以解决复杂工程问题为导向的“电工学”教学改革探索

摘要：“新工科”背景下的创新工程教育对高校课程教学改革提出新要求。文章以“电工学”为例，从新时代人才培养和新工科建设需求的角度，将思政元素融入专业教学，通过推进学科交叉融合、搭建科技文化交流与竞赛创新平台、运用思维导图方法和互联网+教育等教学改革，拓宽学生知识面，提升学生创新实践能力和解决复杂工程问题的能力。

关键词：新工科;电工学;交叉融合;创新平台;思维导图;互联网+教育

中图分类号：G712    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2022）06-0077-05

作者简介：康广玉（1975—），男，博士，天津城建大学控制与机械工程学院高级工程师，研究方向为模式识别、电工电子技术理论与实验教学;张建勋（1975—），男，博士，天津职业技术师范大学信息技术工程学院副教授，研究方向为云计算;赵坚（1966—），女，博士，天津城建大学控制与机械工程学院教授，研究方向为机电系统一体化设计：任权昌（1981—），男，硕士，天津城建大学土木工程学院实验师，研究方向为结构力学。

基金项目：天津市教育改革项目“基于华为ICT产业学院的网络工程一流专业建设探索与实践”（项目编号： B201006604）;天津城建大学项目“课程思政示范课建设项目‘电工学’”（项目编号：JG-KS-2159）

2017年，教育部提出“新工科”发展规划，为我国工程教育的改革创新提供了指导思路[1]。在科技进步、产业融合和转型升级的大背景下，培养厚基础、宽口径、多元化、创新型的卓越工程人才已成为高等工程教育的重要任务[2]。“电工学”是非电类学科的一门专业技术基础课，本文从人才培养和新工科建设的角度出发，在分析学生实际学习情况的基础上，结合学生所在专业的知识结构体系，正确认识电工学课程在其专业培养目标中所起的作用，在“新工科”视阈下对“电工学”教学改革进行探索与实践，树立理论联系实际、活学活用、具体问题具体分析的工程科学观点，帮助学生准确、高效、完整地理解相关的理论、概念及方法，以期提高电工学课程的教学效果。

一、新工科建设对人才培养的新诉求

习近平总书记指出，“当下我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈。高校立身之本在于立德树人。只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学。办出世界一流大学，必须牢牢抓住全面提高人才培养能力这个核心点”[3]。新工科是在为了适应国家战略发展的需求、国际竞争形势的变化、培养卓越人才的要求背景下提出的[4]，目的在于应对形势变化、开创未来，不仅要重视各学科的实用性、交叉性，而且还要求知识继承与创新、学科交叉与融合，通过协调与共享的途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。教育部建设“新工科”战略构想的提出，对于完善工程教育人才培养体系意义重大，是对未来工程人才缺乏或人格素养不完善的现状而适时提出的应对措施[5-6]。综上所述，高校要牢牢把握立德树人这个根本任务，聚焦前沿性、交叉性、颠覆性技术人才的需求，打破学科壁垒，搭建多学科交叉融合平台，最大限度地激发学生的主动性、创造性，使之具备坚实的专业基础、优秀的综合素质、广阔的国际视野和丰富的人文情怀，以及发现问题、解决问题的能力，成为能够引领未来技术发展的创新领军人才。

二、“电工学”课程教学现状

“电工学”课程是工科院校非电类学科的一门专业技术基础课。该门课程的教学内容包括交直流电路、电机、电控、数字模拟电子等诸多知识点，涉及面广且实践性强，是培养与生产生活紧密联系的理工科相关专业人才的基础学科，具有综合性和跨学科的特色[7]，但在实际教学过程中存在以下问题：

（一）课程学习目的不明确

不同专业的培养方案也存在差异，“电工学”课程对不同专业学生的教学内容也各有偏重。以往在教学过程中对学生的引导不够充分，有些学生误认为只要学好自己的专业就可以，“电工学”课程和本专业的关系不大，以后工作中也不会用到，不了解学科交叉融合对专业发展的重要性。未来社会需要一专多能的复合型人才，不仅要在本专业有突出的能力，还应具备较高的相关技能。由于学生弄不清楚“电工学”课程开设的目的和意义，因此对这门课程重视不足，缺乏学习兴趣，学习较为被动，只为应付考试。

