杜海江，耿光飛，張曉東

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

電類學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)曲線的構(gòu)建與實(shí)施

杜海江，耿光飛，張曉東

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

為使電類學(xué)生適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和需求，結(jié)合我院實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)狀和建設(shè)規(guī)劃為背景，對(duì)大學(xué)4年實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。提出大學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)是：具有獨(dú)立分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力及開(kāi)展科學(xué)研究的思維及能力，與國(guó)內(nèi)外學(xué)生相比有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)母校和老師有很強(qiáng)的認(rèn)同感，并有勇于創(chuàng)新、建設(shè)國(guó)家、回饋社會(huì)的情懷和精神，而不是功利主義的奴隸。構(gòu)建電力學(xué)生合理的學(xué)習(xí)曲線，在每個(gè)階段都有具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)。對(duì)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)平臺(tái)-實(shí)驗(yàn)室布局和過(guò)程管理進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以達(dá)到理想的培養(yǎng)目標(biāo)。

電類學(xué)生； 學(xué)習(xí)曲線； 資源管理； 實(shí)驗(yàn)室

0 引 言

我院是以工科和實(shí)踐性學(xué)科及熱門(mén)的工程學(xué)科組成的學(xué)院，學(xué)生們懷著很高的期望并以相當(dāng)高的成績(jī)來(lái)到我院，學(xué)校應(yīng)提供國(guó)內(nèi)一流的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，即包括先進(jìn)和豐富的實(shí)驗(yàn)和場(chǎng)所，也包括水平較高、造詣?lì)H深且有相當(dāng)熱情投身于教學(xué)的教師隊(duì)伍。我院實(shí)驗(yàn)中心目前有37個(gè)實(shí)驗(yàn)室，12名實(shí)驗(yàn)教師，實(shí)驗(yàn)室數(shù)量大，管理任務(wù)重，但限于學(xué)生人數(shù)和目前開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容少，整體利用率并不高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較陳舊。

為推進(jìn)工科專業(yè)水平的提高，我國(guó)推行了一系列建設(shè)計(jì)劃，包括專業(yè)認(rèn)證、卓越工程師計(jì)劃、國(guó)家示范實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)等。我院目前的水平與國(guó)家計(jì)劃目標(biāo)和學(xué)習(xí)期望值還有一定的距離，所以也在積極籌劃，以推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)水平的快速提高。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念與目標(biāo)探討

分析國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心評(píng)審指標(biāo)體系和工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，建設(shè)教師隊(duì)伍和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐設(shè)備條件，其目的都是為了培養(yǎng)學(xué)生，綜合各種目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)是：具有獨(dú)立分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力及開(kāi)展科學(xué)研究的思維及能力，與國(guó)內(nèi)外學(xué)生相比有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)母校和老師有很強(qiáng)的認(rèn)同感，并有勇于創(chuàng)新、建設(shè)國(guó)家、回饋社會(huì)的情懷和精神，而不是功利主義的奴隸。

2 如何構(gòu)建電類本科學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)曲線

實(shí)踐教學(xué)從內(nèi)容上應(yīng)包括：實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)等5個(gè)部分。在大學(xué)4個(gè)學(xué)年的不同階段，需要結(jié)合認(rèn)知、基礎(chǔ)、專業(yè)等不同層次的需求，在前述5個(gè)部分完成整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。

認(rèn)知階段。各專業(yè)都有當(dāng)前熱點(diǎn)研究課題和流行的研究開(kāi)發(fā)工具與研究對(duì)象，這些內(nèi)容應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中體現(xiàn)。但在大一和大二階段，學(xué)生應(yīng)該接觸這些設(shè)備和裝置，以在學(xué)習(xí)初期就了解它們的運(yùn)行情況、使用情況、性能要求，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。這些內(nèi)容可以做為專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)踐課程。其他基本技能的學(xué)習(xí)也是為后面從事更深入的實(shí)驗(yàn)研究建立基礎(chǔ)。

