張雪芹，宋繼榮，陸勇駿，張勝輝,陳成良

(華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237)

0 引 言

作為電子信息的基礎技術，電工、電子技術的應用極其廣泛，發(fā)展非常迅速，并且日益滲透到其它學科和領域。電工電子課程在非電工科專業(yè)中占據著重要的地位。在電工電子課程教學中，實驗教學是課程教學的重要組成部分。學生通過實驗，不僅可以鞏固理論知識，還可以訓練工程思維和能力[1-3]。普通高等學校電工電子實驗課程，包括面向大面積專業(yè)開設的電工學實驗，面向機械專業(yè)開設的電子電工學實驗，面向計算機專業(yè)開設的電路及電子學實驗等課程，涉及專業(yè)面廣、學生數多。

電工電子實驗課程是工科學生本科學習階段培養(yǎng)動手能力、工程素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和實踐能力的重要途徑之一[4-6]。但是，隨著時代的發(fā)展，電工電子實驗課程存在理念老化，重動手訓練輕思維訓練；實驗內容與日常工作生活脫節(jié)，忽略學生工程意識培養(yǎng)；實驗手段單一，不利于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等問題。

為了解決上述問題，在國家、上海市和校精品課程等專項項目和建設資金支持下，進行了一系列電工電子實驗改革，設計了基于螺旋式迭代工程能力提升(spiral iterative based engineering ability improvement，SIBEAI)模型的實驗教學課程體系，改革了實驗內容，探索實施了多元化的實驗手段方法，構建了以工程素養(yǎng)和實踐能力培養(yǎng)為核心的電工電子實驗教學方案，取得了很好的教學效果。

1 基于SIBEAI模型的實驗課程教學體系

大學生工程素養(yǎng)和實踐能力培養(yǎng)包括工程意識、工程思維方式、工程實踐能力，以及數字化學習與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。其中，工程意識培養(yǎng)是指幫助學生形成工程敏感度和工程價值的判斷力，使學生能夠根據問題的需要，尋求恰當的工程方式獲取和處理信息。工程思維培養(yǎng)是指培養(yǎng)學生運用工程領域的思想方法界定問題、抽象特征、建立電路模型，形成問題解決方案。工程實踐能力培養(yǎng)是指運用工程領域的手段，根據需求設計方案、搭建電路，實際解決問題并分析實驗結果；數字化學習與創(chuàng)新能力是指學生能夠適應數字化學習環(huán)境，充分使用學習資源，主動開展學習，自主有效管理學習過程，完成學習任務，形成數字化學習資源的應用與創(chuàng)新。

針對該目標，結合理論和實驗課程內容，設計了基于SIBEAI模型的實驗課程教學體系,如圖1所示。

圖1 螺旋迭代工程能力提升模型

整個教學過程是從基礎到中級到高級多次迭代的過程。每次迭代都是在上一次迭代的基礎上認知更深入，要求更提升。每個螺旋周期含有工程意識、工程思維、工程實踐和數字化學習與創(chuàng)新能力培養(yǎng)4個部分。

基于SIBEAI模型，本文設計了電工電子實驗教學體系。具體而言，電工電子實驗課程內容包括安全用電常識、實驗儀器儀表使用、元器件特性測量、簡單電路實驗、電力電路實驗、電器控制、模擬電路和數字電路實驗、系統(tǒng)綜合實驗等模塊。在每個實驗模塊，都圍繞工程素養(yǎng)和實踐能力培養(yǎng)的4個方面設計實驗內容和實驗形式，螺旋迭代式不斷培養(yǎng)和提升學生工程素養(yǎng)和實踐能力。具體見表1所示。

通過建立螺旋迭代式實驗教學課程體系SIBEAI，幫助學生一步步深入了解電子電力系統(tǒng)基本原理、掌握電子電力系統(tǒng)關鍵學科知識，在實踐中認識到電子電力系統(tǒng)在人類生產與生活中的重要作用和價值，學會運用工程思維理解和分析問題，設計解決方案，全面提升學生的工程素養(yǎng)和實踐能力，為學生進一步參加更高層次的工程創(chuàng)新活動打下基礎。

表1 實驗內容和培養(yǎng)目標

2 優(yōu)化實驗內容

2.1 設計與工程、生活實際緊密結合

電工電子課程理論性強,概念多,內容比較抽象，非電專業(yè)的學生往往覺得學習難度比較大，感到枯燥乏味,難以理解，從而提不起學習的興趣。電工電子實驗課程是幫助學生理解理論知識的有益補充，學生可以通過實驗更加深刻、形象地理解所學理論知識。因此，在實驗電路的設計和選取上應注意貼近生活實例和工程場景[7-9]。比如，表2中列出的部分實驗案例都選用了學生熟悉的生活用電實例或在生產中(如金工實習期間)會經常見到的工程場景實例。這些實驗的設計，不僅可以幫助學生理解理論知識，真切感受到所學知識在實際工作和生活中的用處，同時還能夠幫助學生建立起工程意識，并開展工程思維方式和工程實踐能力訓練[9-11]。

