電氣類本科生傳統(tǒng)實驗課程改革需求

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摘要:實驗課程教學(xué)時高校電氣類本科生專業(yè)課程教學(xué)的重要組成部分，對學(xué)生實驗動手能力、科研創(chuàng)新思維的培養(yǎng)至關(guān)重要，傳統(tǒng)電氣專業(yè)實驗課程課時量較少、實驗項目單一，束縛了學(xué)生的個性發(fā)展和創(chuàng)新思維的提升。為了解決高校電氣類傳統(tǒng)實驗課程存在的學(xué)生積極性不高、實踐動手能力培養(yǎng)難度大等問題，本文從高校學(xué)生的角度，以電氣類本科生為例，對傳統(tǒng)實驗課程改革需求及其痛點問題進(jìn)行深入分析，為高校本科生實驗教學(xué)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:實驗課程;高校學(xué)生;實踐動手能力

一、緒論

一般的高校課堂教學(xué)通常采用傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)方法，即任課老師將本專業(yè)課程的主要理論通過PPT演示和講授的形式傳遞給學(xué)生，學(xué)生通過課堂聽講獲取知識。然而，理論教學(xué)時間過長會導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)課程失去興趣，甚至出現(xiàn)學(xué)生在教師講課過程中曠課、逃課、打瞌睡等現(xiàn)象，同時，即使學(xué)生認(rèn)真聽講，過于枯燥乏味的理論教學(xué)也難以吸引學(xué)生的關(guān)注、調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性，若不能及時將理論教學(xué)與實驗教學(xué)進(jìn)行結(jié)合，那么專業(yè)授課效率將大打折扣。目前，國內(nèi)大部分高校在理工科專業(yè)教學(xué)中采用傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合的方法［1-4］，也利用慕課等在線教學(xué)平臺，通過傳統(tǒng)實驗教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的新型教學(xué)模式完成了講課視頻共享、課程的課后作業(yè)練習(xí)、師生論壇互動、實驗教學(xué)等環(huán)節(jié)［5-7］。但在實際的課堂教學(xué)和實驗課程中，這種方法的普及仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，工科學(xué)生的實驗認(rèn)知能力和操作能力較低?；谏鲜銮闆r，筆者以電氣類本科生實驗課程為例，從高校學(xué)生需求出發(fā)，提取傳統(tǒng)實驗課程教學(xué)存在的共性短板問題及挑戰(zhàn)，分析高校學(xué)生對實驗課程改革的需求及對應(yīng)痛點問題。

二、傳統(tǒng)實驗課程改革面臨的挑戰(zhàn)

(一)課堂理論與實際驗證聯(lián)系困難教師時常著眼于課堂教學(xué)過程，熱衷于對理論的詳細(xì)推導(dǎo)和闡釋，忽略了專業(yè)理論在實際中的應(yīng)用和實驗體現(xiàn)。例如，電氣類教師在教授電機(jī)學(xué)或電路理論課程時，通常會在理論課堂教學(xué)上花費(fèi)大量時間，電機(jī)學(xué)教師在講授直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩等理論知識時，除了借助演示文稿向?qū)W生展示最終推導(dǎo)獲得的公式外，還會借助板書形式演示電機(jī)中重要電氣量的詳細(xì)推導(dǎo)過程，考慮到學(xué)生面對新知識理解不夠透徹和深入的問題，教師會利用一個課時的時間，旁征博引電氣專業(yè)其他核心課程的知識點，對所推導(dǎo)的公式進(jìn)行補(bǔ)充說明。因此，理論課堂占用了相當(dāng)大的課時量，而分配給實驗課程的時間就少之又少。此外，雖然在傳統(tǒng)課堂教學(xué)過程中，教師會在理論教授過程中穿插一些電機(jī)的實物圖片和火電站、水電站工作的視頻資料，但這些僅能夠?qū)W(xué)生的實踐學(xué)習(xí)起到引領(lǐng)和認(rèn)知的作用，不足以提高學(xué)生的實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新水平，仍需要開設(shè)額外的實驗課程。但由于理論課堂在教授電機(jī)實驗的內(nèi)容時，僅對實驗接線和實驗獲得的測量參數(shù)進(jìn)行了簡要說明，并沒有實際的操作指導(dǎo)，因此，學(xué)生在進(jìn)行電機(jī)實驗操作過程中無法提前做好準(zhǔn)備，而每個課時的實驗課程時間緊張，又是多人分組實驗，導(dǎo)致很多學(xué)生難以獲得實驗操作的機(jī)會和專業(yè)實踐動手能力提升的時機(jī)，不利于培養(yǎng)學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合的能力。

