“电气技术实践”课程的探索与实践

申文达，范昌波，黄亚玲

（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

引言

“十四五”规划纲要中指出，坚持创新驱动发展，加强创新型、应用型、技能型人才培养。2018年，北京航空航天大学提出了“顶尖工科”学科建设方针。“电气技术实践”课程是电类工科本科生的必修课，是培养创新型人才的关键一环。自2017年始，我院先后进行了“基于拔尖创新人才培养模式下‘电气技术实践’课程的改革与实践”的教改［1］、“建设双一流本科实验课”的教改［2］等，并在2019年编写了《电子电气技术实践基础教程》新教材［2］，对课程进行了重新设计和调整，注重培养学生的创新精神和实践能力，并且把思想政治融入实验教学过程中，培养拔尖人才［3］，实践育人育才。以创新型人才培养为目标［4］、融合科研思维［5］的实验教学体系初步形成。在实践中，为培养任务驱动的新工科创新型、复合型人才创造了条件［6］。

一、增加实验课的学时，精心设计实验内容，满足创新型人才培养和不同专业的需求

紧跟科技发展的步伐，满足国家对复合型人才的需求，以及各个学院、各个专业的需求，提高学生解决复杂问题的综合能力。我们首先对“电气技术实践”实验课的学时和内容进行了精心设计，如表1所示。在2018年以前，该课程为72学时；2018 年以后，该课程为96 学时。基础的模拟实验［7］、数字实验可以使学生掌握实验方法，建立自信心；综合型实验可以提高学生的兴趣和实验技能；设计型实验可以提高学生的创新意识及解决复杂问题的能力。在实验内容中，我们大幅地增加了FPGA应用［8］设计型实验，如在FPGA2实验中，既可以设计直流电动机控制，也可以自行设计其他内容的实验。同时，增加了原理图设计、PCB电路板设计等以学生自学为主的内容。

表1 “电气技术实践”实践课学时与内容改革前后的对应

二、充分利用各种教学方法和手段，增加学生的兴趣，提高实验技能和教学效果

基础实验采用1人一组的形式，系统综合设计型实验采用3人一组的形式。在“工频交流电路”实验中，我们在每一组实验台上设置了断线，每一位学生要独立找出断线，从而提高学生排除故障的能力，增加学生对实验的兴趣。

1.启发式［9］、探究式教学相结合。在“简单的数字频率计”实验中，引导学生掌握频率计的基本结构和实现方法，还要进一步启发学生如何提高频率计的精度、如果输入的信号为正弦波该如何测量等，以激发学生的主动思维，鼓励学生自主学习［10］。在滤波器［11］实验中，引导学生学习如何分析信号噪声等。在实验过程中，注重思想政治教学，适时地宣讲空天信科技的发展状况、优秀学长的事迹等，培养学生严谨的工作作风，立志空天报国。

2.分层次进行指导。针对初学该课程的学生，要有耐心，用启发式的教学方法鼓励他们，让他们体会到实验的乐趣。针对能力较强的学生，采用开放式的以成果为导向的模式，随时交流答疑，培养他们的创新意识，以及解决复杂工程问题的综合能力。让每一位学生通过实验课有所收获，尊重个体的发展。利用各种教学手段，如录播课、直播课、上传学习资料、建立交流群等，随时交流，以达到更好的教学效果。

3.线上线下教学相结合，虚实融合［12］。新冠肺炎疫情期间，实验课以仿真教学为主，实验教师用PROTEUS将21个实验重排一遍，再利用多种网络工具进行教学。新冠肺炎疫情常态化期间，实验课以实际操作为主。两者互相衔接，充分发挥了线上线下混合教学的优势，收到了很好的教学效果。上课前，将教学大纲、PPT等资料上传到北京航空航天大学的课程中心，供学生下载学习；下课后，将录播的课程上传到腾讯课堂供学生翻转学习。通过腾讯会议进行直播上课；利用微信建立师生交流群，进行讨论答疑。学生利用邮箱提交实验报告，教师批改后再反馈给学生。我们在中国大学MOOC网站建立了“电气技术实践”慕课28节，每节课包括基本原理的讲解、实验操作演示、单元测验等，对学生预习及准确把握实验原理、方法和技能起到了积极的作用。截至目前，有1000多人参加。

