基于“新工科”背景下的电工学课程的工程教育模式研究

    刘曼玲+彭卫韶+吴显金

    【摘 要】 国家“一带一路”、“中国制造2025”与“互联网+”等重大战略的实施，对高等院校的工程教育提出了改革创新的要求，“新工科”也由此应运而生。本文以电工学课程为例，对“新工科”中的新型工程教育模式进行研究，将在电工学课程与现代信息教育技术相结合、电工学课程与虚拟现实相结合及电工学课程与工程实际相结合三个方面进行探索与实践，为现代化建设培养多样化、创新型的卓越工程科技人才。

    【关键词】 新工科；工程教育信息化；电工学

    【中图分类号】 G642.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2017）17-0-02

    1.引言

    全球共经历了19世纪、20世纪与20世纪70年代的三次工业革命，21世纪世界正处于第四次工业革命（也称工业4.0）的浪潮中。工业4.0的概念与计划，由德国于2011年首次提出、2013年正式通过并纳入高技术战略2020。随后，其他国家也纷纷出台了类似的国家战略计划，如美国《先进制造业国家战略计划》、《日本再兴战略》、《法国新工业》、韩国《制造业创新3.0战略实施方案》和《中国制造2025》等[1]。历史证明：任何一次工业革命都有力地推动了工业生产力和社会经济的大发展，同时也促进了教育、尤其是工程教育的大变革。实施工业4.0需要工程教育4.0，需要卓越的教育家和工程师。

    2015年3月5日，李克强在全国两会上作《政府工作报告》时首次提出《中国制造2025》的宏大计划，它是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，实现新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。2015年3月28日，国家发革委、外交部、商务部联合发布了《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》。一带一路旨在积极发展与沿线国家的经济合作伙伴关系，共同打造政治互信、经济融合、文化包容的利益共同体、命运共同体和责任共同体。

    为进一步贯彻国家战略部署要求，2017年6月16日，《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》（教高厅函[2017]33号）中提出：为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，主动服务国家创新驱动发展和“一带一路”“中国制造2025”“互聯网+”等重大战略实施，加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，支撑产业转型升级，经研究，我部就推荐新工科研究与实践项目的相关工作安排通知如下。其中通知中推荐了一批“新工科”研究与实践项目共计21项，主要涵盖：国际工程教育改革经验的比较与借鉴、我国工程教育改革的历程与经验分析、多学科交叉复合的新兴工科专业建设探索与实践及新型工程教育信息化的探索等亟待研究的课题。“新工科”的主要研究内容可归纳为“五个新”，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系[2]。我校积极响应教育部“新工科”的倡议，在全校组织开展“新工科”研究与实践项目的申报，为高等教育应对第4次工业革命的挑战做好准备。

    为了助力学校“双一流”建设及大类招生、大类培养改革，构建“新工科”人才培养模式，本文以电工学课程为例，对新型工程教育模式进行研究，将在电工学课程与现代信息教育技术相结合、电工学课程与虚拟现实相结合及电工学课程与工程实际相结合等三个方面进行探索与实践。

    2.电工学课程与现代信息教育技术相结合

    “电工学A”、“电工学B”课程是我校面对非电工科类专业开设的电类公共基础课，包含电路、电机控制、模拟电子技术、数字电子技术等内容。它集电工电子和其它学科理论和技术于一体，覆盖面广，实践性强。我校矿物、生物、测绘、材料、土木等十几个专业均开设了此课。通过本课程的学习，可使学生获得电工、电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解电工、电子技术的应用和发展概况，为拓宽知识面以及从事与本专业有关的工程技术打下一定的基础。

    2014年、2015年“电工学A”与“电工学B”被列为中南大学开放式精品示范课堂并均已结题。2017年1月“电工学A”被批准为中南大学开放式精品示范课堂认定项目。为了改善电工学内容多，学时少，课程难学、实验难做的状况，根据当今大学生个性张扬、易于接受新事物与精通互联网等特点，开放式精品示范课堂在电工学课程与现代信息教育技术相结合方面做了一些尝试，如开发了电工电子网站；建立了邮箱、QQ群与微信交流平台；将阿里巴巴集团开发的“钉钉”办公软件运用到教学中，上传教学大纲、教学标准、课件、教案、试卷到网站，学生可以随时收看；与之关联的导学、实验、实习、录像等也在群和公共邮箱中共享，为学生提供了一个开放的、多维度的课堂。