（二）教学方法过于传统

“电工学”通常采用课堂讲授理论、实习和实验传授操作技能的教学方式。一些教师仍采用“一言堂”的授课形式，师生之间缺乏互动。这种学生参与度较低的课堂，容易使一部分自制力较差的学生处于心不在焉的状态。再就是一些教师在教学过程中互联网、多媒体等新型教学方式方法使用不够，导致知识传授不够直观生动，课堂对学生缺乏吸引力，上课专注度不高，教学效果不好。

（三）理论和工程实践联系不够紧密

“电工学”课程既有很强的理论性，又有很强的实践性。在课程设计方面，一般理论课时相对实验实训课时占比较高，导致学生的动手实操能力难以得到很好的锻炼，不利于学生分析和解决复杂问题等综合实践能力的提高。在“电工学”授课中，教师往往侧重于讲授概念、定律和各种数学工具、分析方法，理论联系实际不足，缺乏工程案例分析，也没有充分考虑到“电工学”与其他学科的交叉融合，以及学生学习理解知识的规律性、兴趣点。学生在学习过程中，相比理论知识的掌握，更加关注如何将所学的电工电子技术应用于专业实践中，学生更期望对所学的知识“看得见、摸得着、用得到”。因此，教师的纯理论、灌输式教学方式，不利于学生整体知识体系的形成。

三、“电工学”课程教学改革实践

按照新工科的要求，“电工学”这门课程不仅培养学生解决电气信息类技术问题的能力，还要培养学生应用数学和自然科学解决工程问题的能力。作为“电工学”教师如何充分考虑其学科专业的特点和需求，采用恰当的讲授方法，深入浅出地将背后的技术方法和科学思想展现给学生，使学生感受工程之美、智慧之光，这是大学教师“春风化雨，润物无声”的至高教育境界。

（一）思政教育融入专业课程，筑牢学生专业报国的理想信念

在讲授电动机生产使用时，可联系历次工业革命对世界经济、政治格局的影响。如前三次工业革命，分别以英国蒸汽动力、美国电气技术、信息革命为代表，英美迅速崛起并成为世界性大国。随着互联网、云计算和大数据等技术的发展，发达国家制造业开始向工业4.0升级转化[8]。与发达国家相比，我国的工业化进程尚未完成，应开发利用网络化、数字化等技术，坚持智能化改造，实现弯道超车，这是我国实现中华民族伟大复兴的良好契机。通过对比我国电子技术与发达国家之间的差距，分析中国在科技领域的优势及不足，让学生意识到本节知识对其个人发展或推动社会进步的重要意义，引导学生关注电子技术发展前沿，增强学生为国争光的使命感和责任感，培养学生爱国、爱党、爱专业的情怀。

（二）推进学科交叉融合，培养学生工程能力和工程意识

与传统工科相比，“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性。从当前的发展趋势看，新一代信息技术、网络安全、集成电路、智能制造、高端装备、新能源、智慧城市、智慧建筑等为数众多的产业领域均需要多学科专业的交叉融合[9]。以天津城建大学为例，化工、土木、能源、动力、材料等非电类本科专业，更需要以“电工学”课程的学习来加强实践能力的培养。“电工学”课程作为培养“新工科”人才的基础课程，既要强调其基础性，又要突出其应用性，在打牢理论基础的前提下，提高学生的创造性思维和工程实践能力，为今后专业课程的学习奠定坚实的理论基础和活跃的思维方式。

在“电工学”授课过程中，将案例分析法引入课堂教学，提高学生综合应用所学专业知识、解决处理复杂工程问题的能力。如盾构机研制是一个庞大的系统工程，需要机械、电气、控制、地质、土木工程等学科的综合。针对土木专业的学生，根据他们的专业特点，将盾构机作为教学案例，帮助学生了解国内外的地铁、隧道等工程中盾构机的使用情况。在课堂教学中适时而准确地分析这种案例，不仅可以让学生学习到电机与电控的理论知识，而且还能使学生从第一视角接触到工程案例。通过对工程案例的深入分析，学生在寻求问题答案的过程中加深对控制电路的理解，能有效培养学生的实操能力和分析问题的能力;通过对提出的控制电路问题的解答，可以培养学生的创新能力，从而激发学生的求知欲望，开阔学生思维想象空间，积极释疑，促进教学质量提高。

