全面開放自主式網絡實驗教學探究

王 革 思

(哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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全面開放自主式網絡實驗教學探究

王 革 思

(哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

從如何吸引學生熱愛實驗課、熱愛科技創新以及更有效地發揮實驗教學對學生創新精神與實踐能力培養入手，科學系統推進課程群建設，促進各課程之間的內在聯系及學科之間相互交叉融合。以學生為中心，按照實訓基本技能、提升理論知識應用、培養綜合與創新型能力進階式需求，構建一個多層次、模塊化電子電路實驗課程體系。設計一個網絡實驗教學平臺，可以進行多層次、多向性的實驗教學。研發了EDA實驗項目、虛擬儀器實驗項目和測控操作平臺。通過這些教學資源成果導向，讓學生接受教師在教學方法、教學理念方面的創新思想，分享到教師在科研、工程實踐方面的創新經驗，同時在時間、空間、內容、儀器設備方面實現了全面開放，對培養學生創新精神和實踐能力能夠起到很大的幫助作用。

網絡實驗教學; 實驗課程體系; 電子電路; 教學資源; 創新型人才

0 引 言

在工程和科學領域中，實驗作為理論研究與實踐應用的接口環節占據著舉足輕重地位。近些年來中心圍繞著國家“走中國特色新型工業化道路，建設創新型國家、建設人力資源強國等戰略部署”，認真貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020)》，從如何更有效地發揮實驗教學對學生創新精神和實踐能力培養入手，科學系統推進課程群建設，夯實理論知識、重視信息技術、突出實踐應用、倡導科技創新教學[1]。將開放與創新作為開放式實驗教學的精準目標，優化實驗課程體系結構，精選實驗課程內容，分層次設計[2]，構建了以學生為中心、成果導向和持續發展的實驗教學體系，在培養本科生應用型和創新型人才中取得了顯著成效。

1 實驗課程體系創新

實驗教學方式、實驗教學內容改革以及實驗課程體系創新都會指向同一個目標：吸引學生熱愛實驗課，熱愛科技創新，更好地消化吸收理論知識，為學生成才打下堅實基礎。中心堅持“強基礎、重能力、抓創新”的實驗教學改革思想，以學生創新精神和實踐能力培養為核心，按系列設置課程，將實驗課與理論課互為融合，教學內容不斷融入科研、工程、創新和實驗教學改革成果，引入信息技術，改進實驗教學手段，增加新型實驗項目，已經形成了比較完整的適合應用型和創新型人才培養的實驗教學體系。電子電路課程所包括的模擬電路、數字電路等均為電子信息類專業核心技術課程，其實驗教學環節對培養具有創新精神和實踐能力的創新型人才起著至關重要作用。中心按課程群系統組織，打破課程之間壁壘，促進課程之間的內在聯系及學科之間相互交叉融合，構建了一個以學生為中心的多層次、模塊化電子電路實驗課程體系。這種實驗課程體系遵循“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程，通過各種教學資源成果導向，以學習過程的差異去調節學生個體的興趣、特長、能力和智力的差異，為不同發展特點的學生提供多樣化、自主化的學習方式。從實驗認知、應用、綜合、創新的不同層次[3]，逐級、漸進地培養學生的創新精神和實踐能力。

(1) 第一層次是實訓基本技能。包括演示、驗證、儀器儀表操作等。針對初學者的知識背景，著重培養學生規范化實驗技能和科學的思維方式，使學生初步掌握科學實驗的方法和設計思想，強化理論知識的理解和實驗基礎；

(2) 第二層次是提升理論知識應用能力。教師應特別注意啟發式、探究式和項目式等多種教學方法的靈活運用，通過對一些簡單、有工程背景的問題分析和研究，使學生了解和掌握電子線路分析、設計、仿真、安裝與調試整個過程，提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，培養學生實事求是的科學作風和認真嚴謹的科學態度；

