“電力拖動與控制系統”實驗“金課”探究

趙 犇， 陳華勝， 馬瑞卿， 曲仕茹

(1. 西北工業大學 自動化學院，陜西 西安710072；2. 西北工業大學 教學研究與教師發展中心，陜西 西安 710072)

0 引言

當前本科教育的突出弊端在于理論教學脫離實際[1]。實驗教學作為實踐教學重要組成部分，其教學效果很大程度上決定人才培養質量。

習近平總書記指出，要努力構建德智體美勞全面培養的教育體系，形成更高水平的人才培養體系[2]。陳寶生部長在新時代全國高等學校本科教育工作會議上第一次提出，要提升大學生的學業挑戰度，合理增加課程難度，拓展課程深度，擴大課程的可選擇性，真正把“水課”轉變成有深度、有難度、有挑戰度的“金課”[3]。教育部吳巖司長將“金課”歸結為“兩性一度”，即高階性、創新性和挑戰度[4]。實驗課程“金課”建設是教育教學改革的重要內容，對提高人才培養質量具有重要意義和研究價值。

1 問題背景

2019年西北工業大學啟動人才培養大討論活動，針對新時期一流本科怎么建設的問題組織開展了全校的深入討論，實驗課程“金課”建設是其中一個重要討論主題。通過兄弟院校調研、師生調查、頭腦風暴等方式，研討剖析了當前實驗教學主要仍存在的三個問題：

(1)內容陳舊，教學改革創新性、動力不足。主要體現在：①實驗所用的教材講義、設備等更新速度跟不上教學改革變化，與行業發展脫節嚴重；②驗證型實驗仍占據較大比例，實驗本身也往往沒有難度和挑戰，大大降低了學生的好奇心和積極性；③實驗教學改革阻力較大，創新型、綜合型實驗項目對實驗教師隊伍、教學理念和方法等方面要求較高，高校對實驗教學序列教師的保障和激勵與理論課教師明顯存在差別，造成實驗教師創新能力不強，改革動力不足。

(2)知識點單一，與交叉復合型人才培養要求不匹配。實驗教學的設計主要針對單一課程或知識點，缺乏跨課程、跨專業設計，不能發揮實驗教學“做中學”原理，牽引學生主動學習相關課程知識來構建自身的知識體系。

(3)實驗教學的實踐育人功能需要進一步挖掘。立德樹人是高校的根本任務。一流人才培養離不開一流本科建設，一流本科建設離不開實驗、工訓等在內的實踐教學[5]。實踐教學在構建“三全育人格局、十全育人體系”中具有十分突出的作用，而實驗教學作為實踐教學的重要組成部分，不能僅僅作為一種鞏固和強化課堂知識的教學方法使其從屬于理論教學，而要進一步認識和深化實驗教學在高校人才培養過程中的獨立地位[6]。

2 實驗課程“金課”改革思路

實驗課程是實踐教學重要一環，是本科教學體系整體系統中有機組成部分。因此建設實驗課程“金課”，提升實驗課程教學效果不能單一考察課程本身，要將其放置在實踐教學體系整體來考慮，即要對實驗課程本身的內涵以及其與教學體系的聯系外延進行全面的考量。

1)實驗課程“金課”的內涵思考

內涵是指事物所反映的對象的本質屬性。實驗課程內涵用于識別實驗課程的輪廓邊界，即實驗課程是什么。

從教學目標來看，實驗教學是指學生利用儀器設備，在人為控制條件下，引起實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，獲得知識與發展能力。目標達成所蘊含的教學邏輯是指學生在實驗室環境中模擬科學家解決實驗問題或探索未知結果的過程，引導學生掌握科學研究方法，能獨立學習和對相關理論進行驗證或創新試驗[7]。實驗課程通常由一系列實驗項目構成，實驗項目分為基礎驗證型、綜合設計型、研究創新型等類型[8]?；A驗證型項目主要培養學生驗證性科學方法，而后兩者則主要培養探究性科學方法。因此，實驗課程改革主要任務還是要解決課程項目高階性、創新性和挑戰度的問題，即加大實驗課程中綜合性、研究創新型項目類型的比例。

從教學模式來看，實驗教學是在教師指導下學生主動實踐，屬于實踐教學范疇。實驗課堂對學生德智體美勞全面發展有重要作用。習總書記在全國高校思想政治工作會議上強調：“其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”。教師在課堂里雖然更多是實驗教學指導者，但并不意味教師降低教學標準，反而要將新時期黨和國家對實踐育人新思想新要求對課堂教學進行改革重構，賦予實驗教學時代思想性，讓學生在實驗過程中喜聞樂見，具有更好的育人效果。

2)實驗課程“金課”的外延思考

外延是指所反映的本質屬性的所有事物，也就是與它有關系的其他概念的適用范圍。內涵確定了實驗課程在本科教學系統中的邊界，而外延則是搭建了實驗課程和教學系統其他部分交叉和協同的橋梁。