（三）科技文化与学科竞赛相结合，强化对学生实践创新能力的培养

科技的不断发展，则要求教育教学中涉及热点问题的工程技术领域的学科内容要实时更新，这对于教师的知识体系、能力水平、职业素质提出了更大地挑战。在教学过程中，为扩展学生的电类知识面，每讲到一个新的章节，则会以学习小组为单位，让学生搜集与内容相关的最新科技动态，并在课堂中进行科技文化分享交流活动。该活动一直坚持至今，大大调动了学生对课程学习的积极性与参与性。例如，在门电路与组合逻辑电路这一章，小组团队讲解了芯片技术的发展历程：第一个集成电路是杰克·基尔比（Jack Kilby）在1958年完成的，并于2000年获得了诺贝尔物理学奖。他把一个双极型晶体管、三个电阻和一个电容器集成到了一个硅片上，第一枚小小的芯片诞生了。随着技术的发展，目前每平方毫米上可以达到百万个数量级的晶体管，芯片改变了世界。通过对芯片知识的交流分享，学生们意识到芯片是中国不能放弃的高端制造领域。类似在AI芯片领域的探索一样，在更多的领域实现从无到有的突破，才能破解中国制造业的发展约束。

每年全国范围内都举办各类电子竞赛，如全国大学生电子设计大赛、挑战杯竞赛等科技活动。竞赛与高等院校相关专业的课程教学体系改革紧密结合，旨在培养学生的工程实践能力和创造性思维，锻炼学生解决实际问题的能力，这也是对指导教师的一次锻炼。这些竞赛面向的是全体大学生，每届电子设计竞赛都包含多种类型的题目，如无线电类、电源类、放大器类、信号源类、控制类、数据采集与处理类等，供不同学科专业的学生选择。多年来，“电工学”教师积极鼓励学生参加科技创新活动。通过这些活动，大多数学生的理论学习积极性得到了提高，科技创新意识和工程实践能力得到了加强，为今后工作中熟练运用电工学知识与技能打下了坚实的基础。现在有更多的非电类专业的学生也参加各类电子竞赛，如能动、机械、材料等专业学生在这类竞赛中都取得了良好的成绩。部分优秀的各类专业的学生，正是通过参加全国大学生电子竞赛或与之相关的各类电子科技活动，对电工学产生了浓厚的兴趣，在毕业后从事本专业与电工学交叉融合的工作。

（四）将思维导图法引入专业课教学，提升解决复杂工程问题的能力

新工科建设下的教学活动中学生是内因，是学习的主体;教师是外因，要“传道、授业、解惑”，引导启发学生主动学习。关注点不仅仅在教师的“教”，更重要的是学生的“学”，使学生从重复记忆的低阶学习进入到理解思考的高阶学习，强调培养学生寻找适合个人特点的学习方式。在教学过程中采用思维导图法，不仅能调动学生的学习积极性与学习兴趣，更能让学生寻找到在教与学全过程中的存在感，并建立有个人风格特点的学习方法。培养学生敢于提出问题、独立分析问题并积极解决问题的能力，为毕业后能适应行业发展新需求解决复杂工程问题做好充足的准备。

将思维导图法应用在电工学课程教学中，学生通过绘制思维导图，可以整理学习思路，检验自身的学习效果，发现学习上的不足，有针对性地加强学习，弥补欠缺的知识点。绘制思维导图的过程就是在自己头脑中建立和完善知识结构，从而实现个性化和系统化的过程[10];同时，教师通过分析学生的思维导图，可以了解学生对电工学各部分知识点的理解程度，决定是否还需要重点讲解。因此，学生们绘制的思维导图也可以作为课堂教学效果的一个反馈，对以后教学中的重点、难点起到指示作用。相对于简单抽象的分数，思维导图能够准确地反映出学生的知识结构，学习思路、归纳总结能力等。