    随着网络技术与信息技术的发展，大型开放式网络课程（massive open online courses，MOOC）蓬勃发展，美国Udacity、Coursera与edX三大网络教育品牌的诞生，给教育理论和人才培养注入了新的活力，为全球优秀资源共享提供了更为广阔的平台，也为先进知识的传播提供了更加方便的途径。研究在线学习的美国专家曾把教学内容的质量、教师在教学中的投入以及师生之间的互动作为在线学习的三要素[3]。近几年中国也涌现了爱课程、慕课网、中国大学MOOC等中国十大慕课网，灵活的教学模式与自由的学习方式让成千上万的中国学生参与其中并从中受益。

    2016年12月，“电工学”被批准为中南大学精品在线开放课程，今年暑假已全部完成视频录制，有望不久将登上国家级教育平台的MOOC网。在下面将要进行的网络资源建设中，将根据新工科的要求与MOOC的特点，在工程实际方面进行深入研究，实现一个支持学生学习、师生交互、协同学习、信息共享和易用性高的网上学习系统。如利用网络平台，建立讨论区，加强“师生互动”和“生生互动”。老师在固定的时间，通过网络与学生讨论有关该课程的学习方面的问题；建立课程论坛，学生通过注册、登录论坛相互自由讨论；将基本概念和容易混淆的问题编制成随机抽取自测题，学生可以上网反复测试并取最高分；采用协助学习的形式，学生之间互评网上作业并打分；介绍新技术的发展和应用及简单电子产品的制作；利用电子仿真软件如Multisim、Proteus或视频录像等增加一些实物、实例和实验的演示；引导学生从电工电子工程的框架入手，先确定整个项目的功能结构、逻辑划分等，启发学生如何完成项目的基本要求和扩展要求，培养学生良好的思维方法与实际才能。总之，遵循学习-实践-理论-总结的教学模式，使学生所学知识向能力转换，并走向工程应用。

    3.電工学课程与虚拟现实相结合

    针对“电工学”课程内容多、学时少，应用性与实践性强的特点，在与该课程有关的实验、实习、电子创作与设计大赛中积极开展改革。近几年先后有“电工电子基础实验开放式精品课堂”、“自主运行开放性实验室管理的研究”、“中南大学创客空间”及“中南电子与沉浸式虚拟现实仿真实验”等四个项目获学校审批，其中采用的教学方法之一就是在课堂、实验与综合性实例中采用电子设计软件Multisim、Proteus进行辅助教学。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具；Proteus是英国Lab Center Electronics公司开发的电子设计自动化软件，它还是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。这2款软件均具有功能强大、操作简易的特点，可实现数字电路、模拟电路与混合电路的仿真与调试。在教学中采用电子设计软件对电路进行仿真和调试，让一些抽象、枯燥的知识点变得形象直观、易于理解；Multisim、Proteus中虚拟元器件与仪器仪表齐全，学生若能在实验前利用仿真进行实验预习，将有助于他们建立起直观的感性认识、减少实际中的盲目操作和走过场现象，真正达到理论与实际相结合的目的。

    为了让学生们能掌握Multisim、Proteus技术并学以致用，采用学生自学、交流展示等方式进行，并推选一个学生负责仿真作业的管理，如将习题册、书上章节后的练习题、实验和应用实例等列成表格、发布，让学生自由选取。同学们做好仿真以及相关的PPT后发给负责人把关，再由老师审阅后共享到QQ群里，挑选优秀的作品到讲台上演示，仿真作业的分数纳入到期末平时成绩的总分中。实践表明：采用理论与应用、虚拟与实际相结合的方法，将电路与电子技术的原理图用仿真软件真实地再现出来，激发了学生的学习热情，延伸了课堂的时间与空间，提高了他们的自主学习能力，也取得了良好的教学效果。

    根据“新工科”对多学科交叉融合工程人才培养的要求，在已有实践经验的基础上，进一步加强电学与学生所学专业的关联与结合，将电子大赛和工程实际中的题目引入到教学中，让学生熟悉设计、仿真与制作电子产品的全过程，真正使学生达到学以致用、知行合一的目的。

