电气类本科生传统实验课程改革需求探索

2024.05.20

岳雨霏　贾奥祺　张宇辰　唐欣

摘要：实验课程教学时高校电气类本科生专业课程教学的重要组成部分，对学生实验动手能力、科研创新思维的培养至关重要，传统电气专业实验课程课时量较少、实验项目单一，束缚了学生的个性发展和创新思维的提升。为了解决高校电气类传统实验课程存在的学生积极性不高、实践动手能力培养难度大等问题，本文从高校学生的角度，以电气类本科生为例，对传统实验课程改革需求及其痛点问题进行深入分析，为高校本科生实验教学发展提供理论指导。

关键词：实验课程;高校学生;实践动手能力

中图分类号：G642文献标识码：A

一、绪论

一般的高校课堂教学通常采用传统灌输式教学方法，即任课老师将本专业课程的主要理论通过PPT演示和讲授的形式传递给学生，学生通过课堂听讲获取知识。然而，理论教学时间过长会导致学生对所学课程失去兴趣，甚至出现学生在教师讲课过程中旷课、逃课、打瞌睡等现象，同时，即使学生认真听讲，过于枯燥乏味的理论教学也难以吸引学生的关注、调动其学习积极性，若不能及时将理论教学与实验教学进行结合，那么专业授课效率将大打折扣。目前，国内大部分高校在理工科专业教学中采用传统课堂理论教学与实验教学相结合的方法[1-4]，也利用慕课等在线教学平台，通过传统实验教学与翻转课堂相结合的新型教学模式完成了讲课视频共享、课程的课后作业练习、师生论坛互动、实验教学等环节[5-7]。但在实际的课堂教学和实验课程中，这种方法的普及仍面临严峻挑战，工科学生的实验认知能力和操作能力较低。

基于上述情况，笔者以电气类本科生實验课程为例，从高校学生需求出发，提取传统实验课程教学存在的共性短板问题及挑战，分析高校学生对实验课程改革的需求及对应痛点问题。

二、传统实验课程改革面临的挑战

（一）课堂理论与实际验证联系困难

教师时常着眼于课堂教学过程，热衷于对理论的详细推导和阐释，忽略了专业理论在实际中的应用和实验体现。例如，电气类教师在教授电机学或电路理论课程时，通常会在理论课堂教学上花费大量时间，电机学教师在讲授直流电机的感应电动势和电磁转矩等理论知识时，除了借助演示文稿向学生展示最终推导获得的公式外，还会借助板书形式演示电机中重要电气量的详细推导过程，考虑到学生面对新知识理解不够透彻和深入的问题，教师会利用一个课时的时间，旁征博引电气专业其他核心课程的知识点，对所推导的公式进行补充说明。因此，理论课堂占用了相当大的课时量，而分配给实验课程的时间就少之又少。此外，虽然在传统课堂教学过程中，教师会在理论教授过程中穿插一些电机的实物图片和火电站、水电站工作的视频资料，但这些仅能够对学生的实践学习起到引领和认知的作用，不足以提高学生的实验能力和创新水平，仍需要开设额外的实验课程。但由于理论课堂在教授电机实验的内容时，仅对实验接线和实验获得的测量参数进行了简要说明，并没有实际的操作指导，因此，学生在进行电机实验操作过程中无法提前做好准备，而每个课时的实验课程时间紧张，又是多人分组实验，导致很多学生难以获得实验操作的机会和专业实践动手能力提升的时机，不利于培养学生将理论与实践相结合的能力。

（二）实践操作能力实现效果有限

电气类专业教师在科研工作中通常以仿真分析形式对所研究理论进行实时验证，可在短时间内获得可行性分析结果和正确性验证报告，仿真分析过程可在课堂上得到展示，但仿真过程由计算机完成，学生仅能掌握仿真现象，实践动手能力难以得到提升。此外，实际的实验调试中会出现各类问题，导致实验验证过程却需要耗费较长时间，实验分析过程难以在课堂教学中进行展示，课时安排也存在较大困难。

（三）方法创新的实验参数修正困难

教师在课堂上演示的仿真均基于专业基本理论及概念，学生在掌握基本理论和基础性仿真操作后，期望改变仿真模型和实验平台程序中的控制参数或电气参数，观测和学习不同参数下对应的测试结果，用于验证学生自己所提出的创新方法的可行性和合理性。但是，由于实验过程复杂度高、调试难度大，导致学生难以通过修改仿真参数快速获得实时的实验结果，创新性方法无法及时得到验证，限制了学生的创新思路，大多数学生仅通过仿真验证自己的思想，实验验证的即时性难以保证。

