電氣類本科生傳統(tǒng)實驗課程改革需求

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摘要:實驗課程教學時高校電氣類本科生專業(yè)課程教學的重要組成部分，對學生實驗動手能力、科研創(chuàng)新思維的培養(yǎng)至關重要，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行深入分析，為高校本科生實驗教學發(fā)展提供理論指導。

關鍵詞:實驗課程;高校學生;實踐動手能力

一、緒論

一般的高校課堂教學通常采用傳統(tǒng)灌輸式教學方法，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生，學生通過課堂聽講獲取知識。然而，理論教學時間過長會導致學生對所學課程失去興趣，甚至出現(xiàn)學生在教師講課過程中曠課、逃課、打瞌睡等現(xiàn)象，同時，即使學生認真聽講，過于枯燥乏味的理論教學也難以吸引學生的關注、調(diào)動其學習積極性，若不能及時將理論教學與實驗教學進行結合，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)教學中采用傳統(tǒng)課堂理論教學與實驗教學相結合的方法［1-4］，也利用慕課等在線教學平臺，通過傳統(tǒng)實驗教學與翻轉課堂相結合的新型教學模式完成了講課視頻共享、課程的課后作業(yè)練習、師生論壇互動、實驗教學等環(huán)節(jié)［5-7］。但在實際的課堂教學和實驗課程中，這種方法的普及仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)，工科學生的實驗認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，從高校學生需求出發(fā)，提取傳統(tǒng)實驗課程教學存在的共性短板問題及挑戰(zhàn)，分析高校學生對實驗課程改革的需求及對應痛點問題。

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過程，熱衷于對理論的詳細推導和闡釋，忽略了專業(yè)理論在實際中的應用和實驗體現(xiàn)。例如，電氣類教師在教授電機學或電路理論課程時，通常會在理論課堂教學上花費大量時間，電機學教師在講授直流電機的感應電動勢和電磁轉矩等理論知識時，除了借助演示文稿向學生展示最終推導獲得的公式外，還會借助板書形式演示電機中重要電氣量的詳細推導過程，考慮到學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，對所推導的公式進行補充說明。因此，理論課堂占用了相當大的課時量，而分配給實驗課程的時間就少之又少。此外，雖然在傳統(tǒng)課堂教學過程中，教師會在理論教授過程中穿插一些電機的實物圖片和火電站、水電站工作的視頻資料，但這些僅能夠對學生的實踐學習起到引領和認知的作用，不足以提高學生的實驗能力和創(chuàng)新水平，仍需要開設額外的實驗課程。但由于理論課堂在教授電機實驗的內(nèi)容時，僅對實驗接線和實驗獲得的測量參數(shù)進行了簡要說明，并沒有實際的操作指導，因此，學生在進行電機實驗操作過程中無法提前做好準備，而每個課時的實驗課程時間緊張，又是多人分組實驗，導致很多學生難以獲得實驗操作的機會和專業(yè)實踐動手能力提升的時機，不利于培養(yǎng)學生將理論與實踐相結合的能力。

(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行實時驗證，可在短時間內(nèi)獲得可行性分析結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完成，學生僅能掌握仿真現(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，導致實驗驗證過程卻需要耗費較長時間，實驗分析過程難以在課堂教學中進行展示，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，學生在掌握基本理論和基礎性仿真操作后，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)，觀測和學習不同參數(shù)下對應的測試結果，用于驗證學生自己所提出的創(chuàng)新方法的可行性和合理性。但是，由于實驗過程復雜度高、調(diào)試難度大，導致學生難以通過修改仿真參數(shù)快速獲得實時的實驗結果，創(chuàng)新性方法無法及時得到驗證，限制了學生的創(chuàng)新思路，大多數(shù)學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生在通過課堂聽講等形式獲得包括概念、結構、工作原理、運行特性、應用等方面的專業(yè)理論知識的基礎上，然而，課堂理論僅直接展示最終實驗結果，學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)理論對應的集成一體化的仿真和實驗平臺。

(二)取代復雜調(diào)試過程，即時獲得實驗結果學生在仿真分析的基礎上，希望進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構和原理不同，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)學生在了解和掌握基本的仿真驗證和實驗測試基礎上，希望提升自己的創(chuàng)新思維能力，此時要求教學平臺的仿真模型參數(shù)可調(diào)、仿真系統(tǒng)對學生完全開放，學生可基于已有仿真模型，自行設置模型參數(shù)，還可對仿真系統(tǒng)中的控制部分進行創(chuàng)新性設計和改善。因此，亟待研制出面向全體學生的開源型仿真實驗教學平臺，有助于培養(yǎng)學生的創(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需求由于學生對專業(yè)仿真軟件和實驗條件均不熟悉，因此，將課堂理論教學內(nèi)容以仿真模型的形式呈現(xiàn)給學生，仍存在較大難度;在向學生演示與理論相關的仿真和實驗結果后，需要向學生解釋仿真和實驗與理論正確性之間的關聯(lián)，而大部分學生對“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闡釋面臨巨大挑戰(zhàn);除課堂理論教學課時外，教師需要單獨安排課時進行仿真和實驗教學，這對教師和學生來講實現(xiàn)難度大。

(二)實驗進度與學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化為實驗結果，需要對“半實物”概念進行詳細闡釋，而考慮到學生學習程度參差不齊，并非所有學生均能夠接受這種實驗操作理念，導致演示過程產(chǎn)生極大難度;其次，理論教學中涉及的電路結構等基本概念，在實驗演示時學生的思維無法直接從課本中的電路簡圖轉化為裝置實物圖，因而需要教師首先對實驗裝置元器件進行介紹，并結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，還需向學生講授如何實現(xiàn)仿真模型的程序轉化，在演示實驗現(xiàn)象時考慮如何提升學生實踐操作能力等，這些都加重了教師的講課負擔，也對學生的知識獲取能力提出考驗。

(三)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)難度大仿真模型的開源性為學生提供了自主創(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)仿真報錯應如何解決，這些問題嚴重阻礙了學生對仿真模型控制方法的改善和創(chuàng)新;其次，教學平臺開源性、可調(diào)性的主要體現(xiàn)對于學生來說存在較大誤區(qū)，在理解教學平臺哪些結構開源、哪些結構固定不變、哪些關鍵環(huán)節(jié)可調(diào)等問題方面，教師與學生的互動溝通仍存在一定難度。因此，對于學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升方面，教學平臺能否較好解決此類問題，仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

五、結論

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行了詳細分析和探索，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：長沙理工大學電氣與信息工程學院