(3) 第三層次是培養綜合與創新能力。這一層次實驗教學涉及多門學科理論知識，以項目驅動為導向，以學生為主體，以教師為主導，開放式實驗教學[4]。內容安排上既要體現知識的綜合性與創新性，又要體現能力素質培養，同時也要強調基礎、應用知識部分的重復性。學生還可以自主提出具有一定的水平和前瞻性的題目，倡導論文式的實驗報告。激發學生主動學習的熱情，有利于學生個性發展，提高學生創新意識和能力。此外，學生還能熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法，增強學生面向社會的競爭能力。

2 構建網絡實驗教學平臺

開放式實驗教學已成為國內各高校教育教學改革的重要舉措和研究熱點。然而，現有的開放實驗教學模式大多是在教學時間和教學空間上的開放，而不注重教學內容和儀器設備上的開放，所以在一定程度上還是不利于學生自主性和創造力的發揮[5]。網絡實驗教學平臺建設注重傳統與現代結合、學用結合[6]，以全面提高學生創新精神和實踐能力為核心，以信息化實驗教學資源建設為重點[7]。大部分實驗內容既可在課內完成，也可在課外完成，其目的是給學生提供開放和自主的學習環境[8]，能夠讓學生以自己的方法去思考、拓展，不斷地提出問題和解決問題，將被動式學習變為自覺學習、主動成長[9]，同時還注重培養學生的創造性思維，使學生在理論知識學習和實踐能力鍛煉方面均會得到顯著的提高，從而實現教學質量的全面提升。

電子電路網絡實驗教學平臺采用微軟ASP設計實現，數據庫采用微軟Access。該平臺包括學生用戶、教師用戶和管理員用戶3個子模塊以及相對應的功能模塊，見圖1。

(1) 學生用戶模塊。其功能包括實驗預約、在線實驗、實驗報告上傳、實驗成績查詢、實驗資料下載、學生用戶個人信息管理等。該模塊是整個網絡實驗教學平臺的主體。

(2) 教師用戶模塊。其功能包括教師用戶個人信息管理、預約實驗情況查看、實驗項目管理、實驗成績管理、實驗資料管理、實驗報告管理等。通過該模塊能夠確保網絡實驗教學的順利進行。

(3) 管理員用戶模塊。管理員為平臺的超級用戶，具有最高權限。該模塊功能包括系統帳戶管理、學生用戶帳號管理、教師用戶帳號管理、實驗項目管理、實驗預約管理、實驗室公告管理等。通過該模塊能夠對網絡實驗教學平臺進行初始化以及維護。

圖1 電子電路網絡實驗教學平臺結構圖

在網絡服務器端，基于B/S模式，結合NI公司的Component Works組件等，將EDA實驗項目和虛擬儀器實驗項目以ActiveX的形式嵌入到HTML文件中，通過IIS以及ASP.NET將這些HTML文件添加到網絡實驗教學系統中，并且對外發布實現網絡實驗教學功能。這樣，通過網絡平臺可以進行多層次、多向性的實驗教學，學生可以在任何一臺網絡計算機上進行自主學習和實驗。

3 網絡實驗教學資源開發

3.1 EDA實驗項目

EDA技術融合了電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計。其中，Multisim 軟件是知名的EDA仿真軟件之一，它內含數萬種元器件和13種常用的虛擬儀器儀表，可以方便地搭接各種電子線路，準確地對電路進行仿真分析。本著實驗項目與興趣相結合、以需求為導向、以問題作牽引、以能力培養為重點[10]的原則，中心利用Multisim軟件構建了虛擬的電子電路實驗教學環境，按照從基礎、應用到創新的發展等級將實驗項目分成多組單元[11]，集合成庫。運用規范化、模塊化的設計方法，研發出4類原創性EDA 實驗項目庫，分別針對培養學生的實驗技能、理論知識應用能力和創新能力的需求(見表1)。庫中的每個實驗項目均具有典型性及工程背景，圖2是一個典型的EDA實驗項目。

