基于创新实践型人才培养的全周期实验教学模式研究

［摘 要］ 实验教学是工科专业课程体系的重要组成部分，在培养学生的实践创新能力方面具有重要作用。基于创新实践型人才培养，研究全周期实验教学模式的构建，以“模拟电子技术实验”课程为例，构建从电子元器件认知到系统设计应用的全周期实验教学模式，促使学生从电子元器件认知到系统应用、虚拟实验到现实实验、基础验证到综合设计等全过程、多层次地参与实践与创新，全面提升学生的工程实践和创新能力，为培养卓越工程科技人才打下牢固基础。

［关键词］ 创新实践型人才培养；全周期实验教学模式；模拟电子技术实验；卓越工程师教育培养计划2.0

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）08-0034-04

引言

教育部、工业和信息化部、中国工程院联合发布的《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》中的改革任务和重点举措之一是树立创新型、综合化、全周期工程教育理念，培养学生对产品和系统的创新设计、建造、运行和服务能力。在此背景下，以培养创新实践型人才为导向，积极探索和构建全周期、多层次的实践教学模式势在必行。

实验教学是工科专业课程体系的重要组成部分，进一步巩固和加深了学生对理论课程知识的理解，是对理论课程教学的补充、继续和深化，在培养学生的实践创新能力方面有着极其重要的作用。为加强培养学生的创新意识和实践能力，使学生充分发挥主观能动性，国内外学者开展了许多实验教学改革工作。譬如，国内的教研结合、实验室开放项目和虚实结合等模式［1-5］，让本科生走进科研实验室，旨在提高学生的学习兴趣，参与实际项目，提升学生的创新意识和实践能力。美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学组成的跨国研究机构创立了CDIO教学模式［6-8］，包含构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），该模式是面向产品、过程、系统生命周期的工程教育方法。

基于传统实验教学过程存在的诸多问题，借鉴国内外先进的教学方法，结合“卓越工程师教育培养计划2.0”的建设要求及内涵，本文以“模拟电子技术实验”课程为例，研究构建从电子元器件认知到系统设计应用的全周期实验教学模式，促使学生能够全过程、多层次地参与实验实践与创新，以期全面提升学生的工程实践和创新能力，为培养卓越工程科技人才打下牢固的基础。

一、传统“模拟电子技术实验”课程中存在的问题

（一）学生实践能力的培养具有局限性

“模拟电子技术实验”课程一般是利用实验箱或电路板开展实验教学。学生在实验箱上进行实验操作，按照指导书按部就班地完成实验。学生被动开展实验，学习效果不理想，部分学生对于模拟电子电路的认识还局限于电路原理图。比如，有的学生做完实验后仍不认识所用的电子元器件，这对学生实践能力的培养具有明显的局限性。

（二）实验内容缺乏与工程实际结合

模拟电子技术实验内容通常只包含课程主要知识点的电路实验，但各知识点电路较独立，综合性不强，无法与实际工程应用相结合。由于缺少对学生综合性、工程性实验的训练，以及解决复杂综合问题能力的培养，学生面对实际复杂工程问题时往往难以应对。

（三）实验过程缺乏创新性和层次性

传统的实验教学过程局限于理论课程中主要电路原理的验证，学生一般按照指导书步骤操作完成实验，没有创新的空间，不利于学生创新能力的培养。另外，传统的实验教学过程缺乏对学生实践能力培养的层次性，比如从基础到设计再到应用等不同层次的训练。

（四）考核以终结性评价为主

传统的实验考核指标以考勤、实验结果、实验报告为主，特别是实验报告所占比例偏高，导致学生把精力主要放在完善实验报告方面。而教师往往忽略了对学生平时实验过程的能力培养，达不到实验课程对学生实践能力训练的目标。

二、基于创新实践型人才培养的全周期实验教学模型设计与实践

（一）“模拟电子技术实验”全周期实验教学模式设计

针对传统实验教学模式的诸多不足，本文以创新实践型人才培养为导向，研究全周期实验教学模式的构建与实践。以“模拟电子技术实验”课程为例，构建从电子元器件认知到系统设计应用的全周期实验教学模式（如图1所示），主要包含电子元器件认知、电路设计与器件选型、电路模拟仿真、实际电路操作、系统设计应用等5个环节，具体各环节内容如下。