對(duì)大一大二學(xué)生，物理、模數(shù)電技術(shù)、電路、機(jī)械制圖是基本的工科理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，電路原理圖設(shè)計(jì)、電路板焊接和電子元器件識(shí)圖、電氣元件識(shí)圖、機(jī)械加工等是基本的工程實(shí)踐技能。通過(guò)理論學(xué)習(xí)，并通過(guò)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合和創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程，對(duì)模數(shù)電、電路電工、電路原理圖設(shè)計(jì)與印制板設(shè)計(jì)、焊板等，達(dá)到非常熟練的地步，將這些日后會(huì)反復(fù)用到的理論與應(yīng)用技能變成工科學(xué)生的基本技能，并對(duì)常用儀表儀器(萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、焊接、機(jī)加工)熟練使用。電類學(xué)生需對(duì)電工工作有完整的掌握，從識(shí)圖、布線、測(cè)試等，達(dá)到高級(jí)電工的水平。

只有使學(xué)生有足夠的壓力投身到實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，只有這樣，才能對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，和對(duì)所實(shí)驗(yàn)對(duì)象有深入的理解。這需要采購(gòu)最新式的儀器設(shè)備，需要老師盡心的設(shè)計(jì)足夠強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并認(rèn)真考核，需要實(shí)驗(yàn)老師長(zhǎng)時(shí)間留在實(shí)驗(yàn)室以保證設(shè)備完好，等等。相關(guān)的仿真軟件應(yīng)成為學(xué)生們的基本工具。

到大三，微機(jī)原理應(yīng)該是一門(mén)非常重要的課程，是學(xué)生們接觸微處理器的第一門(mén)課程。如果說(shuō)模數(shù)電學(xué)習(xí)的是無(wú)生命的器件，而微機(jī)原理課程將學(xué)習(xí)有生命和活性的微處理器，由它來(lái)指揮和協(xié)調(diào)外圍電路及外部設(shè)備的工作。通過(guò)該課程學(xué)習(xí)微處理器硬件及軟件的工作原理和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。目前主要學(xué)習(xí)INTEL8086，這款上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品。顯然已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代了，不要說(shuō)它的內(nèi)容已夠用和夠?qū)W了，這是懶惰的代名詞。當(dāng)今最新的微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理、可編程器件層出不窮，是應(yīng)該更新的時(shí)候了。至于選什么，應(yīng)該和以后從事的專業(yè)有關(guān)系。

比如電力專業(yè)，目前電力工業(yè)的控制、測(cè)量，大量使用ARM和DSP[3-4]，應(yīng)該在微機(jī)原理學(xué)習(xí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行較深入的學(xué)習(xí)和理解。對(duì)于自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，ARM和微控制器用得更多一些，對(duì)低功耗要求高，應(yīng)該在微機(jī)原理課程學(xué)習(xí)相對(duì)應(yīng)用多、較復(fù)雜的一或兩款芯片。

W300是 尼 康Coolpix AW130的替代型號(hào)，不過(guò)兩者的配置參數(shù)差異并不大。在這次測(cè)試中，W300擁有最強(qiáng)的30米防水以及零下10攝氏度防凍能力，防摔高度也是評(píng)測(cè)中最強(qiáng)的，達(dá)到了驚人的2.4米。其他新功能還包括4K視頻拍攝能力，尼康SnapBridge通信系統(tǒng)，高度/深度計(jì)以及GPS功能。

對(duì)于計(jì)算機(jī)方面，是否應(yīng)該以最新的多核微處理器進(jìn)行學(xué)習(xí)，以掌握最先進(jìn)的微處理器工作機(jī)理，并從微結(jié)構(gòu)級(jí)的軟件設(shè)計(jì)以理解其工作的機(jī)理，也為以后從事設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)建立基礎(chǔ)。

目前市場(chǎng)上開(kāi)源硬件平臺(tái)Arduino[5-7]、Raspberry Pi[8-10]，是為了提高學(xué)生對(duì)軟硬件嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)興趣開(kāi)發(fā)的，也可以做為微機(jī)原理的課程內(nèi)容。

所以，這門(mén)課程應(yīng)該是個(gè)分水嶺，不同專業(yè)的學(xué)生們會(huì)結(jié)合各自專業(yè)的需求，開(kāi)始有所側(cè)重的選擇學(xué)習(xí)的微處理器，并通過(guò)設(shè)計(jì)的豐富的實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)所學(xué)微處理器芯片有深入的理解并能熟練的使用。并能結(jié)合綜合課程設(shè)計(jì)，將模數(shù)電、電路知識(shí)，與微機(jī)處理器結(jié)合，設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)一定功能的軟硬件作品，并能設(shè)計(jì)出實(shí)際的電路板。這一過(guò)程中，仿真同步應(yīng)用，成為學(xué)生必備的技能。