表1 電子電路實驗項目庫列表

圖2 電冰箱壓縮機控制器

EDA實驗項目既能節省大量資金，又可以突破傳統實驗在內容、元件、儀器上的限制，最大限度地提高學生實踐應用能力，有效地培養學生創新精神和工程理念[12]。

3.2 虛擬儀器實驗項目

在培養學生實踐能力和綜合素質過程中，不僅要注重結合理論教學，提高學生科學素養，還要注重前瞻性和創新性教育[13]，為此，中心還結合部分科研、工程項目成果，研發了雙通道數據采集回放系統等10余個適合實驗教學的虛擬儀器項目，見圖3。

該實驗項目操作界面形象、直觀，利用仿真產生波形的方法來模擬數據的采集、記錄和回放。學生只要在安裝了LabVIEW開發環境的計算機上，通過編制好的VI程序就可以進行自主學習和實驗。

3.3 測控操作平臺

為了解決因儀器、場地、時間等造成的實驗教學條件和環境不夠理想的問題，中心自研了一種測控操作平臺。該平臺與本地物理設備的連接可通過TCP/IP協議的網絡接口，這樣就可將分布于不同實驗室的儀器設備及其他硬件資源集成起來，形成一個分布式實驗儀器設備測控系統，從而為學生提供更廣闊的自主實驗教學空間，在提高實驗儀器設備的綜合利用率及共享的同時，也讓學生在網絡中享受到與昂貴專業設備相媲美的實驗儀器設備。

圖3 雙通道數據采集回放系統

4 開放實驗教學取得的成效

(1) 實現課內外實驗教學一體化。研究成果提供了網絡與虛擬仿真相結合的實驗環境以及內容豐富的實驗教學資源。課下學生可以進行實驗前的預學、預做、預練；課上教師可以通過典型電路的仿真演示，分析、講解工程應用電路設計教學案例，讓學生掌握先進的設計思想及技術，加深對理論知識的認識和理解，提高知識綜合應用能力，教學效果顯著。

(2) 實現教學內容系統化、層次化。通過對獨立設課的“電工基礎實驗”“電子技術基礎實驗”“電子電路綜合實驗”進行系統地梳理、整合、規范，優化實驗課程體系結構，精選實驗課程內容，分層次構建了電子電路實驗課程體系。學生可以根據自身的興趣、特長和需求，通過網絡平臺進行自主學習、自主實驗，在擴展視野、提高實踐能力的同時，還培養了創新思維和創新能力。

(3) 搭建起科技創新輔助平臺。在學校精英教育體系中，學生科技創新占據“三分天下有其一”的地位。網絡平臺提供的教學資源中有相當一部分凝煉教師多年的科研和教研成果，教師的創新思想和創新經驗不僅吸引了學生參加科技創新活動的熱情，還為學生科技創新交流創造了條件。每年可為參加科技創新活動提供服務的學生多達數百人。

(4) 取得顯著教學效果。研究成果為實驗教學的內涵建設及可持續發展提供有力支撐，對培養高質量的本科生起到重要作用。近3年來，學生參與教師科研和教研項目26項，承擔各級大學生創新性實驗計劃17項，獲得各類省部級科技創新競賽獎勵100余項。每年還有20余名學生通過科技創新活動所取得的優異成績被保送研究生。

5 結 語

近幾年來，中心從探究學生工程實踐能力、創新能力培養以及提高實驗教學質量方面不斷地推進改革與研究。電子電路網絡實驗教學平臺構建及其配套教學資源開發，為學生自主學習、自主實驗以及科技創新交流創造了條件，在時間、空間、內容、儀器設備實現了全面開放，大大激發了學生實驗興趣和參與創新熱情[14]。通過平臺學生既能接受到教師在教學方法、教學理念方面的創新思想，還能夠分享到教師在科研、工程實踐方面的創新經驗，使學生在提高理論知識應用水平、增強工程實踐能力以及擴展視野的同時，還在培養自己的創新精神和創新能力方面得到了巨大的幫助。信息化實驗教學資源開放與共享，可使優質資源最大化發揮其價值[15]，充分發揮國家級示范中心的示范輻射效應。