實驗教學位于實踐教學的基礎地位，在體系中屬于“前端”，學科競賽、大學生創新活動等具有高水平競技性質的實踐環節屬于實驗課程的外延，也即實踐教學體系的“末端”[9]。作為有實踐成果作為教學效果表現的末端培養，歷來受到教師和學生更多的重視，然而很多時候卻忽視了前端培養。沒有扎實的前端基礎，很難保證末端成果的質量，這就如金字塔結構，沒有底層堅固牢靠的基礎實驗教學，就無法培養高階的創新能力。實驗課程不應是孤立零散的，其外延是與實踐教學末端有機銜接的，為廣大學生提供基礎性實踐能力培養和科學探究思維訓練。

通過實驗課程“金課”內涵外延的討論，有助于形成我校實驗課程改革的整體思路：

(1)在內涵方面，加大綜合性、設計型及創新型實驗項目比例，提高實驗項目的“兩性一度”，改革實驗課堂和強化實驗課程思政，使實驗教學在德智體美勞全面育人的過程中發揮更大作用。

(2)在外延方面，將實驗教學置于實踐教學體系整體進行設計，重塑實驗教學“前端培養”的重要性，以成果為導向，與學科競賽、大學生創新項目充分結合，在實驗教學活動中引導學生探索前沿問題，不斷拓展實驗課程外延。

3 “電力拖動與控制系統”實驗課程改革

“電力拖動與控制系統”是電氣工程及其自動化專業核心專業必修課，是一門工程性很強的課程，其教學方法的改革歷來受到很多關注和研究[10～11]。該課程的實驗教學環節也存在上述的諸如內容老舊、知識點單一及與行業發展脫節等問題。針對課程實際，圍繞學?！昂窕A、寬口徑、重實踐、求創新”的人才培養特色，需要對“電力拖動與控制系統”實驗課程進行改革。2018年“電力拖動與控制系統工程實踐實驗”獲批西北工業大學實驗核心課程立項建設，開啟了該課程“金課”探索。經過兩年實踐，課程覆蓋了“電機學”、“電力電子技術”、“嵌入式系統”、“自動控制原理”、“數電”、“模電”等多門課程知識，年均選修學生達80余人次。學生反饋本實驗課程與傳統實驗課程區別很大，需要付出更多精力，但同時收獲也更多，例如與其他課程的交叉更加深入、更易于知識體系的融會貫通、對行業前沿的涉獵更多、對創新競賽的應用更加廣泛等。根據教務部門統計，學生對該課程滿意度達到了98.72%(見圖1)。

圖1 學生對本實驗課程的評價

實驗課程改革是一項復雜的系統工程，通過實驗課程改革進行個案研究，可以更好觀察實驗“金課”在本科教學系統中的作用。鑒于該課程的良好基礎和實施效果，可以為其他課程改革提供經驗。

3.1 “電力拖動與控制系統”實驗課程內涵建設

為推進學生自主式、研究性的學習方式，以啟迪學生的創新思維，對“電力拖動與控制系統”課程實驗教學內涵進行改革。主要思路是將原來以驗證型實驗項目為主，主要實現單一實驗學習目標的實驗導向型學習向以師生共同實施一個完整項目的項目導向型學習轉變?？梢酝ㄟ^分層次實驗教學設計和實驗教學模式改革來實現。

1)實施分層次實驗教學設計

“電力拖動與控制系統”課程結合電氣工程專業教學需要，在保留經典的2個基礎驗證型實驗項目基礎上，新設計開發8個實驗項目，其中綜合設計型4個，研究創新型4個(見表1)。

表1 “電力拖動與控制系統”實驗項目一覽表

基礎驗證型實驗項目是在現有的教學實驗平臺上搭建調速系統，實現對理論教學的實物驗證，加深知識點的理解，具備一定的工程調試能力；在此基礎上，綜合設計型實驗主要在于提高學生的系統設計和調試能力，通過設置一定的控制目標，學生主要通過設計系統參數、編寫調試軟件程序達到預期目標，同時通過比較不同參數下的實驗結果得到一定的實驗結論；最后的研究創新型實驗是以工程項目需求為導向，激發學生的創新思維，完全自主選擇電機類型和調速方法，設計硬件電路，編寫軟件程序，實現預期指標，并形成研究實驗報告，培養學生具備完整的解決實際工程項目的能力。通過構建基礎實驗理論認知-綜合型實驗設計-創新型實驗應用三層遞進的層次化實驗教學方式，在實驗課程教學中體現以學生為中心，促進學生全面發展，培養解決復雜工程問題的綜合能力。

2)大力開展實驗教學模式改革

通過設計具有競賽性質的研究創新型實驗，并適度提升指標難度，學生以團隊的形式完成一個完整項目，并主導整個項目的全部流程，實現培養解決復雜工程問題能力的教學目標。

案例名稱：小型電動機穩速控制系統設計

教學目的：針對具體的工程應用，要求學生具備需求分析、方案設計、軟硬件設計、樣機制作與調試、研究報告編寫與答辯等工程項目能力。

方案內容：學生自主選擇電機類型、微處理器，自主設計控制算法，完成24 V/3000轉 電機穩速控制系統的設計與樣機制作，要求不大于5%的穩態轉速誤差，同時具備過、欠壓保護、故障報警等功能。學生在課前需要投入時間研究設計系統的構成，并可采用組內討論及與老師交流討論的方式確定實驗方案，進行程序的編寫，然后學生采用網上預約的方式，自主進行實驗系統的搭建和實驗驗證，現場調試程序，完善控制系統，最終達成控制目標。完成后需提交研究實驗報告及源程序，并進行現場演示和答辯。