表2 實驗案例(部分)

2.2 根據學生個性化的需求靈活設計實驗內容

為了強化學生的工程實踐能力，同時滿足不同層次、不同水平的學生需求，在常規(guī)實驗基礎上，設立20個要求更高、內容更深的拓展實驗[10-11]。這些自主實驗短小精悍，完成時間一般在20～40 min左右，是課堂實驗內容的深化和補充。動手能力強、實驗速度快的學生可以利用課堂實驗時間完成，其他感興趣的同學可以利用實驗室開放時間完成。這些實驗了內容實驗教師隨堂不做講解，需要學生自行設計實驗步驟、設計表格記錄數據并進行分析。該模式打破了“大鍋飯”式實驗方式，學生可以開展探究式自主型實驗學習。

3 虛實結合的多元化實驗手段

在信息化時代，充分利用數字化學習資源，主動開展學習，自主有效管理學習過程，完成學習任務，是學生創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)。因此除了，采用傳統(tǒng)基于實驗裝置的實驗手段外，必須加強數字化學習資源建設，為學生提供虛實結合的多元化實驗室手段[12-16]。

3.1 傳統(tǒng)實驗手段的優(yōu)化

傳統(tǒng)實驗手段依賴于實驗裝置(見圖2)，能夠有效鍛煉學生的動手能力。圍繞SIBEAI模型，在實驗裝置的“選、制”中，首先注重強調元器件的可視化，讓學生能將抽象的電器符號和實物相聯(lián)系。其次，強調動手。對于電路實驗，僅提供獨立元器件，要求學生使用分立元件自行設計搭接電路。對于強電實驗，提供元器件組件板，要求學生執(zhí)行選件連線搭接電路。對于復雜的模擬電子電路，考慮實驗課程時間的限制，不能采用現(xiàn)場搭接，采用專業(yè)教師自行研制開發(fā)的實驗電路板，滿足定制教學的需要。

(a) 分立元器件(b) 元器件組件板

(c)自制實驗板

3.2 數字化實驗資源的利用

3.2.1 虛擬儀器使用培訓平臺

熟練使用儀器設備是開展電工電子實驗，培養(yǎng)基本工程素養(yǎng)和實踐能力培養(yǎng)的基礎。認識并掌握了儀器儀表的使用，學生才能根據特定工程任務進行正確選擇。但是實驗儀器的損壞是電工電子實驗中最頭疼的問題之一，因為擔心儀器損壞，一定程度上限制了學生的工程能力鍛煉。為了使學生不進實驗室就可以學習使用儀器，自行開發(fā)了虛擬儀器使用培訓平臺，主要供學生在實驗課前預習學習時使用[12-14]。

虛擬儀器使用培訓平臺采用FLASH開發(fā)，包含通常電類實驗通常所需的“5大件”儀器(見圖3)：函數發(fā)生器(見圖4)、示波器、交流毫伏表、直流穩(wěn)壓源和萬用表。虛擬儀器外觀與實驗室儀器完全一致，具有儀器介紹、面板介紹、單個按鈕(旋鈕)功能詳細介紹，操作步驟演示5大功能。在操作過程中，需要注意的地方會有提示，操作步驟可以回溯。與其他儀器相連時也會有連接指導。

圖3 虛擬儀器培訓平臺“5大件”儀器

(a) 函數發(fā)生器(b) 面板介紹

(c)可根據提示“操作”儀器

虛擬儀器使用培訓平臺圖文并茂，提高了學生自主學習使用的興趣，提高實驗課效率，減少了儀器損壞率。

3.2.2 計算機仿真實驗

傳統(tǒng)實驗課程受限于學時安排、課堂授課時間地點，以及實驗裝置的限制，教學內容 很難拓展訓練學生的工程思維。計算機仿真實驗可以克服上述不足[15]。仿真實驗采用加拿大Electronics Workbench公司的EDA產品Multisim7電路仿真軟件。該仿真軟件內置上萬種元件、多種虛擬儀表、信號源，有先進的混合仿真系統(tǒng)，可以仿真電路電子等多種實驗。該軟件界面和實驗示例如圖5所示。學生只要在個人計算機上安裝該軟件，就完全可以在家或宿舍的個人電腦上進行電路與電子技術實驗，好像將電子實驗室搬回了家和宿舍，實驗不再受傳統(tǒng)實驗在時間、空間及內容的限制?；谠摲抡嫫脚_，學生可以開展隨時隨地開展自主學習，進行實驗預習、課堂實驗復現(xiàn)、或者自行設計感興趣的探究實驗。

