主要任务还是要解决课程项目高阶性、创新性和挑战度的问题，即加大实验课程中综合性、研究创新型项目类型的比例。

从教学模式来看，实验教学是在教师指导下学生主动实践，属于实践教学范畴。实验课堂对学生德智体美劳全面发展有重要作用。习总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：“其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”。教师在课堂里虽然更多是实验教学指导者，但并不意味教师降低教学标准，反而要将新时期党和国家对实践育人新思想新要求对课堂教学进行改革重构，赋予实验教学时代思想性，让学生在实验过程中喜闻乐见，具有更好的育人效果。

2)实验课程“金课”的外延思考

外延是指所反映的本质属性的所有事物，也就是与它有关系的其他概念的适用范围。内涵确定了实验课程在本科教学系统中的边界，而外延则是搭建了实验课程和教学系统其他部分交叉和协同的桥梁。

实验教学位于实践教学的基础地位，在体系中属于“前端”，学科竞赛、大学生创新活动等具有高水平竞技性质的实践环节属于实验课程的外延，也即实践教学体系的“末端”[9]。作为有实践成果作为教学效果表现的末端培养，历来受到教师和学生更多的重视，然而很多时候却忽视了前端培养。没有扎实的前端基础，很难保证末端成果的质量，这就如金字塔结构，没有底层坚固牢靠的基础实验教学，就无法培养高阶的创新能力。实验课程不应是孤立零散的，其外延是与实践教学末端有机衔接的，为广大学生提供基础性实践能力培养和科学探究思维训练。

通过实验课程“金课”内涵外延的讨论，有助于形成我校实验课程改革的整体思路：

(1)在内涵方面，加大综合性、设计型及创新型实验项目比例，提高实验项目的“两性一度”，改革实验课堂和强化实验课程思政，使实验教学在德智体美劳全面育人的过程中发挥更大作用。

(2)在外延方面，将实验教学置于实践教学体系整体进行设计，重塑实验教学“前端培养”的重要性，以成果为导向，与学科竞赛、大学生创新项目充分结合，在实验教学活动中引导学生探索前沿问题，不断拓展实验课程外延。

3 “电力拖动与控制系统”实验课程改革

“电力拖动与控制系统”是电气工程及其自动化专业核心专业必修课，是一门工程性很强的课程，其教学方法的改革历来受到很多关注和研究[10～11]。该课程的实验教学环节也存在上述的诸如内容老旧、知识点单一及与行业发展脱节等问题。针对课程实际，围绕学校“厚基础、宽口径、重实践、求创新”的人才培养特色，需要对“电力拖动与控制系统”实验课程进行改革。2018年“电力拖动与控制系统工程实践实验”获批西北工业大学实验核心课程立项建设，开启了该课程“金课”探索。经过两年实践，课程覆盖了“电机学”、“电力电子技术”、“嵌入式系统”、“自动控制原理”、“数电”、“模电”等多门课程知识，年均选修学生达80余人次。学生反馈本实验课程与传统实验课程区别很大，需要付出更多精力，但同时收获也更多，例如与其他课程的交叉更加深入、更易于知识体系的融会贯通、对行业前沿的涉猎更多、对创新竞赛的应用更加广泛等。根据教务部门统计，学生对该课程满意度达到了98.72%(见图1)。

图1 学生对本实验课程的评价

实验课程改革是一项复杂的系统工程，通过实验课程改革进行个案研究，可以更好观察实验“金课”在本科教学系统中的作用。鉴于该课程的良好基础和实施效果，可以为其他课程改革提供经验。

3.1 “电力拖动与控制系统”实验课程内涵建设

为推进学生自主式、研究性的学习方式，以启迪学生的创新思维，对“电力拖动与控制系统”课程实验教学内涵进行改革。主要思路是将原来以验证型实验项目为主，主要实现单一实验学习目标的实验导向型学习向以师生共同实施一个完整项目的项目导向型学习转变。可以通过分层次实验教学设计和实验教学模式改革来实现。

1)实施分层次实验教学设计

“电力拖动与控制系统”课程结合电气工程专业教学需要，在保留经典的2个基础验证型实验项目基础上，新设计开发8个实验项目，其中综合设计型4个，研究创新型4个(见表1)。

表1 “电力拖动与控制系统”实验项目一览表

基础验证型实验项目是在现有的教学实验平台上搭建调速系统，实现对理论教学的实物验证，加深知识点的理解，具备一定的工程调试能力；在此基础上，综合设计型实验主要在于提高学生的系统设计和调试能力，通过设置一定的控制目标，学生主要通过设计系统参数、编写调试软件程序达到预期目标，同时通过比较不同参数下的实验结果得到一定的实验结论；最后的研究创新型实验是以工程项目需求为导向，激发学生的创新思维，完全自主选择电机类型和调速方法，设计硬件电路，编写软件程序，实现预期指标，并形成研究实验报告，培养学生具备完整的解决实际工程项目的能力。通过构建基础实验理论认知-综合型实验设计-创新型实验应用三层递进的层次化实验教学方式，在实验课程教学中体现以学生为中心，促进学生全面发展，培养解决复杂工程问题的综合能力。