三、高校学生对传统实验课程改革需求分析

（一）丰富的理论配套仿真模型和实验分析验证平台

学生在通过课堂听讲等形式获得包括概念、结构、工作原理、运行特性、应用等方面的专业理论知识的基础上，然而，课堂理论仅直接展示最终实验结果，学生无法从视觉上感知现象的变化过程，因此需要通过仿真模型在线展示电路中电压、电流等电气量的变化过程，从视觉上充分体会专业理论的趣味性，通晓理论知识的合理性，因此，亟须解决与专业理论对应的集成一体化的仿真和实验平台。

（二）取代复杂调试过程，即时获得实验结果

学生在仿真分析的基础上，希望进一步获得实际的实验效果，如果教师需要在每个课时内为学生演示实验，需要提前几个月将实验装置调试完成;同时，不同理论所涉及电路结构和原理不同，逐一展示难度大，因此，亟须开发一套调试过程简单、实时呈现仿真和实验效果的实验教学平台。

（三）电力电子实验平台具备开源式仿真模型，控制方法在线可调

学生在了解和掌握基本的仿真验证和实验测试基础上，希望提升自己的创新思维能力，此时要求教学平台的仿真模型参数可调、仿真系统对学生完全开放，学生可基于已有仿真模型，自行设置模型参数，还可对仿真系统中的控制部分进行创新性设计和改善。因此，亟待研制出面向全体学生的开源型仿真实验教学平台，有助于培养学生的创新思维和问题探索能力。

四、传统实验课程改革痛点分析

（一）教师讲授要求高，现有课时量难以满足实验教学需求

由于学生对专业仿真软件和实验条件均不熟悉，因此，将课堂理论教学内容以仿真模型的形式呈现给学生，仍存在较大难度;在向学生演示与理论相关的仿真和实验结果后，需要向学生解释仿真和实验与理论正确性之间的关联，而大部分学生对“实践验证理论”的概念非常模糊，因此，教师对仿真和实验的教学阐释面临巨大挑战;除课堂理论教学课时外，教师需要单独安排课时进行仿真和实验教学，这对教师和学生来讲实现难度大。

（二）实验进度与学生接受程度与难以匹配

仿真模型与实验测试相融合是汲取了“半实物”仿真的核心思想，其包括硬件在环和软件在环实验，教师演示仿真模型直接转化为实验结果，需要对“半实物”概念进行详细阐释，而考虑到学生学习程度参差不齐，并非所有学生均能够接受这种实验操作理念，导致演示过程产生极大难度;其次，理论教学中涉及的电路结构等基本概念，在实验演示时学生的思维无法直接从课本中的电路简图转化为装置实物图，因而需要教师首先对实验装置元器件进行介绍，并结合课本简图一一对照讲授，如此开展的实验课程便加大了教师的讲课难度，对于讲授时间和课时安排也提出极大挑战;同时，实时仿真和实验演示涉及硬件在环操作理念，还需向学生讲授如何实现仿真模型的程序转化，在演示实验现象时考虑如何提升学生实践操作能力等，这些都加重了教师的讲课负担，也对学生的知识获取能力提出考验。

（三）学生创新能力培养难度大

仿真模型的开源性为学生提供了自主创新的平台，然而，如何使用仿真软件、如何修改控制器参数、修改时若出现仿真报错应如何解决，这些问题严重阻碍了学生对仿真模型控制方法的改善和创新;其次，教学平台开源性、可调性的主要体现对于学生来说存在较大误区，在理解教学平台哪些结构开源、哪些结构固定不变、哪些关键环节可调等问题方面，教师与学生的互动沟通仍存在一定难度。因此，对于学生創新思维和创新能力的培养和提升方面，教学平台能否较好解决此类问题，仍面临巨大挑战。

五、结论

针对目前大部分高校实验课程存在的理论讲授时间长、学生兴趣调动难度大等问题，笔者以电气类实验课程为例，深入分析高校学生对目前传统实验课程改革的需求，并对传统实验课程在发展和优化过程存在的主要痛点问题进行了详细分析和探索，本文研究有助于培养高校本科生实验操作能力和创新思维能力，为高校传统实验教学改革提供思路。

参考文献：

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