大四階段，結(jié)合大三階段對(duì)本專業(yè)的專業(yè)課程進(jìn)行專門(mén)的學(xué)習(xí)，并通過(guò)積累的電子、電氣、微處理器、電工電子等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用技能，可在前沿領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、新能源電力等，從事創(chuàng)造性、有一定探索性的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐工作，至畢業(yè)前，已具備獨(dú)立開(kāi)發(fā)能力，并具備與國(guó)內(nèi)外畢業(yè)生相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力、硬實(shí)力、創(chuàng)造潛力的合格畢業(yè)生。

為了達(dá)到這個(gè)學(xué)習(xí)曲線的設(shè)計(jì)，需要具備配套的實(shí)踐教學(xué)條件。

如前述，大二學(xué)生應(yīng)具備模數(shù)電、電路、機(jī)械制圖的理論及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。這種技能的建立就是以專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室為載體。如電子實(shí)驗(yàn)課，可以只為學(xué)生提供面包板和元器件，由學(xué)生自行搭建電路，實(shí)驗(yàn)室提供先進(jìn)的儀器。常說(shuō)，無(wú)招勝有招，武術(shù)的最高境界是無(wú)招。同樣，最好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就是自己設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。只有設(shè)計(jì)的豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和嚴(yán)格要求，才能把學(xué)生們留在實(shí)驗(yàn)室。與之配合的則是，實(shí)驗(yàn)室必須長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)放，并維護(hù)設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)；要求實(shí)驗(yàn)老師有更高的水平和投入，才能解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的各種問(wèn)題。為了達(dá)到大二階段的目標(biāo)，是理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等多方面的問(wèn)題，良性合作、共同努力，才能達(dá)到最佳的效果。

到大三階段，隨著專業(yè)課程的開(kāi)設(shè)，學(xué)生們應(yīng)該長(zhǎng)時(shí)間留在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，以掌握本專業(yè)的專門(mén)知識(shí)。進(jìn)而結(jié)合課程設(shè)計(jì)、實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，將微處理器、電工電子技術(shù)與本專業(yè)知識(shí)結(jié)合，可以開(kāi)展更深入的科研工作，使自身的科研素質(zhì)、能力得到迅速提升。

到大四階段，及大三和大四階段，創(chuàng)新項(xiàng)目、校企項(xiàng)目、自選題目、競(jìng)賽項(xiàng)目等等，為學(xué)生提供更寬的訓(xùn)練平臺(tái)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，都是學(xué)生們自由研究和實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所。隨著掌上學(xué)習(xí)套件的普及，學(xué)生宿舍也是很好的實(shí)踐場(chǎng)所。學(xué)習(xí)曲線設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)曲線

3 圍繞學(xué)習(xí)曲線構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室布局

實(shí)驗(yàn)中心原來(lái)的實(shí)驗(yàn)室共用37個(gè)實(shí)驗(yàn)室及一個(gè)元器件庫(kù)，實(shí)驗(yàn)室面積約2 500 m2，其中有1 900 m2分布在院1～3層，主要在3層，另有創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室600 m2分布在負(fù)一層。布局如圖2所示。

圖2 目前實(shí)驗(yàn)室布局

存在的問(wèn)題是：① 隨著招生學(xué)生數(shù)量的大幅減少，部分實(shí)驗(yàn)室處于閑置狀態(tài)；② 由于經(jīng)費(fèi)限制和教授課程內(nèi)容的滯后，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，和工程實(shí)際現(xiàn)狀差距明顯；③ 實(shí)驗(yàn)中心人員水平和人數(shù)限制，實(shí)驗(yàn)室不是開(kāi)放運(yùn)行，又限制了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和機(jī)會(huì)；④ 主要是不能滿足所設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)曲線的要求。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)室重新布局，并設(shè)計(jì)有效的運(yùn)行管理模式。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室布局如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室新布局

實(shí)驗(yàn)室新布局的特點(diǎn)：① 內(nèi)容類似的實(shí)驗(yàn)合并及建設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)室，如微控制器實(shí)驗(yàn)室，將單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、可編程器件等設(shè)備集中到一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，方便學(xué)生交叉學(xué)習(xí)；② 與工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)合，如建設(shè)新型電力實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等實(shí)驗(yàn)室；③ 強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，提高學(xué)生實(shí)踐能力。

