电气工程专业虚实结合实践教学模式改革探究

白春艳,王飞

（江苏师范大学电气工程及自动化学院，江苏徐州 221116)

0 引言

国家“十四五”发展规划提出“推动信息化时代教育创新，实施教育新基建工程，大力开发优质数字教育资源，促进新技术与教育教学深入融合，培育教育高质量发展新动能”。由此可见，利用迅猛发展的现代信息技术，促进教学信息化建设，强化教学资源建设，推进高校教学理念、内容以及模式改革，是实现高等教育信息化时代创新发展的重要举措。2017 年教育部推出的“新工科建设”理念[1]注重与信息技术、软件算法等新技术的紧密结合，强调学科之间的交叉与融合，更加关注对学习者专业技能和创新创业能力的培养。因此，以新工科建设以及工程教育认证为背景，研究利用现代信息技术构建电气工程专业虚实结合实践教学模式，无论着眼当下还是放眼未来都具有一定的紧迫性、必要性和实用性。

1 电气工程专业实践教学模式改革的必要性

对于实践性较强的电气工程专业，实践教学承载着培养学生实践能力和创新能力以及提升人才综合素质的重要使命，因此实践教学质量是培养高水平、综合应用型人才的基石和决定性因素。并且，随着现代信息技术与高等教育结合的日益广泛且深入，电气工程专业实践教学模式改革的必要性就越发突显出来。

1.1 电气工程专业实践课程体系有待完善

现有的电气工程专业实践课程体系的构建主要依托于实体实践教学资源，故而实体实践教学资源存在的诸多问题限制着实践课程体系的改进和完善。而且，现有的实践课程体系已经明显落后于电气行业的发展，落后于教育信息化进程，实践课程之间也未做到有效衔接。因此，为了完善电气工程专业实践课程体系，需要在本科人才培养方案的指导下，依托电气工程专业实践教学资源平台，开发虚拟仿真实践教学资源[2]，优化整合实践课程，按照递进层次培养学生的专业素养、实践能力以及创新能力，形成具有电气工程学科特点且适合多个专业方向的虚实结合实践课程体系。

1.2 电气工程专业实践教学资源有待充实

由于电气工程专业实践教学所需设备种类多、费用昂贵[3]，实验具有一定的危险性，且很难在实体实验室建立与工程现场相匹配的实验环境[4]。因此，几乎所有的电气工程专业目前都面临着实践教学资源匮乏[5]，实验设备急需更新换代，维护费用和安全隐患逐年增加，实验室时间和空间有限，实践项目扩展性差，危险性实验无法开展等问题，导致对学生能力的培养难以达到预期目标。随着我国教育信息化战略的推进，很多高等院校已经开展虚拟实践教学资源的建设。相比实体实践教学资源，虚拟实践教学资源具有建设成本低、易于维护和升级改造、实验环境更为安全、实验场地和时间不受限制[6]等特点，能够与实体实践教学资源取长补短、优势互补[7]。因此，有必要利用现代信息技术在统筹规划现有实体实验室和虚拟实践教学资源的基础上，通过自建、校企合作等方式建设紧跟行业发展动态的电气工程专业虚实结合实践教学资源。

1.3 电气工程专业实践教学方法有待改革

电气工程专业现有实践课程体系和实践教学资源的局限性，导致了实践教学方法单一，学生实践能力培养受限。因此，在优化电气工程专业实践课程体系和实践教学资源的同时，实践教学方法也需要进行相应的调整和改革。而多媒体、虚拟仿真等现代信息技术能够将实践教学变得更加直观、生动和灵活，有助于提升教学效果且很受学生欢迎。因此将现代信息技术与实践教学深度融合[8]，丰富教学手段，开展现场实践教学和虚拟实践教学，形成能够实现泛在学习、自主研学的虚实结合实践教学方法。

因此，通过调整电气工程专业实践课程体系、建设虚实结合实践教学资源和创新灵活有效的实践教学方法进行实践教学模式改革，使学生在不受时空约束的环境中开展全面、安全、高效的实验，以期完成培养具有创新精神和实践能力的高素质人才的教学目标。

2 电气工程专业虚实结合实践教学模式的构建

本文以江苏师范大学电气工程及其自动化专业为例，依托国家级“轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心”平台，以工程教育认证理念和新工科建设理念为指导，应用现代信息技术进行探索并初步构建电气工程专业虚实结合实践教学模式。

2.1 优化电气工程专业“三个方向、三个模块、三个层次”实践课程体系

根据电气工程专业的学科特点，将人才培养方案中的专业基础课实验、专业课实验、实习实训、毕业设计等实践教学环节整合为“基础实验、专业实验、创新实践训练”三个虚实结合实践教学模块，为“电力系统及其自动化、轨道交通供电及其自动化、电力电子与电力传动”三个专业方向人才培养服务。同时，按照认知规律，将实践教学项目设置为“基础验证型、专业综合型、创新研究型”三个递进层次。经过整合优化的电气工程专业“三个方向、三个模块、三个层次”虚实结合实践课程体系如图1所示。