    4.电工学课程与工程实际相结合

    电工学A、电工学B开放式精品示范课堂与实验改革、仿真项目的实行，改变了过去传统的“讲三练二考一”的教育模式，使学生感到电工学课程难学的状况得到了改善，在教学内容、教学方法和教学实践方面也取得了一些成绩和经验，但离国际化的“讲一练二做三”的工程教育模式还有一定的差距，因此采用CDIO中的构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）与操作（Operate）的教育理念，在电工学课程的研究中，进一步实践体验CDIO（构思—设计—实现—操作）的工程教学法流程。

    CDIO是由美国麻省理工学院联合世界著名工科大学从2000年开始研究实施的先进教育模式，它以“基于项目教育和学习”（Project based education and learning）为基础，以产品研发到运行的生命周期为载体，使学生通过基于项目的学习，感受企业文化氛围，形成工程能力和素质[4]。项目驱动式教学法采用启发—交流—创新的模式，即先从实际应用提出一个问题，让学生思考如何用现有知识解决，通过探讨后如何应用新的工程技术知识解决。项目驱动式教学法的优点在于：一是调动学生的学习热情；二是学以致用；三是启发科学思维。因此，将实践性强的电工学系列课程与CDIO的教学理念相结合，将有利于培养学生的主动学习能力与实践动手能力。

    《电工学（多学时）导学教程》被列为2017年中南大学精品教材立项项目，课题组老师将根据新工科的特点与CDIO的教学理念，编好此本辅导教材，将传统的“学工程”转向“做工程”，为学生指引导航。

    湖南省与全国大学生电子设计竞赛每年交叉进行，具有一定的权威性和影响力，也吸引了许多的电子爱好者、优秀大学生参赛。电子竞赛中要求学生做出实际的产品：如小车、电源、四旋翼等，完成这些作品需要进行以下流程：方案选择—设计—仿真—编程—制作电路板—计算和选择元器件—分块调试—联调等，与工程实际十分贴近。为了更好地搞好电子竞赛，中南大学一般从成绩好且有兴趣的大学二年级的学生中选拔，电类与非电专业的学生均可以参与，让他们在具备一定的电子技术、编程语言等理论基础和参加电工与电子实验、实践后进行，效果会比较好。老师与公司中的技术人员利用中南大学创客空间与创新实验室对学生进行大规模数字集成电路的设计方法、设计理念、设计流程及工具的培训，学生可以在课余时间、暑假进行电子创作和赛前的实训工作。有一批高精度的示波器、信号发生器、频谱分析仪、高频信号发生器、电子负载仪等电子设备供学生学习和研究使用；具有完整的一套制板仪，学生用Altium Designer软件设计PCB后，可在该制板仪上完成其生产全过程，充分学习和了解电路板的制造过程；大型虚拟实验仿真与预习平台，为开放实验、学科竞赛与创新活动等提供电路仿真支持，平台在自定义增加仿真模型之后，可以无限扩展。

    根据“新工科”的要求，计划在已有实践的基础上，密切校企联合，采用“请进来”和“走出去”的方法，加强与实际工程的联系，紧跟科技前沿，更新知识与技能，让企业为学校提供技术与硬件的支持，学校为企业输送优秀人才。事实证明：凡是参加业余电子创作与电子竞赛训练的学生，他们查找资料、学习新知识的能力，发现问题与解决问题的能力都有了较大的提高，在软件调试、硬件制作与排除故障等方面尤为突出，受到保研高校与用人单位的欢迎。

    5.结语

    在电工学课程中引入“新工科”中的新型工程教育模式，必将激发学生的学习兴趣和主观能动性，提高高等学校的教学质量，为实现国家的“一带一路”、“中国制造2025”的战略部署和培养多样化、创新型卓越工程科技人才做出贡献。

    参考文献：

    [1]周开发，曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索[J]，重庆高教研究，2017（5）：22-33.

    [2]李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J]，高等工程教育研究，2017（4）：16-19.

    [3]李曼丽.MOOCs的特征及其教学设计原理探析[J]，清华大学教育研究，2013，34（4）：13-21.

    [4]王娜，霍英.“互联网+”时代嵌入式课程教学改革研究与实践[J]，中国教育信息化，2017（4）：37-40.