4.采用全英文的授课方式。教师的讲解、课件、指导书，学生的实验报告、项目报告、答辩等全部采用英文。每个学期开设2个全英文授课班，每个班25人，学生自愿选课，已经连续开设了3学年。全英文授课班开阔了学生的视野，使学生建立起科技英文的思维方式，不仅提高了实验技能，还提高了英语水平，促进了拔尖创新型人才的脱颖而出，为将学生培养为国际化人才奠定了基础。

5.开放实验室，赛课合一。对于那些在有限的课上时间没能完成实验或想进一步深入探索的学生，只要实验室没课，就可以供他们使用。另外，实验教学中心还专门设置了电子实验创新基地，基地提供各种仪器设备，并对学生全面开放。同时，对创新项目［8］给予资金支持，激发学生的创新思维，鼓励学生参加我校的“冯如杯”科技竞赛、北京市大学生电子设计竞赛、全国大学生电子设计竞赛等。

6.改变成绩评定方式，鼓励创新。原来的成绩评定由实验操作、实验报告和考查组成，现在变为基于过程的考核方式，考核内容包括实验操作、实验方法、问题讨论、任务完成、实验报告书写、期末考查，以及综合设计型项目的开题、中期、结题答辩、实物作品等，现在的考核方式更加注重学生在日常的学习过程和积累。创新项目的成绩在总成绩中的比重大幅增加。现在，创新项目的分数占总成绩的1/5，这个分数也是决定能否保研的分数，因此极大地激发了学生的创新动力。

三、探索与实践的效果

提高学生的实验技能、创新意识、设计能力及处理复杂问题的能力，增加实验学时和实验内容是其有力保障，更重要的是在实验课中增加了创新型、研究型实验项目［13］。在实际操作中，针对此类实验采取分组教学的形式，每组3人，增加团体合作的意识。根据不同能力的学生，有的可以完成教师制定的典型基础题目的设计、搭接、检测，有的可以结合单片机、FPGA等软硬件设计感兴趣的题目，但是要求他们必须用AD等软件设计原理图，制作电路板。在调试阶段，实验室将全面开放。在答辩环节，要求小组中的每一位成员进行3～5分钟的答辩。教师对学生项目的开题、实物制作、编写小论文等进行全程答疑，经过两年的探索与实践，学生设计了如下产品：智能指纹密码锁、电磁炮、物联网电子秤、冬笋探测器、手势控制仪等。有些产品涉及物联网、阿里云等技术，远远超出了该实验课的内容。为了鼓励学生创新，我们在学院路和沙河校区分别设置了展柜，展出学生的90多件创新成果，而且每年还不断地更新。有的学生说，一次“实验”相当于一门课的内容。设置此实验环节培养了学生自我学习、团队协作、沟通交流、动手实践、创新思维等方面的能力，使得更多的学生有信心参加学校的“冯如杯”科技竞赛，以及北京市大学生电子设计竞赛、全国大学生电子设计竞赛等，并获得奖项，我们的辛勤付出也得到了收获。

结语

在实验教学中，我们始终坚持以学生为中心，加强创新型、应用型、技能型人才培养，加强对基础学科拔尖学生的培养。探索建立新工科复合型人才培养体系是新时代的要求，要不断地探索和实践“电气技术实践”这门实验课，不断地完善教学体系，通过多种途径、多种方式，改善教学方法和手段，提高学生的实验技能，激发学生的创新能力，推动构建与世界一流大学接轨的学习环境和知识结构。