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摘要:實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)時(shí)高校電氣類本科生專業(yè)課程教學(xué)的重要組成部分,對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)課程課時(shí)量較少、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一,束縛了學(xué)生的個(gè)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(shí)驗(yàn)課程存在的學(xué)生積極性不高、實(shí)踐動(dòng)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(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程改革需求及其痛點(diǎn)問題進(jìn)行深入分析,為高校本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)課程;高校學(xué)生;實(shí)踐動(dòng)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(shí)。然而,理論教學(xué)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)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(shí),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(dòng)其學(xué)習(xí)積極性,若不能及時(shí)將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)驗(yàn)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(tái),通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)[5-7]。但在實(shí)際的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程為例,從高校學(xué)生需求出發(fā),提取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)課程改革的需求及對(duì)應(yīng)痛點(diǎn)問題。
二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程改革面臨的挑戰(zhàn)
(一)課堂理論與實(shí)際驗(yàn)證聯(lián)系困難教師時(shí)常著眼于課堂教學(xué)過程,熱衷于對(duì)理論的詳細(xì)推導(dǎo)和闡釋,忽略了專業(yè)理論在實(shí)際中的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)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(shí),通常會(huì)在理論課堂教學(xué)上花費(fèi)大量時(shí)間,電機(jī)學(xué)教師在講授直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩等理論知識(shí)時(shí),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(huì)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(duì)新知識(shí)理解不夠透徹和深入的問題,教師會(huì)利用一個(gè)課時(shí)的時(shí)間,旁征博引電氣專業(yè)其他核心課程的知識(shí)點(diǎn),對(duì)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(shí)量,而分配給實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)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(huì)在理論教授過程中穿插一些電機(jī)的實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新水平,仍需要開設(shè)額外的實(shí)驗(yàn)課程。但由于理論課堂在教授電機(jī)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容時(shí),僅對(duì)實(shí)驗(yàn)接線和實(shí)驗(yàn)獲得的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明,并沒有實(shí)際的操作指導(dǎo),因此,學(xué)生在進(jìn)行電機(jī)實(shí)驗(yàn)操作過程中無(wú)法提前做好準(zhǔn)備,而每個(gè)課時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間緊張,又是多人分組實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致很多學(xué)生難以獲得實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)和專業(yè)實(shí)踐動(dòng)手能力提升的時(shí)機(jī),不利于培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。
(二)實(shí)踐操作能力實(shí)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(duì)所研究理論進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證,可在短時(shí)間內(nèi)獲得可行性分析結(jié)果和正確性驗(yàn)證報(bào)告,仿真分析過程可在課堂上得到展示,但仿真過程由計(jì)算機(jī)完成,學(xué)生僅能掌握仿真現(xiàn)象,實(shí)踐動(dòng)手能力難以得到提升。此外,實(shí)際的實(shí)驗(yàn)調(diào)試中會(huì)出現(xiàn)各類問題,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程卻需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,實(shí)驗(yàn)分析過程難以在課堂教學(xué)中進(jìn)行展示,課時(shí)安排也存在較大困難。
(三)方法創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)程序中的控制參數(shù)或電氣參數(shù),觀測(cè)和學(xué)習(xí)不同參數(shù)下對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果,用于驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,創(chuàng)新性方法無(wú)法及時(shí)得到驗(yàn)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(yàn)證自己的思想,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的即時(shí)性難以保證。
三、高校學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程改革需求分析
(一)豐富的理論配套仿真模型和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證平臺(tái)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(shí)的基礎(chǔ)上,然而,課堂理論僅直接展示最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生無(wú)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(huì)專業(yè)理論的趣味性,通曉理論知識(shí)的合理性,因此,亟須解決與專業(yè)理論對(duì)應(yīng)的集成一體化的仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
(二)取代復(fù)雜調(diào)試過程,即時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)效果,如果教師需要在每個(gè)課時(shí)內(nèi)為學(xué)生演示實(shí)驗(yàn),需要提前幾個(gè)月將實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試完成;同時(shí),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(jiǎn)單、實(shí)時(shí)呈現(xiàn)仿真和實(shí)驗(yàn)效果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。
(三)電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)證和實(shí)驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)上,希望提升自己的創(chuàng)新思維能力,此時(shí)要求教學(xué)平臺(tái)的仿真模型參數(shù)可調(diào)、仿真系統(tǒng)對(duì)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(duì)仿真系統(tǒng)中的控制部分進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和改善。因此,亟待研制出面向全體學(xué)生的開源型仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),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(shí)驗(yàn)課程改革痛點(diǎn)分析
(一)教師講授要求高,現(xiàn)有課時(shí)量難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求由于學(xué)生對(duì)專業(yè)仿真軟件和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果后,需要向?qū)W生解釋仿真和實(shí)驗(yàn)與理論正確性之間的關(guān)聯(lián),而大部分學(xué)生對(duì)“實(shí)踐驗(yàn)證理論”的概念非常模糊,因此,教師對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)闡釋面臨巨大挑戰(zhàn);除課堂理論教學(xué)課時(shí)外,教師需要單獨(dú)安排課時(shí)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)教學(xué),這對(duì)教師和學(xué)生來(lái)講實(shí)現(xiàn)難度大。
(二)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度與學(xué)生接受程度與難以匹配仿真模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相融合是汲取了“半實(shí)物”仿真的核心思想,其包括硬件在環(huán)和軟件在環(huán)實(shí)驗(yàn),教師演示仿真模型直接轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,需要對(duì)“半實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)演示時(shí)學(xué)生的思維無(wú)法直接從課本中的電路簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)化為裝置實(shí)物圖,因而需要教師首先對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置元器件進(jìn)行介紹,并結(jié)合課本簡(jiǎn)圖一一對(duì)照講授,如此開展的實(shí)驗(yàn)課程便加大了教師的講課難度,對(duì)于講授時(shí)間和課時(shí)安排也提出極大挑戰(zhàn);同時(shí),實(shí)時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)演示涉及硬件在環(huán)操作理念,還需向?qū)W生講授如何實(shí)現(xiàn)仿真模型的程序轉(zhuǎn)化,在演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)考慮如何提升學(xué)生實(shí)踐操作能力等,這些都加重了教師的講課負(fù)擔(dān),也對(duì)學(xué)生的知識(shí)獲取能力提出考驗(yàn)。
(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(tái),然而,如何使用仿真軟件、如何修改控制器參數(shù)、修改時(shí)若出現(xiàn)仿真報(bào)錯(cuò)應(yīng)如何解決,這些問題嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對(duì)仿真模型控制方法的改善和創(chuàng)新;其次,教學(xué)平臺(tái)開源性、可調(diào)性的主要體現(xiàn)對(duì)于學(xué)生來(lái)說存在較大誤區(qū),在理解教學(xué)平臺(tái)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(dòng)溝通仍存在一定難度。因此,對(duì)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(tái)能否較好解決此類問題,仍面臨巨大挑戰(zhàn)。
五、結(jié)論
針對(duì)目前大部分高校實(shí)驗(yàn)課程存在的理論講授時(shí)間長(zhǎng)、學(xué)生興趣調(diào)動(dòng)難度大等問題,筆者以電氣類實(shí)驗(yàn)課程為例,深入分析高校學(xué)生對(duì)目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程改革的需求,并對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程在發(fā)展和優(yōu)化過程存在的主要痛點(diǎn)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(shí)驗(yàn)操作能力和創(chuàng)新思維能力,為高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院