2)大力开展实验教学模式改革

通过设计具有竞赛性质的研究创新型实验，并适度提升指标难度，学生以团队的形式完成一个完整项目，并主导整个项目的全部流程，实现培养解决复杂工程问题能力的教学目标。

案例名称：小型电动机稳速控制系统设计

教学目的：针对具体的工程应用，要求学生具备需求分析、方案设计、软硬件设计、样机制作与调试、研究报告编写与答辩等工程项目能力。

方案内容：学生自主选择电机类型、微处理器，自主设计控制算法，完成24 V/3000转 电机稳速控制系统的设计与样机制作，要求不大于5%的稳态转速误差，同时具备过、欠压保护、故障报警等功能。学生在课前需要投入时间研究设计系统的构成，并可采用组内讨论及与老师交流讨论的方式确定实验方案，进行程序的编写，然后学生采用网上预约的方式，自主进行实验系统的搭建和实验验证，现场调试程序，完善控制系统，最终达成控制目标。完成后需提交研究实验报告及源程序，并进行现场演示和答辩。

考核方式：各实践阶段成果验收(40%)、研究实验报告(40%)及汇报答辩(20%)。

该教学模式已经顺利完成两届，学生普遍反应良好，且多数学生确实展现出了优秀的电路设计、制作、调试等科学研究功底，为日后进一步学习和工作奠定了坚实的基础。图2为学生在进行焊接调试和答辩，图3为部分优秀学生作品。

3)开展实验课程思政探索

结合西北工业大学的航空、航天、航海(三航)特色以及电气工程专业的国防科研优势，在实验教学活动中融入课程思政。

图2 学生焊接调试及答辩

图3 学生代表作品

一方面，在授课过程中介绍与课程相关的校友、院友的优秀事迹及“西工大现象”，提升学生荣誉感与使命感，引导学生形成并强化献身国防、航空报国的思维。

另一方面，在知识点的设计中也融入课程思政，将电气工程专业科研团队在国防科研项目中取得的众多成果与本课程知识点结合，针对课程内容介绍其在航空航天中的应用。例如，类似该小型电动机稳速控制系统已成功应用于我国某型先进飞机，在开展本实验之前，向学生展示该电机及控制系统样机实物并辅助以视频图片等形式介绍其实际应用，在激发学生好奇心与自豪感的同时引导学生思考航空航天应用中的特殊性设计，如体积、重量、可靠性等。

通过实际航空航天应用案例与知识点的结合，形成学生带入式的科研工作参与感，帮助学生掌握课程知识、提高动手能力的同时，培养家国情怀。

3.2 “电力拖动与控制系统”实验课程外延建设

在实验教学过程中，引导学生扩展“电力拖动与控制系统”课程知识的运用环境，不能仅限于传统的生产制造活动中，更应该与新兴技术行业、创业潮流相结合。作为重要的作动部件和执行机构，电机及其控制技术在智能车、机器人、无人机等领域中扮演了重要的角色，而这恰恰是“电力拖动与控制系统”课程所希望培养的主要专业知识和技能。

因此，结合智能车等学科竞赛，将竞赛活动中遇到的技术难点作为设计型实验的出发点和指标，鼓励学生在“做中学”，探索和解决实际问题，不断拓展实验课程的外延建设。以前端培养与末端成果相衔接为导向，将实验课程教学与学科竞赛、大学生创新项目相结合，将实验教学融入创新创业教育体系。

智能车竞赛中的过弯减速是一项重要技术，传统方案通过减小速度给定降低车速，但在高速时不能快速制动造成过弯飞出，因而不得不提前降低车速，影响比赛成绩。可采用反接制动快速降低过弯车速(见图4)，也可采用内外侧驱动电机的独立控制形成差速配合制动高速过弯。选择何种制动方案、如何实现快速过弯成为了设计型实验的一项可选任务。学生将优秀方案应用在第十二届全国大学生智能汽车竞赛电磁追逐组的比赛中，取得了一等奖的优异成绩(见图5)。

通过将实验教学与学科竞赛、大学生创新项目的结合，研究型实验项目更加贴近最新技术和应用，明显提升了学生参与实验的积极性，有三十余人次参与了基于学科竞赛和大创项目的可选实验项目，提高了学生解决实际复杂工程问题的能力和创新创业水平。

图4 全桥反接制动电路示意图

图5 智能车竞赛现场及获奖

4 结语

本文以2019年西北工业大学人才培养大讨论为背景，深入剖析现有实验课程普遍存在问题。提出从内涵和外延两个维度考察实验课程“金课”在本科教学整体背景的作用，继而形成实验课程改革的两把抓手：在内涵方面，构建分层次课程教学，加大综合性、设计型及创新型实验项目比例，以实验导向性学习向项目导向性学习实验教学模式转变，提高实验项目的“两性一度”，改革实验课堂和强化实验课程思政；在外延方面，将实验教学置于实践教学体系整体进行设计，重塑实验教学“前端培养”的重要性，以成果为导向，与学科竞赛、大创项目充分结合，在实验教学活动中鼓励引导学生探索前沿问题。以电气工程类专业核心课程“电力拖动与控制系统”实验为例，具体介绍打造实验课程“金课”的改革举措和实施效果。实践表明，通过内涵和外延两个维度的改革，学生的参与度和收获感大为提升，所付出的精力也更多。学生反馈本实验课程有助于其专业知识体系的融会贯通，通过实验课程“做中学”能力的培养，对学科竞赛和创新创业大有裨益。同时，实验课程思政的融入也强化了实验教学在立德树人这一根本任务中的重要作用，取得了更好的育人效果。