环节一“电子元器件认知”是要求学生对常用电子元器件的分类、封装、识别规则、性能特点、应用场合等进行学习调研，特别是对模拟电路里常用的电子元器件，如晶体管、二极管、电阻、电容、集成运算放大器等进行详细调研，其主要目的是巩固学生的学习基础，提高学生对电子元器件的认识。“模拟电子技术实验”课程一般是在学生大一或大二期间开设的，学生没有太多电子元器件的实践基础，因此有必要完成电子元器件的认知调研，对电子元器件有比较全面的了解，为后续电路设计、仿真与实操等打下牢固的基础。

环节二“电路设计与器件选型”是学生根据所学模拟电路实现的功能要求，运用理论知识进行电路原理设计，并进行电路参数的计算与电子元器件的选型。该环节的电路设计主要围绕理论课程核心知识点相关的电路开展，其主要目的是提高学生对理论知识的运用能力和创新设计能力。

环节三“电路仿真模拟”要求学生采用模拟电路仿真软件平台如Multisim、PSpice等对环节二设计的电路进行模拟仿真和验证分析，实现虚拟实验和交互式设计，其主要目的是提高学生对现代化软件工具的运用能力和对模拟电路的理解分析能力。

环节四“实际电路操作”是对前面两个环节设计和仿真的电路在面包板上采用电子元器件和跳线进行实际搭建、调试、测试等操作，并力求学生在调试过程中遇到问题要学会思考分析问题，找到问题的缘由，从而解决问题，不仅提高了学生的实践动手能力，而且提高了学生解决问题的能力，同时实现了对学生从虚拟仿真到实际实操能力的综合培养。

环节五“系统设计应用”与工程实际应用紧密联系，要求学生综合运用所学模电知识，结合其他课程知识，对复杂工程问题进行分析和设计解决方案。该环节旨在提高学生的综合能力和解决复杂工程问题的能力，也是实现学生从基础知识验证到综合系统设计全过程的创新实践能力培养。

全周期实验教学模式的设计有利于学生充分发挥其主观能动性，从全过程、多层次参与实践与创新，提高学生的创新实践能力和解决复杂工程问题的能力，克服传统实验教学模式的不足。

（二）“模拟电子技术实验”全周期实验教学模式实践

“模拟电子技术实验”全周期实验教学以学生自主学习、设计和实操为主，教师实验现场教学答疑为辅。在第一次实验课之前，要求学生提前完成电子元器件的认知调研，对电子元器件，特别是实验课程中用到的模拟电子元器件，有比较全面的认识，为后续的电路设计、搭建和调试等奠定基础。同时在每次实操实验课之前，要求学生结合实验要求，围绕理论课程的重点电路和主要知识点，如三种基本放大电路（共射、共集、共基）、多级放大电路、负反馈放大电路、差分放大电路、信号运算电路、有源滤波电路、波形发生电路等，完成电路设计与器件选型及模拟仿真等工作，掌握实验电路的工作原理。在实操实验现场，要求学生明确实验过程中应注意的问题和安全操作规程，通过查看学生设计的电路图及其实际搭建、调试等情况，及时掌握学生实验操作的熟悉程度。同时，激励学生通过小组讨论、协商、互助的方式，自我检查与排除实验过程中出现的故障与问题。在实验完成后，教师检查实验数据时，鼓励小组成员讨论解释实验数据反映出的理论现象，或与理论有较大出入时，找出引起较大误差的原因，解释实验现象，最后要求学生独立撰写完成实验报告。在完成课程主要知识点电路实验后，要求学生以小组或小组联合的方式共同解决与实际工程应用紧密联系、相对复杂综合的系统设计应用题目，给出电路设计方案，并进行仿真模拟和实操。