考核方式：各實踐階段成果驗收(40%)、研究實驗報告(40%)及匯報答辯(20%)。

該教學模式已經順利完成兩屆，學生普遍反應良好，且多數學生確實展現出了優秀的電路設計、制作、調試等科學研究功底，為日后進一步學習和工作奠定了堅實的基礎。圖2為學生在進行焊接調試和答辯，圖3為部分優秀學生作品。

3)開展實驗課程思政探索

結合西北工業大學的航空、航天、航海(三航)特色以及電氣工程專業的國防科研優勢，在實驗教學活動中融入課程思政。

圖2 學生焊接調試及答辯

圖3 學生代表作品

一方面，在授課過程中介紹與課程相關的校友、院友的優秀事跡及“西工大現象”，提升學生榮譽感與使命感，引導學生形成并強化獻身國防、航空報國的思維。

另一方面，在知識點的設計中也融入課程思政，將電氣工程專業科研團隊在國防科研項目中取得的眾多成果與本課程知識點結合，針對課程內容介紹其在航空航天中的應用。例如，類似該小型電動機穩速控制系統已成功應用于我國某型先進飛機，在開展本實驗之前，向學生展示該電機及控制系統樣機實物并輔助以視頻圖片等形式介紹其實際應用，在激發學生好奇心與自豪感的同時引導學生思考航空航天應用中的特殊性設計，如體積、重量、可靠性等。

通過實際航空航天應用案例與知識點的結合，形成學生帶入式的科研工作參與感，幫助學生掌握課程知識、提高動手能力的同時，培養家國情懷。

3.2 “電力拖動與控制系統”實驗課程外延建設

在實驗教學過程中，引導學生擴展“電力拖動與控制系統”課程知識的運用環境，不能僅限于傳統的生產制造活動中，更應該與新興技術行業、創業潮流相結合。作為重要的作動部件和執行機構，電機及其控制技術在智能車、機器人、無人機等領域中扮演了重要的角色，而這恰恰是“電力拖動與控制系統”課程所希望培養的主要專業知識和技能。

因此，結合智能車等學科競賽，將競賽活動中遇到的技術難點作為設計型實驗的出發點和指標，鼓勵學生在“做中學”，探索和解決實際問題，不斷拓展實驗課程的外延建設。以前端培養與末端成果相銜接為導向，將實驗課程教學與學科競賽、大學生創新項目相結合，將實驗教學融入創新創業教育體系。

智能車競賽中的過彎減速是一項重要技術，傳統方案通過減小速度給定降低車速，但在高速時不能快速制動造成過彎飛出，因而不得不提前降低車速，影響比賽成績?？刹捎梅唇又苿涌焖俳档瓦^彎車速(見圖4)，也可采用內外側驅動電機的獨立控制形成差速配合制動高速過彎。選擇何種制動方案、如何實現快速過彎成為了設計型實驗的一項可選任務。學生將優秀方案應用在第十二屆全國大學生智能汽車競賽電磁追逐組的比賽中，取得了一等獎的優異成績(見圖5)。

通過將實驗教學與學科競賽、大學生創新項目的結合，研究型實驗項目更加貼近最新技術和應用，明顯提升了學生參與實驗的積極性，有三十余人次參與了基于學科競賽和大創項目的可選實驗項目，提高了學生解決實際復雜工程問題的能力和創新創業水平。

圖4 全橋反接制動電路示意圖

圖5 智能車競賽現場及獲獎

4 結語

本文以2019年西北工業大學人才培養大討論為背景，深入剖析現有實驗課程普遍存在問題。提出從內涵和外延兩個維度考察實驗課程“金課”在本科教學整體背景的作用，繼而形成實驗課程改革的兩把抓手：在內涵方面，構建分層次課程教學，加大綜合性、設計型及創新型實驗項目比例，以實驗導向性學習向項目導向性學習實驗教學模式轉變，提高實驗項目的“兩性一度”，改革實驗課堂和強化實驗課程思政；在外延方面，將實驗教學置于實踐教學體系整體進行設計，重塑實驗教學“前端培養”的重要性，以成果為導向，與學科競賽、大創項目充分結合，在實驗教學活動中鼓勵引導學生探索前沿問題。以電氣工程類專業核心課程“電力拖動與控制系統”實驗為例，具體介紹打造實驗課程“金課”的改革舉措和實施效果。實踐表明，通過內涵和外延兩個維度的改革，學生的參與度和收獲感大為提升，所付出的精力也更多。學生反饋本實驗課程有助于其專業知識體系的融會貫通，通過實驗課程“做中學”能力的培養，對學科競賽和創新創業大有裨益。同時，實驗課程思政的融入也強化了實驗教學在立德樹人這一根本任務中的重要作用，取得了更好的育人效果。