重新布局后核心電類課程與實(shí)驗(yàn)室使用對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室與理論課、實(shí)驗(yàn)課程對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 資源管理系統(tǒng)建設(shè)與隊(duì)伍建設(shè)

為了配合實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，必須設(shè)計(jì)完善的資源管理系統(tǒng)[11-13]?？梢詫?shí)驗(yàn)中心的所有組件統(tǒng)稱為資源，包括教師、設(shè)備儀器、實(shí)驗(yàn)室、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)課程等。實(shí)驗(yàn)中心的運(yùn)行過(guò)程，就是通過(guò)設(shè)計(jì)，使得所有資源達(dá)到最佳的使用狀態(tài)和最方便的使用操作，將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3層結(jié)構(gòu)，即基本資源層、二次資源層和可視操作層，如圖5所示。

圖5 資源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中心就像一座工廠的生產(chǎn)車間，資源管理系統(tǒng)實(shí)際是一套B/S結(jié)構(gòu)的管理軟件，必須與實(shí)際管理措施結(jié)合才能有效發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)有效的資源管理和調(diào)度。

實(shí)驗(yàn)中心人員分為兩部分。①實(shí)驗(yàn)管理人員，全職值班，為常規(guī)實(shí)驗(yàn)員和實(shí)驗(yàn)師職責(zé)；②實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)科研人員，主要做實(shí)踐教學(xué)。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理和運(yùn)行由值班人員負(fù)責(zé)，也負(fù)責(zé)開(kāi)放期間學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的一般指導(dǎo)和安全管理。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課及所有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的工作，并從事與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的科研開(kāi)發(fā)工作。其中,有相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，學(xué)生不得不留在實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室老師專門(mén)長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室以供學(xué)生使用，形成良性循環(huán)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 提出本科學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)確立，不僅學(xué)習(xí)技能，還要有更高的追求；

(2) 對(duì)電類學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程曲線的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)學(xué)生規(guī)劃學(xué)習(xí)過(guò)程和老師指導(dǎo)學(xué)生提供參考；

(3) 以我院實(shí)驗(yàn)中心為背景，對(duì)實(shí)驗(yàn)室布局和工作人員管理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

學(xué)習(xí)曲線通過(guò)逐步施行，效果明顯但仍需努力。

[1] 余天佐，蔣建偉.基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)——以Z大學(xué)全國(guó)示范性軟件工程專業(yè)為例[J].清華大學(xué)教育研究,2015(6)：104-111.

[2] 張文桂.實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的思考與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(1)：1-4.

[3] 鄭文波，段明祥.工業(yè)控制與嵌入式系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2005,18(11)：1-3.

[4] 劉廣林.基于PC/104和ARM的工業(yè)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

[5] http://www.arduino.cn/

[6] http://www.arduino.org.cn/

[7] https://www.arduino.cc/

[8] https://www.raspberrypi.org

[9] http://www.shumeipai.net/forum.php

[10] http://shumeipai.nxez.com/

[11] 王小雨.實(shí)驗(yàn)室資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

[12] 馬 燕，馮 廣.淺談高校實(shí)驗(yàn)室資源管理系統(tǒng)建設(shè)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008(9)：102-103.

[13] 耿曉君，陳章其.基于Struts與JSTL的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009,19(11)：136-140.

Construction and Implementation of Learning Curve for Students Majored in Electricity

DUHaijiang,GENGuangfei,ZHANGXiaodong

(College of Information and Electrical Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Based on the current situation and construction plan of the experimental center of our college,and in order to make the students majored in electricity to adapt to the current status of industrial development and demands,training objectives of engineering undergraduates have been designed as follows: having the ability to analyze and solve engineering problems independently,having the potential to carry out research of science,having competitive compared with students at home and abroad; having strong sense of identity with alma mater and teachers and having to be not slaves of utilitarianism.The four-year university practice learning process is analyzed and a good learning curve is designed.Lab layout and process management methods are also planned and designed to achieve ideal cultivation goal.

students majored in electricity; learning curve; resource management; laboratory

2016-10-25

杜海江(1971-)，男，河北定州人,博士，副教授，主要研究方向：電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電。

Tel.:13718445130;E-mail：duhaijiang@cau.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2017)07-0257-04