（三）学生考核

在学生考核方面，全周期实验教学模式侧重平时实验过程的评价，提高平时实验过程的成绩占比。比如，平时实验过程考查占80%、实验报告成绩占20%，力求实现从“以终结性评价为主”到“以形成性评价为主”转变的目标。这与传统的实验课程评价方式——“以终结性评价为主”有明显的区别，要求教师更关注学生在平时实验过程中的表现，及时掌握学生的学习情况，更有利于学生创新实践能力的养成。全周期实验教学模式各环节成绩所占比例应适当分配，其中，平时实验过程包含全周期实验教学模式的5个环节，电子元器件认知调研占10%、电路设计与器件选型及模拟仿真占30%、实际电路操作占30%、系统设计应用占10%。另外，为培养学生的团队合作精神，鼓励学生面对复杂工程问题时进行团队协同合作，可适当考虑团队协同合作的成绩占比，其包含在实际电路操作和系统设计应用成绩中。最终的实验报告成绩占20%，主要考查学生对实验方法的掌握程度，能否正确地记录数据、合理地分析解释数据和误差原因以及给出恰当的结论，并规范地撰写完成实验报告。

（四）教学实践效果反馈

为验证“模拟电子技术实验”全周期实验教学模式的教学效果，针对电气工程及其自动化、自动化两个工科专业的部分学生开展教学实践。在教学实践过程中，收集参与学生的反馈意见，得到以下积极信息：（1）对实际应用的电子元器件有更深入的了解；（2）能有效提高学生的动手操作能力，相比直接在实验箱接线，这种方式能有效加深学生对电路的理解；（3）可以发挥学生的想象力和创造力，使得实验更具趣味性和实用性。从初步的教学实践效果上看，全周期实验教学模式达到了预期的教学改革目标，即提升学生的工程实践和创新能力。但是，该教学模式在教学实践过程中也发现一些弊端，比如：（1）实验课时有限，学生须要提前去完成电子元器件调研和电路设计与仿真，若这些环节没做好，对后续环节影响较大；（2）学生自主设计电路与器件选型，所采用的电子元器件参数不同、型号繁多，不利于电子元器件的统一采购。这些问题将在后续教学中持续改进，形成更加科学合理的全周期实验教学模式。

结语

本文基于传统的实验教学存在的诸多问题，以“卓越工程师教育培养计划2.0”的教学理念为指导，研究全周期实验教学模式的构建。以“模拟电子技术实验”课程为例，设计了包含电子元器件认知、电路设计与器件选型、电路模拟仿真、实际电路操作、系统设计应用等5个环节的全周期实验教学模式及对学生的考核方式。从初步的教学实践效果上看，该实验教学模式有助于激发学生的学习兴趣和主动性，全面提升学生的工程实践和创新能力。

参考文献

［1］王梦遥，朱玲，吴国城.思维导图和微课在实验课程中的应用：以模拟电子技术实验为例［J］.教育现代化，2019，6（46）：110-113.

［2］蔡创，杨燕，邓君，等.实验教学与科研及社会实践相结合的人才培养模式研究［J］.教育教学论坛，2018（34）：50-51.

［3］王汝钦.洪堡“教学与科研统一”的理念、实践与发展研究［D］.长沙：湖南师范大学，2019.

［4］李珍，何一文.传感器与检测技术实验室开放项目探索与实践：超声波测距仪的设计与制作［J］.科技创新导报，2019，16（15）：87-88.

［5］谢爱娟，刘文杰，孔泳，等.新工科视域下虚实结合的物理化学实验教学改革探索［J］.化工高等教育，2022，39（4）：68-73+115.

［6］梁海安，杨泽平，薛凯喜，等.地方普通工科高校实验室基于CDIO开放模式研究［J］.教育教学论坛，2021（22）：21-24.

［7］徐银梅，王尚君，王国霞.基于CDIO工程教育模式的自动化专业实验教学改革［J］.教育教学论坛，2015（20）：243-244.

［8］CRAWLEY E. F.， MALMQVIST J.， OSTLUND S.， etc. Rethinking Engineering Education： The CDIO Approach ［M］.Berlin： Springer，2007：102-128.