(二)實踐操作能力實現(xiàn)效果有限電氣類專業(yè)教師在科研工作中通常以仿真分析形式對所研究理論進(jìn)行實時驗證，可在短時間內(nèi)獲得可行性分析結(jié)果和正確性驗證報告，仿真分析過程可在課堂上得到展示，但仿真過程由計算機(jī)完成，學(xué)生僅能掌握仿真現(xiàn)象，實踐動手能力難以得到提升。此外，實際的實驗調(diào)試中會出現(xiàn)各類問題，導(dǎo)致實驗驗證過程卻需要耗費(fèi)較長時間，實驗分析過程難以在課堂教學(xué)中進(jìn)行展示，課時安排也存在較大困難。

(三)方法創(chuàng)新的實驗參數(shù)修正困難教師在課堂上演示的仿真均基于專業(yè)基本理論及概念，學(xué)生在掌握基本理論和基礎(chǔ)性仿真操作后，期望改變仿真模型和實驗平臺程序中的控制參數(shù)或電氣參數(shù)，觀測和學(xué)習(xí)不同參數(shù)下對應(yīng)的測試結(jié)果，用于驗證學(xué)生自己所提出的創(chuàng)新方法的可行性和合理性。但是，由于實驗過程復(fù)雜度高、調(diào)試難度大，導(dǎo)致學(xué)生難以通過修改仿真參數(shù)快速獲得實時的實驗結(jié)果，創(chuàng)新性方法無法及時得到驗證，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思路，大多數(shù)學(xué)生僅通過仿真驗證自己的思想，實驗驗證的即時性難以保證。

三、高校學(xué)生對傳統(tǒng)實驗課程改革需求分析

(一)豐富的理論配套仿真模型和實驗分析驗證平臺學(xué)生在通過課堂聽講等形式獲得包括概念、結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性、應(yīng)用等方面的專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，然而，課堂理論僅直接展示最終實驗結(jié)果，學(xué)生無法從視覺上感知現(xiàn)象的變化過程，因此需要通過仿真模型在線展示電路中電壓、電流等電氣量的變化過程，從視覺上充分體會專業(yè)理論的趣味性，通曉理論知識的合理性，因此，亟須解決與專業(yè)理論對應(yīng)的集成一體化的仿真和實驗平臺。

(二)取代復(fù)雜調(diào)試過程，即時獲得實驗結(jié)果學(xué)生在仿真分析的基礎(chǔ)上，希望進(jìn)一步獲得實際的實驗效果，如果教師需要在每個課時內(nèi)為學(xué)生演示實驗，需要提前幾個月將實驗裝置調(diào)試完成;同時，不同理論所涉及電路結(jié)構(gòu)和原理不同，逐一展示難度大，因此，亟須開發(fā)一套調(diào)試過程簡單、實時呈現(xiàn)仿真和實驗效果的實驗教學(xué)平臺。

(三)電力電子實驗平臺具備開源式仿真模型，控制方法在線可調(diào)學(xué)生在了解和掌握基本的仿真驗證和實驗測試基礎(chǔ)上，希望提升自己的創(chuàng)新思維能力，此時要求教學(xué)平臺的仿真模型參數(shù)可調(diào)、仿真系統(tǒng)對學(xué)生完全開放，學(xué)生可基于已有仿真模型，自行設(shè)置模型參數(shù)，還可對仿真系統(tǒng)中的控制部分進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計和改善。因此，亟待研制出面向全體學(xué)生的開源型仿真實驗教學(xué)平臺，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題探索能力。