圖5 Multisim仿真軟件及實驗示例

3.2.3 在線實驗平臺

在線實驗平臺既具有和計算機仿真實驗一樣的時空優(yōu)勢，又不同于計算機仿真平臺。在線實驗將電工電子實驗搬到網上，實驗內容由教師設計制定，實驗的實物感、操作感比計算機仿真實驗強，實驗完成后教師進行在線批改。在線實驗不是對現(xiàn)場實驗的簡單模擬和仿真，而是突出探究式學習和過程考核特色[16]。

借助《基本線路與電子》國家網絡精品課程、共享資源課程建設東風，開發(fā)的在線實驗平臺(見圖6)具有以下特點：①在實驗開發(fā)中，把計算機虛擬技術、動畫技術、網絡技術和遠程控制技術結合，注重現(xiàn)場感、交互性和數據實時性。②設計了具有真實用戶體驗感的多種虛擬電路元器件和儀器，如示波器、信號發(fā)生器、電壓表、電流表等，完全仿真了真實儀器的輸出效果。同時提供虛擬與真實儀器設備和實驗場景，形成比較，給學生較為真實的操作體驗。③設計了“實驗指南-實驗操作-數據處理-實驗報告-實驗評價”的漸進式網上實驗流程。這5部分的內容按過程和深度逐步傳授給學生。學生在自主實驗中，可反復學習和獲得幫助，加深對實驗要求理解。④實現(xiàn)了實驗結果的自動判斷。學生自主進行器件選取，并進行電路連線，在連線后，不需要教師參與，由計算機完成智能判斷連線的正確性。允許學生多次出錯，多次連線。同時，在線實驗支持服務系統(tǒng)提供在線實驗指導電子書和實驗問題知識庫，專業(yè)教師提供實時在線支持服務。

圖6 網上虛擬實驗平臺示例

目前，網上虛擬實驗設計實現(xiàn)了8個實驗場景，包括基礎原理虛擬實驗和具有工程虛擬場景和工程實際意義的虛擬實驗，一共可完成36個虛擬實驗。

網上虛擬實驗平臺考慮了互聯(lián)網在線使用的可行性，完全滿足互聯(lián)網環(huán)境的遠程訪問和使用，在實驗流程上完整的實現(xiàn)了從理論理解、器件熟悉、實驗操作到報告提交的學習過程，是課堂實驗的有益補充。

4 改革創(chuàng)新與成效

學生工程素養(yǎng)和實踐創(chuàng)新能力的提高和解決各種問題能力的增強是電工電子實驗課程改革的目標所在。多年的改革實踐，改變了原電工電子實驗手段單一、內容孤立單調，學生興趣不高，不能滿足不同層次學生需要的問題，大幅提高了教學質量。

(1)在SIBEAI實驗教學模式的框架下重構了教學內容，明確了實驗培養(yǎng)目標。讓學生通過迭代訓練，工程意識、工程思維、工程實踐和數字化學習與創(chuàng)新能力不斷增強。

(2)通過大量應用工程、生活實際緊密結合的實驗案例，使實驗內容更具有應用性和趣味性，很好地幫助了學生更加深刻、形象地建立工程意識和思維，鍛煉工程實踐能力。

(3)實現(xiàn)了分層次教學，充分考慮學生個性化的需求，靈活設計自主實驗內容；變學生被動學習為主動學習，激發(fā)學生主動學習動力，增強創(chuàng)新意識。

(4)通過實踐虛實結合、軟硬結合的多元化實驗手段，將傳統(tǒng)實驗技術、計算機仿真技術、網絡教學結合起來，吸取各種教學手段的優(yōu)點，形成多元化現(xiàn)代教學手段，強化學生數字化學習能力。

在此基礎上，還將課程實踐與電工電子創(chuàng)新實踐基地緊密結合起來，選拔有潛力的學生后續(xù)進入創(chuàng)新基地繼續(xù)研發(fā)，指導學生參加各級大學生創(chuàng)新活動，并積極推薦參加每年的國家級和上海市級機電、電子類競賽，取得了優(yōu)異的成績。例如，我校機械專業(yè)學生的作品“易拉罐金屬分離回收機”獲第十屆挑戰(zhàn)杯全國一等獎，“智能嬰兒搖床機器人” 獲得首屆智能機器人創(chuàng)意大賽全國二等獎。

5 結 語

電工電子教研室多年來一直堅持電工學及其實驗課程改革，主持國家精品課程一門，上海市教委本科重點教改項目一項，上海市精品課程一門，校級精品課程一門，校級教改項目多項。通過不斷探索新教育理念、新技術手段下的電工電子實驗課程培養(yǎng)模式，完善實驗課程體系、改革實驗內容、豐富實驗手段、編寫實驗教材，形成了具有自身特色的教學方法，構建了以工程素養(yǎng)和實踐能力培養(yǎng)為核心的現(xiàn)代電工電子課程實驗體系，適應了現(xiàn)代工科大學生實踐能力培養(yǎng)需要。