[1] 吳軍強，徐小東，許衛明，等．省級計算機實驗教學示范中心建設研究與實踐[J]．實驗技術與管理，2014，31(4)：118-121．

[2] 徐曾春，胡 平．開放式實驗教學與創新性人才培養[J]．中國大學教學，2015(10)：82-85．

[3] 陳東輝，江 敏，錢 平．電氣工程專業工程實踐教學體系的構建[J]．實驗室研究與探索，2013，32(11)：193-196．

[4] 周秦武，張 博，張大龍，等．以項目驅動為導向的專業綜合實驗課程設計與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31(3)：183-185．

[5] 胡 總，徐建東，李希合．自主型開放實驗教學管理平臺的設計與實現[J]．實驗技術與管理，2008，25(6)：36-39．

[6] 劉夢琴，鄺代治，馮泳蘭，等．以創新能力培養為核心構建多元化實踐教學體系[J]．實驗室研究與探索，2014，33(3)：189-193．

[7] 徐 進．2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J]．實驗室研究與探索，2014，33(8)：1-5．

[8] 劉艷芳，張力軍，焦福菊．面向創新能力培養的計算機網絡實驗教學[J]．實驗技術與管理，2014，31(4)：28-31．

[9] 朱光輝，胡雪娜．新形勢下本科創新人才培養模式研究[J]．實驗技術與管理，2014，31(7)：25-27．

[10] 余新平，余士求，余厚全．《數字電子技術》課程實驗教學改革探索[J]．實驗科學與技術，2012，10(5)：67-69．

[11] 王革思．電子電路實驗教學資源建設研究[J]．實驗技術與管理，2015，32(1)：167-170．

[12] 王 帥，張 瑩，孫 艷．虛實結合的電路原理實驗教學模式探索[J]．實驗科學與技術，2015，13(5)：135-137．

[13] 趙同剛，劉 樂．以卓越工程師為目標驅動人才培養方式的改革[J]．實驗技術與管理，2015，32(1)：164-166．

[14] 儲開斌，楊長春，朱正偉，等．虛擬項目教學法在模擬電子技術教學中的應用[J]．實驗室科學，2011，14(3)：109-112．

[15] 胡 凱，鄭興福，陳如松，等．江蘇高校實驗教學示范中心共享平臺建設與實踐[J]．實驗室研究與探索，2014，33(8)：144-147．

Research and Practice on the Experiment Teaching of Fully Open Autonomous Network

WANGGe-si

(National Electrotechnics and Electronics Experiment Teaching Demonstration Center，Harbin Engineering University, Harbin 150001， China)

In order to attract students to love the experimental class, love science and technology innovation., combined with how to let the experiment teaching be more effectively in the cultivation of students’ innovative spirit and practical ability, considering the construction of curriculum group promoted by a scientific system, the promotion of internal relations among different courses and the interdisciplinary integration, our aim is to set up a multi-level and modular electronic circuit experiment course system. Take the student as the center, in accordance with the basic skills training, improve the theoretical knowledge and application ability, comprehensive training and innovative ability advanced demand. On this basis, we are going to design a network experimental teaching platform in which multi-level and multi-direction experiment teaching can be carried out. Research and development of EDA experimental project, virtual instrument experimental project and measurement and control platform can let the students accept the teaching method, the teaching idea innovation thought, share to the teacher in the scientific research, engineering practice of innovation experience. At the same time, to achieve a comprehensive open experimental teaching in time, space, content, instruments and equipment, to cultivate students' innovative spirit and practical ability can play a very helpful role.

network experimental teaching； experimental curriculum system； electronic circuit； teaching resources； Innovative talents

2016-03-12

王革思(1960-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，主要從事實驗教學與實驗室管理的研究工作。

Tel.:13206521967; E-mail:wanggesi@hrbeu.edu.cn

TP 391; G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0159-04