四、傳統(tǒng)實驗課程改革痛點分析

(一)教師講授要求高，現(xiàn)有課時量難以滿足實驗教學(xué)需求由于學(xué)生對專業(yè)仿真軟件和實驗條件均不熟悉，因此，將課堂理論教學(xué)內(nèi)容以仿真模型的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，仍存在較大難度;在向?qū)W生演示與理論相關(guān)的仿真和實驗結(jié)果后，需要向?qū)W生解釋仿真和實驗與理論正確性之間的關(guān)聯(lián)，而大部分學(xué)生對“實踐驗證理論”的概念非常模糊，因此，教師對仿真和實驗的教學(xué)闡釋面臨巨大挑戰(zhàn);除課堂理論教學(xué)課時外，教師需要單獨(dú)安排課時進(jìn)行仿真和實驗教學(xué)，這對教師和學(xué)生來講實現(xiàn)難度大。

(二)實驗進(jìn)度與學(xué)生接受程度與難以匹配仿真模型與實驗測試相融合是汲取了“半實物”仿真的核心思想，其包括硬件在環(huán)和軟件在環(huán)實驗，教師演示仿真模型直接轉(zhuǎn)化為實驗結(jié)果，需要對“半實物”概念進(jìn)行詳細(xì)闡釋，而考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)程度參差不齊，并非所有學(xué)生均能夠接受這種實驗操作理念，導(dǎo)致演示過程產(chǎn)生極大難度;其次，理論教學(xué)中涉及的電路結(jié)構(gòu)等基本概念，在實驗演示時學(xué)生的思維無法直接從課本中的電路簡圖轉(zhuǎn)化為裝置實物圖，因而需要教師首先對實驗裝置元器件進(jìn)行介紹，并結(jié)合課本簡圖一一對照講授，如此開展的實驗課程便加大了教師的講課難度，對于講授時間和課時安排也提出極大挑戰(zhàn);同時，實時仿真和實驗演示涉及硬件在環(huán)操作理念，還需向?qū)W生講授如何實現(xiàn)仿真模型的程序轉(zhuǎn)化，在演示實驗現(xiàn)象時考慮如何提升學(xué)生實踐操作能力等，這些都加重了教師的講課負(fù)擔(dān)，也對學(xué)生的知識獲取能力提出考驗。

(三)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)難度大仿真模型的開源性為學(xué)生提供了自主創(chuàng)新的平臺，然而，如何使用仿真軟件、如何修改控制器參數(shù)、修改時若出現(xiàn)仿真報錯應(yīng)如何解決，這些問題嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對仿真模型控制方法的改善和創(chuàng)新;其次，教學(xué)平臺開源性、可調(diào)性的主要體現(xiàn)對于學(xué)生來說存在較大誤區(qū)，在理解教學(xué)平臺哪些結(jié)構(gòu)開源、哪些結(jié)構(gòu)固定不變、哪些關(guān)鍵環(huán)節(jié)可調(diào)等問題方面，教師與學(xué)生的互動溝通仍存在一定難度。因此，對于學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升方面，教學(xué)平臺能否較好解決此類問題，仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

五、結(jié)論

針對目前大部分高校實驗課程存在的理論講授時間長、學(xué)生興趣調(diào)動難度大等問題，筆者以電氣類實驗課程為例，深入分析高校學(xué)生對目前傳統(tǒng)實驗課程改革的需求，并對傳統(tǒng)實驗課程在發(fā)展和優(yōu)化過程存在的主要痛點問題進(jìn)行了詳細(xì)分析和探索，本文研究有助于培養(yǎng)高校本科生實驗操作能力和創(chuàng)新思維能力，為高校傳統(tǒng)實驗教學(xué)改革提供思路。

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作者：岳雨霏 賈奧祺 張宇辰 唐欣 單位：長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院