图1 电气工程专业虚实结合实践课程体系构成图

在图1 所示的虚实结合实践教学模块中，基础实验模块是为加深巩固专业基础课程的理论知识以及初步培养学生实践能力而设置，包括专业基础课的验证性实验和综合性实验。专业实验模块是为了专业课程理论知识的加深巩固以及学生实践能力和专业素养的进一步提升而设置，包括专业课的验证性实验和综合性实验以及各类实习实训等。创新实践训练模块是为了培养学生的科研能力和工程实践技能而设置，包括各类专业课程设计、毕业设计、电子设计大赛、“互联网+”大赛、“挑战杯”大赛、大学生创新创业项目等。而从认知规律来讲，“基础实验、专业实验、创新实践训练”三个模块中的实践项目又分属于“基础验证型、专业综合型、创新研究型”三个层次，循序渐进地帮助学生夯实专业基础、培养创新意识和提升工程实践能力。电气工程专业“三个方向、三个模块、三个层次”虚实结合实践课程体系能满足不同专业方向、不同年级、不同层次学生的实践教学需求，为学生的能力与综合素质培养搭建良好的平台。

2.2 建设电气工程专业虚实结合实践教学资源

根据电气工程专业实践教学的特点，在现有实践教学资源的基础上，应用现代信息技术建设由“虚实互补型、虚实一体型、以虚代实型”构成的模块化虚实结合实践教学资源，如图2所示。“虚实互补型”实践教学资源由安装LabView、Matlab/Simulink、Multisim、PSCAD等软件的虚拟实验室和电工技术、电力系统分析、电力电子技术等实体实验室构成，两者设置相同的实践项目且并行运转，达到优势互补、以虚促实、以实证虚的效果。“虚实一体型”实践教学资源通过将现有的单片机、自动控制原理、新能源发电与并网等实验室的设备整合、优化、改造后，配置装有相应软件的实验服务器构成，使得原有的实体实验项目在内容、功能、时间和空间上都得以拓展和延伸，给予实体实验必要的补充和有力的支撑。“以虚代实型”实践教学资源利用计算机网络、虚拟现实等技术开发无法通过实体实验室完成的实践教学项目，建设并持续更新电力系统综合仿真平台、智能电网仿真平台、微电网仿真平台等虚拟仿真实验室，实现将电气行业的工程应用和前沿技术引入课堂以及为学生的科研立项、科技创新、学科竞赛等提供服务的双重功效。

图2 电气工程专业虚实结合实践教学资源构成图

在所建设的虚实结合实践教学资源中，实体实验室和虚拟实验室以多种方式有机结合解决现有实践资源无法满足教学需求的矛盾，同时避免了虚拟仿真实验系统的重复开发。采用虚实结合实践教学资源，能够为学生打造具有扩展性和互动性、跨越时间和空间的泛在实践学习环境，将有效促进学生进行自主探究实践。

2.3 形成电气工程专业层进式虚实结合实践教学方法

依托电气工程专业虚实结合实践教学资源，改进传统教学方法和手段，形成实体实践与虚拟实践、课堂教学与在线指导相结合的层进式实践教学方法，如图3所示。基于“虚实互补型”和“虚实一体型”实践教学资源，形成“课前虚拟预习—课中实体实践—课后虚拟拓展”的实践教学新方法，引导学生将理论与实践相联系，夯实专业基础，规范实验习惯，培养工程理念。基于“以虚代实型”的实践教学资源，形成“提前设计—反复调试—总结反思”的教学方法，引导学生进行创新研究型实践学习，培养创新能力，拓展专业技能，提升专业素养。在实践教学过程中，教师采用课堂教学与在线指导相结合的方式解决学生遇到的问题，形成学生主动参与、教师提供支持、师生携手共同探索的教学方法。层进式虚实结合实践教学方法充分利用实体实验室和虚拟实验室，通过引导学生开展自主学习和创新研究活动，提升学生的实践能力、创新思维以及工程应用能力，实现人才专业技能培养和综合素质提升的过程贯通。

图3 电气工程专业虚实结合实践教学方法示意图

2.4 完善电气工程专业虚实结合实践考核评价体系

为了提升虚实结合实践教学模式的应用效果，需要将以单一的实体实践结果或实践报告为依据的考核评价体系进行升级完善。在综合考虑实践教学环节和评价主体特点的基础上，虚实结合实践考核评价体系既要考核学生实体实践的总体表现，也要考核虚拟实践的参与情况；不仅要评价学生实践操作的正确性和规范性，也要评价学生在实践中所展现的专业技能、创新能力以及工程应用能力等。构建客观、公平、有效的电气工程专业虚实结合实践考核评价体系能够真实地反映实践教学质量，促进实践教学模式的不断优化和人才培养质量的持续提高。

3 结束语

电气工程专业虚实结合实践教学模式充分发挥现代信息技术优势，优化“三个方向、三个模块、三个层次”实践课程体系，建设“虚实互补型、虚实一体型、以虚代实型”实践教学资源，形成实体实践与虚拟实践、课堂教学与在线指导相结合的层进式实践教学方法。电气工程专业虚实结合实践教学模式的改革突破了实践教学资源不足的瓶颈，挖掘了实体实验室的价值，提升了虚拟实验室在实践教学中的融入度，增强了专业人才在升学、就业以及创新创业大赛中的竞争力，为培养具有较强实践能力、创新能力和专业素养的电气拔尖人才打造新型实践教学环境，并为高校实践教学信息化发挥示范和辐射作用。